El cable bifilar es un cable plano de dos conductores que se utiliza como línea de transmisión equilibrada para transportar señales de radiofrecuencia (RF). Está construido con dos alambres trenzados o sólidos de cobre o acero revestido de cobre, mantenidos a una distancia precisa mediante una cinta de plástico (generalmente polietileno ). El espaciado uniforme de los cables es la clave para la función del cable como línea de transmisión; cualquier cambio abrupto en el espaciado reflejaría parte de la señal hacia la fuente. El plástico también cubre y aísla los cables. Está disponible con varios valores diferentes de impedancia característica , el tipo más común es el de 300 ohmios.
El cable gemelo se utiliza principalmente como línea de alimentación de antena en frecuencias de onda corta y VHF , para conectar receptores y transmisores de radio a sus antenas . Puede tener una pérdida de señal significativamente menor que el cable coaxial flexible en miniatura , el principal tipo alternativo de línea de alimentación en estas frecuencias; por ejemplo, el cable coaxial tipo RG-58 pierde 6,6 dB por 100 metros (330 pies) a 30 MHz, mientras que el cable bifilar de 300 ohmios pierde sólo 0,55 dB. [1] El cable gemelo de 300 ohmios se usa ampliamente para conectar radios FM a sus antenas, y anteriormente se usaba para conectar antenas de televisión a televisores hasta que fue reemplazado por cable coaxial. Sin embargo, es más vulnerable a las interferencias; La proximidad a objetos metálicos inyectará señales en los cables gemelos que serían bloqueadas por un cable coaxial. Por lo tanto, requiere espacio alrededor de canaletas de lluvia y aisladores a lo largo de mástiles de soporte metálicos.
Las líneas de transmisión de conductores gemelos y otros tipos de conductores paralelos se utilizan principalmente para conectar transmisores y receptores de radio a sus antenas . La línea de transmisión paralela tiene la ventaja de que sus pérdidas por unidad de longitud son un orden de magnitud menores que las del cable coaxial , la principal forma alternativa de línea de transmisión. Sus desventajas son que es más vulnerable a las interferencias y debe mantenerse alejado de objetos metálicos que puedan provocar pérdidas de energía. Por esta razón, cuando se instalan en el exterior de edificios y en mástiles de antenas, se deben utilizar aisladores de separación. También es una práctica común torcer el cable gemelo en tramos largos e independientes para rechazar aún más cualquier desequilibrio inducido en la línea.
El cable doble se suministra en varios tamaños diferentes, con valores de impedancia característica de 600, 450, 300 y 75 ohmios . El más común, el de doble cable de 300 ohmios, alguna vez se usó ampliamente para conectar televisores y radios FM a sus antenas receptoras. El cable doble de 300 ohmios para instalaciones de televisión se ha reemplazado en gran medida por líneas de alimentación de cable coaxial de 75 ohmios . El cable doble también se utiliza en estaciones de radioaficionados como línea de transmisión para la transmisión equilibrada de señales de radiofrecuencia .
La impedancia característica de los cables gemelos es función del diámetro del cable y su espaciado; En los cables gemelos de 300 ohmios, el tipo más común, el cable suele ser de calibre 20 o 22 (0,52 o 0,33 mm2 ) , con una separación de aproximadamente 7,5 mm (0,30 pulgadas). [2] Esto coincide bien con la impedancia natural de una antena dipolo plegada , que normalmente ronda los 275 ohmios. Los cables gemelos generalmente tienen una impedancia más alta que el otro cableado de transmisión común, el cable coaxial (coaxial). El coaxial RG-6, ampliamente utilizado , tiene una impedancia característica de 75 ohmios, lo que requiere el uso de un balun para igualar la impedancia cuando se usa con tipos de antena comunes.
El cable gemelo es una forma de línea de transmisión balanceada de cables paralelos . La separación entre los dos cables en cables gemelos es pequeña en comparación con la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia (RF) transmitida por el cable. [3] La corriente de RF en un cable es igual en magnitud y de dirección opuesta a la corriente de RF en el otro cable. Por lo tanto, en la región del campo lejano alejada de la línea de transmisión, las ondas de radio radiadas por un cable son iguales en magnitud pero opuestas en fase (180° desfasadas ) a las ondas radiadas por el otro cable, por lo que se superponen y cancelan entre sí. otro. [3] El resultado es que la línea casi no irradia energía de radio neta.
