Resumen: Introducción a las lineas de transmisión

Sistemas de comunicaciones alámbricos e inalámbricos
Un sistema de comunicaciones permite trnsmitir y o recibir información. Los componentes y las características del sistema determinan que tipo de información puede ser transmitida o recibida, cuanta,  en que frecuencias, con que rapidez y fidelidad, a que costo y con que tanta cobertura, además de su grado de imunidad a interrupciones.
Los elementos fundamentales de un sistema de comunicaciones :

Por lo que se refiere al canal o medio de transmisión, existen dos opciones alámbrico o inalámbrico. En el primer caso se puede usar una línea bifilar de cobre, un cable  coaxial, una guía de ondas rectangular o una fibra óptica multimodo de índice gradual, estos son conocidos en forma de cables . Son visibles, tangibles y, además flexibles en la mayoría de casos, pero solo pueden enlazar un punto fuente con un solo punto destino.
La alternativa inalámbrica corresponde a la transmisión a través del aire, usando antenas, estas varian su tamaño según las frecuencias trabajadas, la información a transmitir y la dirección; A diferencia del medio alámbrico si permite llegar simultáneamente con un solo punto transmisor a varios puntos de destino pero la calidad puede ser afectada por interferencias, un caso importante y exclusivo de las comunicaciones inalámbricas es la posibilidad de enlazar puntos móviles (aviones, barcos, autos, etc)con puntos fijos, o bien con puntos móviles igual.
Independientemente del medio empleado, la señal se ira atenuando y distorsionando conforme avance rumbo a su destino, debido a alas perdidas por el calor en los conductores o por la absorción y dispersión de energía en las moléculas de la atmosfera.

Tipos de líneas

Una línea de transmisión es cualquier sistema de conductores, semiconductores, o la combinación de ambos, que puede emplearse para transmitir información , en la forma de energía eléctrica o electromagnética, entre dos puntos. La línea bifilar es la configuración mas simple, tiene el menor ancho de banda y la menor capacidad de transmisión. Todas las configuraciones mostradas a continuación son capaces de transmitir información. Unas tienen un solo conductor cerrado(guías de onda), otras poseen dos conductores (línea bifilar, placas paralelas , microcinta y cable coaxial), otras tres conductores(triplaca), o simplemente un material dieléctrico (fibra óptica), cada una tiene sus características, bondades y aplicaciones diferentes todas ellas pueden ser analizadas matemáticamente resolviendo el conjunto de ecuaciones diferenciales de Maxwell.

Tradicionalmente se ha dado por denominar “líneas” a las estructuras con dos elementos conductores, como el par de hilos y el cable coaxial, y “guías de onda” a las estructuras de un solo elemento conductor, las fibras ópticas por su parte han merecido su nombre muy particular, aunque también son guías de onda o líneas de transmisión. Las dimensiones practicas de cada tipop de línea dependen del rango de frecuencias en el que se desea transmitir.
Asimismo, existen otras configuraciones que se derivan de las mostradas en la Fig. 1-3, si los dos conductores de la línea bifilar son rodeados por una pared circular metálica, las perdidas por radiación se eliminan, este nuevo arreglo se denomina línea bifilar blindada. Otro ejemplo seria el de la guía de ondas “con caballete” que es una gua rectangular con dos placas metálicas colocadas en su interior, que aumenta el ancho de banda de operación de la guía.
Conviene indicar que las guías de un solo conductor y los cables coaxiales no presentan perdidas de potencia por radiación. La propagación de la información en las fibras ópticas también se realiza por medio de repetidas reflexiones a lo largo de la línea.

Evolución, frecuencias y aplicaciones
Durante milenios, el hombre solo pudo transmitir muy limitadas cantidades de información, a muy baja velocidad, y con un rango de alcance muy corto y estos medios eran poco confiables en su eficacia, aun con la escritura e imprenta los mensajes podían tardar semanas o meses en llegar a su destino .
Las invenciones y el uso practico del telégrafo y el teléfono vinieron a cambiar las cosas radicalmente. Las primeras líneas consistían en un solo conductor de hierro suspendido por postes y el retorno de la corriente eléctrica se conseguía por tierra, esta era la configuración mas económica pues se ahorraba alambre, pero había muchas pérdidas por fugas de corriente. Por su parte, los cables subterráneos no tardaron mucho en aparecer, los tendidos aéreos siguieron utilizándose en las afueras de ciudades para interconectarlas.

Cada linea de transmisión tiene su propia razón de ser en el tiempo, y ademas ofrece sus apliaciones y sus ventajas técnicas o económicas muy particulares. Los datos presentados en la tabla tienen como objetivo resaltar la enorme diferencia de operación de las lineas mas populares y ,  por tanto, la importancia e inevitable necesidad de estudiar cada una de ellas.

Cuando se desea conectar sistemas balanceados con sistemas desbalanceados se requiere de un dispositivo especial denominado Balún (balanceado a desbalanceado, de balanced to unbalanced). Un ejemplo clásico de este tipo de situación común es cuando se tiene una línea de transmisión desbalanceada, como un cable coaxial conectado con una carga balanceada como una antena mediante un transformador especial el cual cumple la función de Balún.
A frecuencias relativamente bajas se puede usar un trasformador ordinario para aislar la tierra de la carga, como se ve en la figura 4a. El balún debe tener un blindaje electrostático conectado a tierra física para reducir al mínimo los efectos de las capacitancias parásitas. Cuando las frecuencias son relativamente altas se utilizan Balunes de diferentes tipos según la línea de transmisión.

El modo TEM y el análisis de lineas por voltajes y corrientes

Las líneas que consisten de dos conductores(bifilar, coaxial, microcinta, placas paralelas), y varias otras estructuras como la triplica, transmiten la información electromagnética fundamentalmente de una manera tal en que tanto el campo eléctrico como el magnético de la señal son transversales o perpendiculares a la dirección de propagación. A esta forma en que la señal es transmitida se le llama modo de propagación transversal electromagnético o TEM 

Los modos transversales son clasificados de la siguiente manera:
modos TE (Transversal Eléctrico) no existe ninguna componente del campo eléctrico en la dirección de propagación.
modos TM (Transversal Magnético) no existe ninguna componente del campo magnético en la dirección de propagación.
modos TEM (Transversal Electromagnético) no existe ninguna componente del campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación.

El modo transversal de un frente de onda electromagnética es el perfil del campo electromagnético en un plano perpendicular (transversal) a la dirección de propagación del rayo. Modos transversales ocurren en las ondas de radio y microondas confinadas en una guía de ondas como también la luz confinada en una fibra óptica y en el resonador óptico de un láser.
Los modos transversales son debidos a las condiciones de frontera impuestas por la guía de ondas. Por ejemplo una onda de radio que se propaga a lo largo de una guía hueca de paredes metálicas tendrá como consecuencia que las componentes del campo eléctrico paralelas a la dirección de propagación (eje de la guía) se anulen, y por tanto el perfil transversal del campo eléctrico estará restringido a aquellas ondas cuya longitud de onda encaje entre las paredes conductoras. Por esta razón, los modos soportados son cuantizados y pueden hallarse mediante la solución de las ecuaciones de Maxwell para las condiciones de frontera adecuadas.