De doble derivación

Cable doble de 300 Ω

El cable bifilar es un cable plano de dos conductores que se utiliza como línea de transmisión balanceada para transportar señales de radiofrecuencia (RF). Está construido con dos cables de cobre trenzados o cables de acero revestidos de cobre macizo. Los cables se mantienen separados a una distancia fija mediante una cinta de plástico que es un buen aislante en las frecuencias de radio (normalmente polietileno ). También se denomina cable plano (de dos hilos) . El espaciado uniforme de los cables es la clave para la función del cable como línea de transmisión: cualquier cambio abrupto en el espaciado haría que parte de la señal se reflejara de nuevo hacia la fuente, en lugar de pasar a través de ella. El plástico también cubre y aísla los cables. El nombre de cable bifilar se utiliza con mayor frecuencia para referirse específicamente al cable plano de 300 Ω (ohmios) , el tipo más común, pero en ocasiones, el término cable bifilar se utiliza para referirse a cualquier tipo de línea de cables paralelos . La línea de cable paralelo está disponible con varios valores diferentes de impedancia característica , como cable plano de dos conductores (300 Ω ), línea de ventana (300 Ω, 350 Ω o 450 Ω) y línea de cable abierto o línea de escalera (500~650 Ω ).

El cable doble 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 de línea de alimentación alternativa en estas frecuencias; por ejemplo, el cable coaxial tipo RG-58 pierde 6,6 dB por cada 100 metros (330 pies) a 30 MHz, mientras que el cable doble de 300 Ω pierde solo 0,55 dB. ^[1] El cable doble de 300 Ω 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 el cable coaxial. Sin embargo, es más vulnerable a las interferencias; la proximidad a objetos metálicos inyectará señales en cualquier tipo de línea de cable paralelo que estaría bloqueada por un cable coaxial más conveniente / más popular . Por lo tanto, es necesario dejar espacio alrededor de las canaletas de lluvia , lejos de cercas de metal, revestimientos de paredes exteriores y techos de metal, y montarlos sobre aisladores separadores cuando se instalan en mástiles de antena de metal.

Características y usos

Los cables de transmisión de dos conductores y otros tipos de cables de transmisión en paralelo se utilizan principalmente para conectar transmisores y receptores de radio a sus antenas . Los cables de transmisión en paralelo tienen 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 cable de transmisión . Sus desventajas son que son más vulnerables a las interferencias y deben mantenerse alejados de objetos metálicos que pueden causar pérdidas de potencia y distorsión de impedancia (de ahí las ondas reflejadas). Por este motivo, cuando se instalan a lo largo del exterior de los edificios y en los mástiles de antena, se deben utilizar aisladores de separación. También es una práctica común torcer los cables de dos conductores en tramos largos e independientes para rechazar aún más cualquier desequilibrio inducido en la línea.

La línea de cables paralelos (el sentido genérico de cable doble ) se suministra en varios tamaños diferentes, con valores de impedancia característica de 600 Ω , 500 Ω (línea de escalera), 450 Ω, 350 Ω (línea de ventana), 300 Ω (línea de ventana, cable plano) y 75 Ω (cable plano) . El cable plano de dos conductores de 300 Ω más común, alguna vez se usó ampliamente para conectar televisores y radios FM a sus antenas receptoras. El cable plano de dos conductores de 300 Ω para instalaciones de televisión ha sido reemplazado en gran medida por el cable coaxial de 75 Ω . Se utilizan múltiples formas de línea de cables paralelos en estaciones de radioaficionados como línea de alimentación para transmisión balanceada de señales de radiofrecuencia , más a menudo como línea de ventana de 450 Ω, en lugar de cable plano de dos conductores.

La impedancia característica de un cable bifilar es una función del diámetro del cable y su espaciado; en un cable plano bifilar de 300 Ω, el tipo más común, el cable suele ser AWG 20 o 22 (0,52 o 0,33 mm²), con una separación de unos 7,5 milímetros (0,30 pulgadas). ^[2]^{(pp 24⸗16–24⸗17)} Esto coincide bien con la impedancia natural de una antena dipolo plegada , que normalmente ronda los 275 Ω. El cable bifilar generalmente tiene una impedancia más alta que el otro cableado de transmisión común, el cable coaxial (coax). El cable coaxial RG-6 ampliamente utilizado tiene una impedancia característica de 75 Ω, lo que requiere el uso de un balun para igualar la impedancia cuando se usa con tipos de antena comunes.

