Doble plomo

Cable doble de 300 Ω

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 cables de cobre trenzados o cables de acero sólidos revestidos de cobre. Los cables se mantienen a una distancia fija mediante una cinta de plástico que es un buen aislante en las frecuencias de radio (generalmente polietileno ). También se le llama 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 causaría que parte de la señal se reflejara hacia la fuente, en lugar de atravesarla. El plástico también cubre y aísla los cables. El nombre cable gemelo se usa con mayor frecuencia para referirse específicamente al cable plano de 300 Ω (Ohm) , el tipo más común, pero en ocasiones, cable gemelo se usa para referirse a cualquier tipo de línea de alambre paralelo . La línea de alambre 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 alambre abierto o línea de escalera (500~650 Ω ). .

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 Ω pierde solo 0,55 dB. ^[1] El cable gemelo 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 cable coaxial. Sin embargo, es más vulnerable a las interferencias; la proximidad a objetos metálicos inyectará señales en cualquier tipo de línea de alambre paralelo que sería bloqueada por un cable coaxial más conveniente o más popular . Por lo tanto, requiere espacio alrededor de las canaletas de lluvia , lejos de cercas metálicas, revestimientos de paredes exteriores y techos metálicos, y montado sobre aisladores cuando se coloca sobre mástiles de antena metálicos.

Características y usos

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 pueden provocar pérdidas de energía y distorsión de la impedancia (de ahí las ondas reflejadas). 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.

La línea de alambre paralelo (el sentido genérico de cable gemelo ) se suministra en varios tamaños diferentes, con valores de 600 Ω , 500 Ω (línea de escalera), 450 Ω, 350 Ω (línea de ventana), 300 Ω (línea de ventana, cable plano ) e impedancia característica de 75 Ω (cable plano) . El más común, el cable plano de dos conductores de 300 Ω, alguna vez se usó ampliamente para conectar televisores y radios FM a sus antenas receptoras. El cable plano bifilar de 300 Ω para instalaciones de televisión se ha sustituido en gran medida por un cable coaxial de 75 Ω . En las estaciones de radioaficionados se utilizan múltiples formas de línea de cable paralelo como línea de alimentación para la transmisión equilibrada 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 del cable gemelo es función del diámetro del cable y su espaciado; En el cable plano de dos conductores 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 aproximadamente 7,5 milímetros (0,30 pulgadas). ^[2]^{(págs. 24⸗16–24⸗17)} Esto coincide bien con la impedancia natural de una antena dipolo plegada , que normalmente ronda los 275 Ω. El cable gemelo generalmente tiene 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 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 gemelo (en el sentido específico de cable plano) es una forma de línea de transmisión equilibrada 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. ^[2]^{(pág. 24⸗1)} 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 las ondas opuestas superpuestas se cancelan. unos a otros. ^[2]^{(págs. 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, 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 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 .

Línea de ventana y línea de escalera.

Además del cable plano de dos conductores, la línea de alambre paralelo de dos conductores viene en dos formas adicionales: línea de ventana y línea de escalera (también conocida como línea de alambre abierto ).

Línea de ventana

La línea de ventana es una variedad más voluminosa de línea de alambre paralelo que el cable plano de dos conductores; está construido de manera similar en un tamaño más ancho, excepto que la cinta de polietileno entre ellos que mantiene separados los cables tiene aberturas ("ventanas") rectangulares espaciadas regularmente. ^[3]^[2]^{(pág. 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 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. 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]^{(p 24⸗1)} También se fabrica en impedancia nominal de 350 Ω.

Línea de escalera

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.

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

Los espaciadores de "peldaños de escalera" pueden fabricarse con cualquier material aislante conveniente (en la actualidad, generalmente se utilizan piezas cortas cortadas de tuberías plásticas de plomería); antes se usaban aisladores cerámicos largos y delgados o clavijas de madera impermeabilizadas. Los "peldaños" mantienen los cables a una distancia constante, entre dos y 5 pulgadas (13 cm) constantes, según el cable y la impedancia deseada. Los peldaños están espaciados aproximadamente cada 5 a 12 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. ^[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 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 más amplia, dependiendo del plástico aislante. Para obtener una línea paralela de 600 Ω, los mismos cables deberían estar espaciados 9 pulgadas (23 cm); 600 Ω es aproximadamente el límite práctico para líneas de transmisión fabricadas con alambre en lugar de cables de acero revestido de cobre más gruesos , o con tubos rígidos de aluminio o cobre.

Coincidencia de impedancia

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 Ω 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 Ω del cable doble para igualar la impedancia del cable coaxial de 75 Ω; 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 Ω o mediante un balun de 300 a 75 Ω y una línea de alimentación coaxial y, por lo general, soportarán cargas de energía moderadas sin sobrecalentarse.

Impedancia característica

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 y su separación Esto se deriva a continuación. $\ d\$ $\ D~.$

La impedancia característica de cualquier línea de transmisión que funcione a frecuencia o frecuencia en radianes está 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 bifilar 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)\ }}

¿Dónde está el diámetro del alambre y 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 cables; y donde la resistencia superficial de los cables está dada por $\ d\$ $\ D\$ $\ \epsilon \$ $\ \mu \$ $\ \sigma \$

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

Despreciando la resistencia del cable y la conductancia de fuga, esto da $\ 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 $arcosh$ se puede reemplazar 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 impedancia característica determinada 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 línea bifilar o en escalera, no es todo aire: el efecto de un dieléctrico "mezclado", 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 cuidadosamente medidos o publicados suelen ser más precisos que las estimaciones de fórmulas. $\ Z_{\mathsf {o}}\$

Antenas

Los cables gemelos se pueden conectar directamente a una antena diseñada adecuadamente:

antena de viento: Una antena de resonancia múltiple cuyas impedancias resonantes se agrupan alrededor300 Ω .
dipolo plegado: Dipolo de doble hilo cuya impedancia característica en el espacio libre es de aproximadamente300 Ω .
dipolo: Aunque la impedancia central en resonancia es aproximadamente73 Ω en espacio libre , en 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: Yagi y la antena Moxon más simple , y otras antenas direccionales ; Es necesaria alguna disposición especial de adaptación de impedancia en el punto de alimentación para cualquier cableado, ya que la interferencia entre el espaciado típicamente cercano de los segmentos de antena paralelos casi resonantes causa una baja resistencia en el punto de alimentación, además de hacer que la antena sea más direccional.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con cables biconductores .

Referencias

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