De manera similar, cualquier onda de radio externa que interfiera inducirá corrientes de RF iguales, en fase , que viajarán en la misma dirección en los dos cables. Dado que la carga en el extremo de destino está conectada a través de los cables, solo las corrientes diferenciales con direcciones opuestas en los cables crean una corriente en la carga. De este modo se anulan las corrientes perturbadoras, por lo que los cables gemelos no tienden a captar ruido de radio.
Sin embargo, si una pieza de metal se coloca lo suficientemente cerca de una línea de dos conductores, dentro de una distancia comparable a la separación de los cables, estará significativamente más cerca de un cable que del otro. Como resultado, la corriente de RF inducida en el objeto metálico por un cable será mayor que la corriente opuesta inducida por el otro cable, por lo que las corrientes ya no se cancelarán. Por lo tanto, los objetos metálicos cercanos pueden provocar pérdidas de energía en líneas gemelas, debido a la energía disipada en forma de calor por las corrientes inducidas. De manera similar, el ruido de radio que se origina en cables u objetos metálicos ubicados cerca de la línea bifilar puede inducir corrientes desequilibradas en los cables, acoplando ruido a la línea. Por lo tanto, la línea debe mantenerse alejada de objetos metálicos como canalones y mástiles.
Para evitar que la energía se refleje desde el extremo de carga de la línea, causando una alta ROE e ineficiencia, la carga debe tener una impedancia que coincida con la impedancia característica de la línea. Esto hace que la carga parezca eléctricamente idéntica a una continuación de la línea, evitando reflejos. De manera similar, para transferir energía de manera eficiente a la línea, la fuente también debe coincidir con la impedancia característica. Para conectar una línea de transmisión balanceada a una línea no balanceada como un cable coaxial , se debe utilizar un dispositivo llamado balun .
La línea de cable paralelo se presenta en tres formas distintas:
La línea de ventana es una variación del cable plano de dos hilos; está construido de manera similar, excepto que la cinta de polietileno entre los cables que los mantienen separados tiene aberturas ("ventanas") rectangulares regularmente espaciadas. [2] [4]
Entre las ventajas de cortar "ventanas" en la cinta está que el fabricante puede ajustar el tamaño de los cortes para realizar ajustes precisos en las propiedades eléctricas de la línea de alimentación. Las ventanas aligeran la línea y reducen la cantidad de superficie en la que se puede acumular suciedad y humedad, lo que hace que la línea de la ventana sea algo menos vulnerable a los cambios inducidos por el clima en su impedancia característica. [2] El tipo más común es la línea de ventana nominal de 450 Ω , que tiene una separación entre conductores de aproximadamente una pulgada (25 mm); su impedancia real puede estar más cerca de 400 Ω. [2] También se fabrica en impedancia nominal de 350 Ω.
La línea en escalera es una forma más antigua y simple de línea de alambre paralelo, a menudo llamada línea de alambre abierto . La configuración parece una escalera de cuerda , de ahí el nombre. Puede adquirirse ya fabricado por una empresa de cable o hecho en casa ; La construcción es fácil, aunque tediosa, y originalmente todos los radioaficionados fabricaban su propia línea de cable abierto. Consta de dos cables, generalmente revestidos con un aislante de CC o recubiertos con una laca duradera , mantenidos a una distancia constante mediante espaciadores aislados.
Estos "peldaños de escalera" pueden estar hechos de cualquier material aislante conveniente (en la actualidad, normalmente se cortan trozos cortos de tuberías de plástico), antes se utilizaba madera con aislamiento cerámico o impermeabilizada. Los "peldaños" mantienen los cables a una distancia constante, entre dos y cinco pulgadas (13 cm) constantes, según el cable y la impedancia deseada. Los peldaños están espaciados aproximadamente cada cinco a doce pulgadas (13 a 30 cm); Aunque es importante garantizar que la separación de los cables sea uniforme, no importa si las distancias entre los peldaños son erráticas, siempre y cuando la separación permanezca casi constante en ráfagas de viento.
La relación entre el espaciado de los cables elegido y el diámetro del cable determina la impedancia característica de la línea , generalmente 500 ~ 600 Ω , pero también depende de la permitividad relativa del aislamiento del cable y de la pérdida conductiva en los aisladores de peldaño, si es significativa. [5] Por ejemplo, para una línea de 500 Ω, dos cables desnudos o lacados deben estar espaciados 32 veces los diámetros individuales de los cables, aproximadamente cuatro pulgadas (10 cm) en el caso de líneas comunes. 1 /8Alambre de ″ de diámetro (0,125 pulgadas (3 mm)). Si los cables están aislados, es posible que la separación deba ser un poco diferente, dependiendo del plástico aislante. Para obtener una línea paralela de 600 Ω, los mismos cables deberían estar espaciados nueve pulgadas (23 cm); 600 Ω es aproximadamente el límite práctico para líneas de transmisión hechas con alambres en lugar de tubos más gruesos o cables de acero revestidos de cobre.
