Principios y Características Clave de Líneas de Transmisión y Cables Coaxiales

1. Aplicaciones Fundamentales de las Líneas de Transmisión

Enumera tres aplicaciones de las líneas de transmisión.

Las líneas de transmisión se emplean comúnmente como:

• Circuitos resonantes
• Filtros
• Acopladores de impedancia

2. Tipos Principales de Líneas de Transmisión

¿Cuáles son los tres principales tipos de líneas de transmisión?

Los tres tipos principales son:

• Línea equilibrada (ej. par trenzado, línea bifilar)
• Línea coaxial
• Guía de onda

3. Parámetros de Impedancia en Líneas de Transmisión Equilibradas

¿Qué parámetros condicionan la impedancia de una línea de transmisión equilibrada?

La impedancia característica (Z₀) de una línea de transmisión equilibrada (por ejemplo, una línea bifilar abierta en aire) se calcula con la fórmula aproximada:

Z₀ ≈ 276 ⋅ log₁₀(D/r) Ω

Donde:

• D: es la distancia (separación) entre los centros de los dos conductores paralelos.
• r: es el radio de cada conductor. (Nota: La fórmula original proporcionada en el documento, Zo = 276 x log (d/r), donde 'r' se describía como diámetro, es más precisa si 'r' se interpreta como radio. Si 'r' fuera diámetro, la fórmula común sería 276 log10(2D/diámetro) para D >> diámetro).

4. Línea Coaxial: Naturaleza Desequilibrada

¿Por qué a la línea coaxial se le denomina línea desequilibrada?

Se le denomina línea desequilibrada porque su conductor exterior, conocido como "malla" o "blindaje", usualmente está conectado a potencial de tierra (referencia). Mientras tanto, el conductor central, denominado "vivo", es el que transporta la señal referida a esa tierra. Esta configuración crea una asimetría eléctrica respecto al potencial de tierra para las corrientes de señal.

5. Parámetros Determinantes de la Impedancia en Líneas Coaxiales

En una línea coaxial, ¿de qué parámetros depende la impedancia?

La impedancia característica (Z₀) de una línea coaxial depende de los siguientes parámetros geométricos y del material dieléctrico:

• D: Diámetro interno del conductor externo (malla o blindaje).
• d: Diámetro externo del conductor interno (vivo).
• ε_r: Constante dieléctrica relativa (o permitividad relativa) del material aislante (dieléctrico) situado entre ambos conductores.

La fórmula es: Z₀ = (138/√ε_r) ⋅ log₁₀(D/d) Ω o Z₀ ≈ (60/√ε_r) ⋅ ln(D/d) Ω.

6. Impedancia Característica Estándar en Radiodifusión

¿Cuál es la impedancia característica de las líneas utilizadas habitualmente en radiodifusión?

La impedancia característica más comúnmente utilizada en aplicaciones de radiodifusión (especialmente RF y transmisión) es de 50 Ω. También se utilizan líneas de 75 Ω, principalmente en sistemas de video y recepción de TV.

7. Significado de la Impedancia de Transferencia en Líneas Coaxiales

¿A qué hace referencia la impedancia de transferencia de una línea coaxial?

La impedancia de transferencia (Z_T) es un parámetro que cuantifica la efectividad del blindaje del conductor externo de un cable coaxial. Define cuánto voltaje se induce en el interior del cable por una corriente que fluye por el exterior del blindaje (o viceversa). Un valor más bajo de impedancia de transferencia indica un mejor blindaje y menor susceptibilidad a interferencias electromagnéticas (EMI).

8. Tipos Comunes de Dieléctricos en Cables Coaxiales

Enumera al menos tres tipos de dieléctricos utilizados en cables coaxiales.

Algunos dieléctricos frecuentemente utilizados en la fabricación de cables coaxiales son:

• Polietileno (PE): tanto en forma sólida como espumada (foam polyethylene), esta última para reducir pérdidas y aumentar la velocidad de propagación.
• Teflón® (Politetrafluoroetileno o PTFE): conocido por sus excelentes propiedades a altas frecuencias y temperaturas.
• Tefzel® (ETFE - Copolímero de Etileno Tetrafluoroetileno): ofrece buena resistencia mecánica y química.
• Aire: utilizado como dieléctrico principal en cables de bajas pérdidas, con espaciadores de material sólido para mantener la geometría coaxial.

(La respuesta original mencionaba "Tefzel, Teflón y polietileno/aire". Estos se han detallado para mayor claridad).

9. Velocidad de Propagación de Ondas en Cable Coaxial Respecto al Vacío

¿Cómo es la velocidad de propagación de las ondas en un cable coaxial respecto a la del vacío?

