Líneas de transmisión y ondas electromagnéticas: fundamentos, acoplamiento y ondas estacionarias

Resumen

El documento introduce las líneas de transmisión como medio para transportar energía e información mediante ondas electromagnéticas. Explica la clasificación de las ondas en transversales y longitudinales, la propagación TEM, las características de la onda electromagnética (frecuencia, periodo y longitud de onda) y el concepto de acoplamiento entre línea y carga. Finalmente describe la formación de ondas estacionarias y su relevancia para calcular la Relación de Onda Estacionaria (ROE).

Puntos clave

Una línea de transmisión transporta energía e información en forma de ondas electromagnéticas de un punto a otro.
Las ondas transversales (como la luz) no necesitan medio; las longitudinales (como el sonido) sí lo necesitan.
En una línea, la propagación es TEM: el campo eléctrico E y el campo magnético H son perpendiculares entre sí.
La frecuencia f, el periodo T y la longitud de onda λ caracterizan a la onda electromagnética.
Si la impedancia característica Z0 es igual a la impedancia de la carga ZL, la línea está acoplada y la carga absorbe toda la potencia incidente.
Las ondas incidente y reflejada forman una onda estacionaria cuyos mínimos y máximos están separados por media longitud de onda, lo que permite calcular la ROE.

Ponte a prueba

Introducción a las Líneas de Transmisión

La idea de establecer una línea de transmisión es poder transportar información en forma de ondas electromagnéticas desde un punto a otro.

Clasificación de las Ondas

Una onda es un movimiento oscilatorio. Se pueden clasificar en dos grupos principales:

Ondas Transversales: Son aquellas para las cuales la perturbación que se propaga es perpendicular a la dirección de propagación. Ejemplo: ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. Este tipo de ondas no necesita de la existencia de un medio para propagarse.
Ondas Longitudinales: Son aquellas para las cuales dicha perturbación es paralela a la dirección en la que la onda se propaga. Ejemplo: las ondas sonoras. Estas ondas necesitan un medio para propagarse.

Propagación en Líneas de Transmisión

La propagación de energía eléctrica a lo largo de la línea de transmisión ocurre en forma de ondas electromagnéticas transversales (TEM). Una onda electromagnética (EM) se produce por la aceleración de una carga eléctrica. En un conductor, la corriente y la tensión siempre están acompañados por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (H). Dichos campos son perpendiculares entre sí (en ángulos de 90°) en todos los puntos.

Las ondas electromagnéticas que viajan a lo largo de una línea de transmisión, desde la fuente a la carga, se llaman ondas incidentes, y aquellas que viajan desde la carga nuevamente hacia la fuente se llaman ondas reflejadas.

Características de las Ondas Electromagnéticas

La onda electromagnética, como su nombre lo indica, está compuesta por una componente eléctrica (E) y una componente magnética (B), las cuales se encuentran desfasadas 90° entre sí.

Las oscilaciones de una onda electromagnética son periódicas y repetitivas. Por lo tanto, se caracterizan por tener una frecuencia asociada (f). Se llama frecuencia a la cantidad de veces que la onda se repite por unidad de tiempo. Definimos entonces al periodo como el tiempo necesario para que la onda vuelva a repetirse (T). La distancia de un ciclo en el espacio se llama longitud de onda y se mide entre máximos (λ).

Para determinar una onda debemos indicar dónde y cuándo arranca, o dar su fase a una determinada posición y tiempo.

Acoplamiento de Líneas

Cuando la impedancia característica (Z0) es igual a la impedancia de la carga (ZL), la carga absorbe toda la potencia incidente. Esto se llama línea acoplada. Cuando parte de la potencia incidente es absorbida por la carga y parte se regresa (refleja) a la fuente, se llama línea sin acoplar o desacoplada. Con una línea desacoplada, hay dos ondas electromagnéticas que viajan en direcciones opuestas y están presentes en la línea todo el tiempo.

Ondas Estacionarias

Las dos ondas viajeras (incidente y reflejada) establecen un patrón de interferencia conocido como onda estacionaria. Conforme las ondas incidentes y reflejadas se cruzan entre sí, se producen en la línea patrones estacionarios de voltaje y de corriente. A estas ondas se les llama ondas estacionarias porque parece que permanecen en una posición fija en la línea, variando solamente en amplitud.

La onda estacionaria tiene mínimos (nodos), separados por la mitad de una longitud de onda de las ondas viajeras, y máximos (antinodos), también separados por la mitad de una longitud de onda. Esta información es muy importante, ya que nos permite conocer la Relación de Onda Estacionaria (ROE) del sistema.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre una onda transversal y una longitudinal?

En las ondas transversales la perturbación es perpendicular a la dirección de propagación, como la luz y las ondas de radio, y no necesitan medio. En las longitudinales la perturbación es paralela a la propagación, como las ondas sonoras, y sí necesitan un medio.

¿Cuándo una línea de transmisión está acoplada?

Una línea está acoplada cuando la impedancia característica Z0 es igual a la impedancia de la carga ZL. En ese caso la carga absorbe toda la potencia incidente.

¿Por qué se llaman ondas estacionarias?

Se llaman así porque parecen permanecer en una posición fija en la línea, variando solamente en amplitud, como resultado de la interferencia entre la onda incidente y la reflejada.