Cómo funciona

Un balun de 300 a 75 Ω , que muestra un cable plano de dos conductores en el lado derecho

El cable bifilar (en el sentido específico de cable plano) es una forma de línea de transmisión balanceada de cables paralelos . La separación entre los dos cables en el bifilar es pequeña en comparación con la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia (RF) transportada por el cable. ^[2]^{(pág. 24⸗1)} La corriente de RF en un cable es igual en magnitud y opuesta en dirección a la corriente de RF en el otro cable. Por lo tanto, en la región de campo lejano lejos de la línea de transmisión, las ondas de radio radiadas por un cable son iguales en magnitud pero opuestas en fase (180° fuera de fase ) a las ondas radiadas por el otro cable, por lo que las ondas opuestas superpuestas se cancelan entre sí. ^[2]^{(pp. 24⸗16–24⸗17)} 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 y en fase , que viajarán en la misma dirección, en los dos cables, siempre que cada uno mantenga la misma impedancia. Dado que la carga en el extremo de destino está conectada a través de los cables, nominalmente, solo las corrientes diferenciales en direcciones opuestas en los cables crean una corriente en la carga. Por lo tanto, las corrientes de interferencia se cancelan, por lo que el cable doble no tiende a captar ruido de radio.

Sin embargo, si una pieza de metal se encuentra 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 causar pérdidas de potencia en las líneas de dos conductores, a través de 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 de dos conductores puede inducir corrientes desequilibradas en los cables, acoplando el ruido a la línea. Por lo tanto, la línea debe mantenerse a una distancia de objetos metálicos como canaletas y mástiles.

Para evitar que la potencia se refleje desde el extremo de carga de la línea, lo que causa una ROE alta 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, lo que evita las reflexiones. De manera similar, para transferir potencia 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 .

Línea de ventana y línea de escalera

Además del cable plano de dos conductores, el cable paralelo de dos conductores viene en dos formas adicionales: cable de ventana y cable de escalera (también conocido como cable abierto ).

Línea de ventana

El cable de ventana es una variedad más voluminosa de cable de cinta de alambre paralelo que el cable de cinta de dos conductores; está construido de manera similar en un tamaño más ancho, excepto que la cinta de polietileno entre ellos que mantiene los cables separados tiene aberturas rectangulares ("ventanas") cortadas en ella espaciadas regularmente. ^[3]^[2]^{(p 24⸗1)}

Entre las ventajas de cortar "ventanas" en la cinta está que el fabricante puede ajustar el tamaño de los cortes para realizar ajustes finos a 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 ventana sea algo menos vulnerable a los cambios inducidos por el clima en su impedancia característica. El tipo más común es la línea de ventana nominal de 450 Ω , que tiene un espaciado entre conductores de aproximadamente una pulgada (25 mm); su impedancia real puede estar más cerca de los 400 Ω. ^[2]^{(pág. 24⸗1)} También se fabrica con una impedancia nominal de 350 Ω (que en realidad puede estar más cerca de los 300 Ω). ^[2]^{(pág. 24⸗1)}

Línea de escalera

La línea en escalera es una forma más antigua y simple de línea de cables paralelos, a menudo llamada línea de cable abierto . La configuración parece una escalera de cuerda , de ahí el nombre. Puede comprarse ya hecha por una empresa de cable o hacerse en casa ; la construcción es fácil, aunque tediosa, y originalmente todos los radioaficionados hacían su propia línea de cable abierto. Consiste en dos cables, generalmente revestidos con un aislante de CC o recubiertos con una laca duradera , separados a una distancia constante mediante espaciadores aislados.

Sobrecarga nominal de 600 Ω — Línea de cable abierto de 500 a 600 Ω o *línea de escalera* que alimenta una antena de cable alto.