La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en un cable coaxial (v_p) es siempre menor que su velocidad en el vacío (c, aproximadamente 3×10⁸ m/s, que es la velocidad de la luz). La velocidad en el cable está determinada por la permitividad dieléctrica relativa (ε_r) del material aislante utilizado entre los conductores, según la fórmula:

v_p = c / √ε_r

Dado que para todos los materiales dieléctricos ε_r > 1 (para el vacío ε_r = 1), entonces v_p < c. El factor 1/√ε_r se conoce como factor de velocidad.

10. Característica de Pérdida de Potencia en Cables Coaxiales

¿Cómo se denomina la característica de un cable coaxial que nos indica la pérdida de potencia de señal por unidad de longitud?

Esta característica se denomina atenuación. Se expresa comúnmente en decibelios por unidad de longitud (dB/m o dB/100ft) y aumenta con la frecuencia de la señal y la longitud del cable.

11. Relación entre Frecuencia y Capacidad de Potencia en Cables Coaxiales

¿Qué relación existe entre la frecuencia y la potencia que puede transmitir un cable coaxial?

Generalmente, la capacidad de manejo de potencia de un cable coaxial disminuye a medida que aumenta la frecuencia de la señal. Esto se debe principalmente a dos factores que aumentan con la frecuencia:

• Pérdidas en el dieléctrico: La disipación de energía en el material aislante.
• Pérdidas en los conductores: Debido al efecto pelicular (skin effect), la corriente tiende a fluir solo por la superficie de los conductores, aumentando la resistencia efectiva.

Estas pérdidas se convierten en calor, y el límite de potencia está determinado por la máxima temperatura que el cable puede soportar sin degradarse.

12. Limitaciones en la Curvatura de Cables Coaxiales

¿Podemos curvar un cable coaxial tanto como queramos? Explica el motivo.

No, los cables coaxiales no deben curvarse indiscriminadamente. Cada tipo y tamaño de cable coaxial tiene un radio de curvatura mínimo especificado por el fabricante, el cual no debe ser excedido. Curvar un cable más allá de este límite puede causar:

• Daño físico: Rotura o deformación del conductor central ("vivo"), del dieléctrico, o de la malla/blindaje.
• Alteración de la impedancia: La deformación de la geometría coaxial puede cambiar su impedancia característica, provocando desadaptaciones y reflexiones de señal.
• Incremento de la atenuación: Las deformaciones pueden aumentar las pérdidas de señal.
• Reducción de la vida útil del cable.

13. Nombres Comerciales de Cables Coaxiales Semirrígidos o de Bajas Pérdidas

¿Cuáles son los nombres comerciales de los dos principales tipos de cables coaxiales semirrígidos?

Dos nombres comerciales bien conocidos para cables coaxiales de alto rendimiento, que incluyen tipos semirrígidos, corrugados o con dieléctrico de bajas pérdidas, son:

• Cellflex® (generalmente asociado a cables con dieléctrico de espuma y conductor exterior corrugado, fabricados por RFS).
• Heliflex® (Nota: Heliax®, de CommScope/Andrew, es un nombre extremadamente prominente y similar para cables corrugados de bajas pérdidas. Heliflex podría ser una variante específica o un producto de otro fabricante).

14. Denominación y Clasificación de Cables Coaxiales Semirrígidos

¿De qué manera se denominan los diferentes modelos normalizados de cables coaxiales semirrígidos?

Los cables coaxiales semirrígidos (con conductor exterior sólido y formable) suelen seguir designaciones como la serie "RG" (por ejemplo, RG-401, RG-402, RG-405, que corresponden a tamaños estándar como UT-085, UT-141, UT-250 respectivamente). Los cables corrugados de bajas pérdidas (a veces llamados semirrígidos de forma genérica, aunque son más flexibles) se denominan a menudo según series específicas del fabricante (ej. LDF series de Andrew/CommScope, UCF series de RFS).

Adicionalmente, se pueden clasificar según el tipo de dieléctrico que utilizan, lo cual influye significativamente en sus características. La respuesta original indicaba esta clasificación:

• Modelos con dieléctrico de polietileno expandido (foam).
• Modelos que emplean aire como dieléctrico principal (con espaciadores helicoidales o membranas internas para mantener la estructura coaxial).

15. Dieléctricos para Máxima Velocidad de Propagación en Cables Coaxiales

¿Qué tipo de dieléctrico permite que los cables coaxiales tengan mayor velocidad de propagación?

Para obtener la mayor velocidad de propagación (v_p), se requiere un dieléctrico con la constante dieléctrica relativa (ε_r) más baja posible, ya que v_p = c / √ε_r. El dieléctrico ideal es el vacío (ε_r = 1), seguido muy de cerca por el aire (ε_r ≈ 1.0006).