Como línea de transmisión, la eficiencia de transmisión será máxima cuando la impedancia de la antena, la impedancia característica de la línea bifilar y la impedancia del equipo sean las mismas. Por esta razón, cuando se conecta una línea bifilar a una conexión de cable coaxial, como el bifilar de 300 ohmios de una antena de televisión doméstica a la entrada de antena coaxial de 75 ohmios del televisor, normalmente se utiliza un balun con una relación de 4:1. . Su propósito es doble: primero, transforma la impedancia de 300 ohmios del cable doble para que coincida con la impedancia del cable coaxial de 75 ohmios; y segundo, transforma la línea de transmisión simétrica y balanceada en la entrada coaxial no balanceada. En general, cuando se utiliza como línea de alimentación, el cable doble (especialmente las versiones de línea en escalera) tiene una mayor eficiencia que el cable coaxial cuando hay una falta de coincidencia de impedancia entre la línea de alimentación y la fuente (o sumidero). Para uso de sólo recepción, esto simplemente implica que el sistema puede comunicarse en condiciones ligeramente menos óptimas; para el uso de transmisión, esto a menudo puede resultar en una pérdida significativamente menor de energía en forma de calor en la línea de transmisión.
Los cables gemelos también pueden servir como un material conveniente para construir una antena dipolo plegada simple . Estas antenas pueden alimentarse mediante un alimentador bifilar de 300 ohmios o mediante un balun de 300 a 75 ohmios y una línea de alimentación coaxial y, por lo general, soportarán cargas de energía moderadas sin sobrecalentarse.
La impedancia característica de una línea de transmisión de cables paralelos, como una línea bifilar o una línea en escalera, depende de sus dimensiones; el diámetro de los alambres d y su separación D . Esto se deriva a continuación.
La impedancia característica Z o de cualquier línea de transmisión está dada por
donde para la línea bifilar las constantes de la línea primaria son
donde d es el diámetro del alambre y D es la separación de los alambres medida entre sus líneas centrales, ε es la permitividad absoluta entre los alambres, l es la longitud del alambre, y donde la resistencia superficial de los alambres está dada por
Despreciando la resistencia del cable R y la conductancia de fuga G , esto da
donde ζ o es la impedancia del espacio libre (aproximadamente 376,74 Ω), ε R es la permitividad relativa (que para el aire es 1,00054 ).
Cuando la separación D es muchas veces mayor que el diámetro del alambre d , entonces la función arcosh se puede reemplazar aproximadamente por un logaritmo natural (con su argumento duplicado):
Por lo tanto , las fórmulas exactas y aproximadas para la separación necesaria para lograr una determinada impedancia característica a través de un par de cables son
El material dieléctrico entre los dos conductores, ya sea con línea bifilar o en escalera, no es todo aire. El efecto de un dieléctrico "mezclado", en parte aire y parte polietileno u otro plástico, es que la impedancia real caerá en algún punto entre el valor calculado asumiendo todo aire o todo polietileno. Los valores publicados y medidos cuidadosamente para Z o normalmente serán más precisos que las estimaciones de fórmulas.
Los cables gemelos se pueden conectar directamente a una antena diseñada adecuadamente:
![{\displaystyle Z_{\mathsf {o}}={\frac {\zeta _ {\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ } }\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\ varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \ln {\Biggl [}\ {\tfrac {\ D\ }{d}}+{\sqrt {\left({\tfrac {\ D \ }{d}}\right)^{2}-1~}}\ {\Biggr ]}~.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e2b03597d5ea9d3030d4ff056291c34eb282665f)
![{\displaystyle \quad ={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\left[\ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)-\left({\frac {d}{\ 2\ D\ }}\right)^{2}-\operatorname {\ mathcal {O}} \left\{\left({\tfrac {d}{\ 2\ D\ }}\right)^{4}\right\}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/eb3fd55e26fae67d1936a20dc842ec83462752d0)
![{\displaystyle \quad \approx {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\left[\ln \left( {\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)-\left({\frac {d}{\,2\,D\,}}\right)^{2}\right]\aprox {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\derecha)~.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e89b0c1b018d3b60ebf20e7b6014fb3686f49e07)
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