Los espaciadores de los "peldaños de escalera" se pueden hacer de cualquier material aislante conveniente (en la actualidad, generalmente se cortan trozos cortos de tuberías de plomería de plástico); antes se usaban aisladores de cerámica largos y delgados o tacos de madera impermeabilizada. Los "peldaños" sostienen los cables a una distancia constante, de entre dos y cinco pulgadas (13 cm), según el cable y la impedancia deseada. Los peldaños están espaciados aproximadamente cada cinco o doce pulgadas (13–30 cm). Aunque es importante asegurarse de que la separación de los cables sea uniforme, no importa si las distancias entre los peldaños son erráticas, siempre que la separación se mantenga 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 de 500 a 600 Ω , pero también depende de la permitividad relativa del aislamiento del cable y de la pérdida conductiva en los aisladores de los peldaños, si es significativa. ^[4] 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 4 pulgadas (10 cm) en el caso de los cables comunes . 1 /8Cable de ″ de diámetro (0,125 pulgadas (3 mm)). Si los cables están aislados, es posible que la separación deba ser un poco más amplia, según el plástico aislante. Para obtener una línea paralela de 600 Ω, los mismos cables se espaciarían 9 pulgadas (23 cm); 600 Ω es aproximadamente el límite práctico para líneas de transmisión hechas con alambre en lugar de cable de acero revestido de cobre más grueso , o con tubería rígida de aluminio o cobre.

Adaptación de impedancia

Como línea de transmisión, la eficiencia de transmisión será máxima cuando la impedancia de la antena, la impedancia característica de la línea de dos conductores y la impedancia del equipo sean iguales. Por esta razón, cuando se conecta una línea de dos conductores a una conexión de cable coaxial, como el cable de dos conductores de 300 Ω de una antena de televisión doméstica a la entrada de antena coaxial de 75 ohmios del televisor, se utiliza habitualmente un balun con una relación de 4:1. Su propósito es doble: primero, transforma la impedancia de 300 Ω del cable de dos conductores para que coincida con la impedancia del cable coaxial de 75 Ω; y segundo, transforma la línea de transmisión simétrica y balanceada en la entrada coaxial nominalmente desequilibrada. En general, cuando se utiliza como línea de alimentación, la línea de dos conductores (especialmente las versiones de línea en escalera) tiene una mayor eficiencia que el cable coaxial cuando hay un desajuste de impedancia entre la línea de alimentación y la fuente (o sumidero). Para el uso solo de recepción, esto simplemente implica que el sistema puede comunicarse en condiciones ligeramente menos óptimas; Para uso de transmisión, esto a menudo puede resultar en una pérdida de energía significativamente menor en forma de calor en la línea de transmisión.

Los cables dobles también pueden servir como un material conveniente para construir una antena dipolo plegada simple . Estas antenas pueden alimentarse mediante un alimentador de cables dobles de 300 Ω o mediante un balun de 300 a 75 Ω y una línea de alimentación coaxial, y normalmente soportan cargas de potencia moderadas sin sobrecalentarse.

Impedancia característica

La impedancia característica de una línea de transmisión de cables paralelos, como una línea de dos conductores o una línea en escalera, depende de sus dimensiones, del diámetro de los cables y de su separación . Esto se deduce a continuación. $\ d\$ $\ D~.$

La impedancia característica de cualquier línea de transmisión que funcione a frecuencia o frecuencia en radianes viene dada por $\ Z_{\mathsf {o}}\$ $\ f\$ $\ \omega =2\ \pi \ f\ ,$

Z_{\mathsf {o}}={\sqrt {{\frac {R+j\ \omega \ L}{\;G+j\ \omega \ C\;}}\ }}

donde para la línea de dos conductores las constantes de la línea primaria son

R={\frac {\ 2\ R_{\mathsf {s}}\ }{\pi \ d}}

L={\frac {\mu }{\ \pi \ }}\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)

G={\frac {\pi \ \sigma }{\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\ }}

C={\frac {\ \pi \ \varepsilon \ }{\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\ }}

donde es el diámetro del alambre y es la separación de los alambres medida entre sus líneas centrales; es la permitividad absoluta entre los alambres; es la permeabilidad absoluta ; es la conductividad superficial entre los alambres; y donde la resistencia superficial de los alambres está dada por $\ d\$ $\ D\$ $\ \epsilon \$ $\ \mu \$ $\ \sigma \$

R_{\mathsf {s}}={\sqrt {{\frac {\ \pi \ f\ \mu _{\mathsf {c}}\ }{\sigma _{\mathsf {c}}}}\;}}~.