En la práctica, los cables diseñados para alta velocidad de propagación (alto factor de velocidad) utilizan:

• Dieléctricos de aire: Donde el aire es el principal aislante, con espaciadores mínimos de material sólido (ej. PTFE, PE) para mantener centrado el conductor interno.
• Polietileno expandido (foam PE) o Teflón® espumado (foam PTFE): Estos materiales incorporan una gran cantidad de burbujas de aire en su estructura, resultando en una ε_r efectiva muy baja (cercana a la del aire), y por lo tanto, una alta velocidad de propagación (típicamente del 70% al 90% de la velocidad de la luz en el vacío, c).

(La respuesta original mencionaba "Polietileno expandido", que es una excelente opción práctica para lograr altas velocidades de propagación).

16. Desafíos de los Cables Coaxiales con Dieléctrico de Aire y sus Soluciones

¿Cuál es el principal problema de los cables coaxiales con dieléctrico de aire y cómo se resuelve?

El principal inconveniente de los cables coaxiales que utilizan aire como dieléctrico principal es su susceptibilidad a la condensación interna de humedad. Si el cable no está perfectamente sellado herméticamente, los cambios de temperatura y la presión atmosférica pueden hacer que el aire húmedo del exterior ingrese y la humedad se condense dentro del cable. Esta agua líquida o vapor de agua:

• Altera significativamente la constante dieléctrica del espacio entre conductores (ε_r del agua es ~80, comparado con ~1 del aire).
• Modifica drásticamente la impedancia característica de la línea, causando desadaptaciones.
• Incrementa notablemente las pérdidas de señal (atenuación).
• Puede causar corrosión en los conductores.

Este problema se resuelve fundamentalmente mediante:

• Un sellado hermético de todo el sistema de cable y sus conectores.
• La presurización del interior del cable con aire seco o un gas inerte (como nitrógeno seco). Se mantiene una ligera presión positiva dentro del cable para evitar la entrada de aire húmedo del exterior y para expulsar cualquier humedad que pudiera haber ingresado.

17. Consideraciones Esenciales en la Instalación Exterior de Cables Coaxiales para Antenas

Cuando instalamos una línea exterior de cable coaxial hasta una antena, ¿qué es obligatorio hacer con el cable?

Al instalar una línea de cable coaxial en exteriores, especialmente para conectar una antena, es fundamental prestar atención a varios aspectos críticos para asegurar un rendimiento óptimo y la longevidad del sistema. Uno de los más importantes es la gestión de la impedancia:

• Se debe asegurar una correcta adaptación de impedancias entre la antena, el cable coaxial y el equipo (transmisor/receptor). La impedancia característica del cable (ej. 50 Ω o 75 Ω) debe coincidir con la impedancia del puerto de la antena y del equipo al que se conecta.
• Una desadaptación de impedancias (impedance mismatch) es un problema serio que debe ser evitado o minimizado. Esta condición provoca reflexiones de la señal (ondas estacionarias, evidenciadas por un alto ROE/VSWR), lo que resulta en una pérdida de potencia efectiva (tanto transmitida como recibida) y, en casos de transmisión de alta potencia, puede incluso dañar la etapa de salida del transmisor.

Además de la crucial adaptación de impedancias, otras acciones y consideraciones obligatorias o altamente recomendables incluyen:

• Selección del cable adecuado: Elegir un cable coaxial diseñado para uso exterior, con bajas pérdidas a las frecuencias de operación y con la impedancia correcta.
• Conectores de calidad y correcta instalación: Utilizar conectores apropiados para el tipo de cable y la frecuencia, instalándolos meticulosamente para asegurar una conexión eléctrica y mecánica robusta y fiable.
• Impermeabilización (Weatherproofing): Sellar todas las conexiones exteriores (uniones conector-cable, conector-antena, conector-equipo si está en exterior) utilizando cinta vulcanizable de calidad, tubo termorretráctil con adhesivo interno, o capuchas protectoras específicas. Esto previene la entrada de agua y humedad, que degradan el rendimiento y pueden dañar el cable y los conectores.
• Soporte mecánico y respeto al radio de curvatura: Asegurar el cable adecuadamente a lo largo de su recorrido para evitar tensiones mecánicas excesivas sobre el cable o los conectores. Respetar siempre el radio de curvatura mínimo especificado por el fabricante para no dañar la estructura interna del cable.
• Puesta a tierra (Grounding): Conectar a tierra el blindaje (conductor exterior) del cable coaxial en puntos estratégicos (generalmente al entrar al edificio y, si es posible, cerca de la base de la antena, siguiendo las normativas locales y de seguridad eléctrica). Esto es vital para la protección contra descargas atmosféricas (rayos) y para reducir la captación de ruido e interferencias.
• Protección contra descargas atmosféricas (Lightning Protection): Considerar la instalación de protectores de sobretensión coaxiales (descargadores de gas, varistores) en la línea, especialmente si la antena está en una ubicación elevada o expuesta a rayos.

(La respuesta original mencionaba "Desadaptación de impedancias". Es crucial entender que la desadaptación es un problema a evitar, y la acción obligatoria es trabajar para lograr la mejor adaptación de impedancias posible).