Si se descuida la resistencia del cable y la conductancia de fuga, esto da como resultado $\ R\$ $\ G\ ,$

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 [}\left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\!\left(1+{\sqrt {\ 1-\left({\tfrac {d}{\ D\ }}\right)^{2}~}}~\right){\Biggr ]}\

^[5]

\quad ={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ {\Biggl [}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)+\ln \left[\ {\tfrac {\ 1\ }{2}}\left(\ 1+{\sqrt {1-\left({\tfrac {d}{\ D\ }}\right)^{2}~}}\;\right)\right]{\Biggr ]}\

\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]

\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]\approx {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)~.

donde es la impedancia del espacio libre (aproximadamente 376,74 Ω), y es la permitividad relativa (que para el aire es $1,00054$ ). $\ \zeta _{\mathsf {o}}\$ $\ \varepsilon _{\mathsf {R}}\$

Cuando la separación es muchas veces mayor que el diámetro del alambre , entonces la función $arcosh$ puede ser reemplazada aproximadamente por un logaritmo natural (con su argumento duplicado): $\ D\$ $\ d\$

Z_{\mathsf {o}}={\frac {119.92\ {\mathsf {\Omega }}}{\ {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\approx {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\ {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)\approx {\frac {\ 276.13\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\ \log _{10}\left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)~.

^[6]

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: $\ Z_{\mathsf {o}}\$

D=d\ \cosh \left({\frac {\ \pi \ Z_{\mathsf {o}}{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }{\zeta _{\mathsf {o}}}}\right)\approx {\tfrac {\ 1\ }{2}}\ d\ \exp \left({\frac {\ Z_{\mathsf {o}}{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }{\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }}\right)~.

El material dieléctrico entre los dos conductores, ya sea con cables de dos conductores o de escalera, no es todo aire: el efecto de un dieléctrico "mixto", en parte aire y en parte polietileno u otro plástico, es que la impedancia real estará en algún punto entre el valor calculado suponiendo que todo es aire o todo es polietileno. Los valores medidos o publicados cuidadosamente para normalmente serán más precisos que las estimaciones a partir de fórmulas. $\ Z_{\mathsf {o}}\$

Antenas

El cable doble se puede conectar directamente a una antena adecuadamente diseñada:

Antena Windom: Una antena de resonancia múltiple cuyas impedancias resonantes se agrupan alrededor300 ohmios .
Dipolo plegado: Dipolo de doble hilo cuya impedancia característica en el espacio libre es de alrededor de300 ohmios .
Dipolo: Aunque la impedancia central en resonancia es aproximadamente73 Ω en el espacio libre , en el uso real varía entre30 y 100 Ω , dependiendo de la altura sobre el suelo, por lo que con una línea de alimentación de alta impedancia probablemente será necesaria una alimentación en T o en Y.
Antena Yagi-Uda: Antena Yagi y la más simple Moxon , y otras antenas direccionales ; es necesario algún arreglo especial de adaptación de impedancia en el punto de alimentación para cualquier cableado, ya que la interferencia entre los segmentos de antena paralelos casi resonantes, típicamente muy espaciados, provoca una baja resistencia en el punto de alimentación y además hace que la antena sea más direccional.

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Referencias

^ "¿Por qué una línea de escalera?". zs6hvb.za.net . Sudáfrica: Highveld Amateur Radio Club ( ZS6HVB ).
^ abcdef Straw, R. Dean; et al., eds. (2000). El libro de antenas de la ARRL (19.ª ed.). Newington, CT: American Radio Relay League . ISBN 0-87259-817-9.
^ Ford, Steve (diciembre de 1993). "El atractivo de la línea de escalera" (PDF) . Revista QST . Newington, CT: American Radio Relay League . Archivado desde el original (PDF) el 2 de abril de 2012. Consultado el 16 de septiembre de 2011 .
^ Danzer, Paul (abril de 2004). "Línea de alimentación de alambre abierta: una segunda mirada". Revista QST . Newington, CT: American Radio Relay League . Consultado el 16 de septiembre de 2011 .
^ Stewart, Wes ( N7WS ) (junio de 1998). "Línea de transmisión balanceada en la práctica actual de los aficionados". En Straw, R. Dean; et al. (eds.). Compendio de antenas de la ARRL . Vol. 6. Pingree, Dave (ilustrador). Newington, CT: American Radio Relay League . p. 174. ISBN. 978-0872-59743-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
^ Straw, R. Dean ( N6BV ); et al., eds. (2000). ARRL Handbook for Radio Amateurs 2000 (77.ª ed.). Newington, CT: American Radio Relay League (publicado en enero de 1999). pág. 19⸗3. ISBN 978-087259-183-7.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: editors list (link) CS1 maint: numeric names: editors list (link)