GUÍAS DE ONDA

GUÍAS DE ONDA

En electromagnetismo y en telecomunicación, una guía de onda es cualquier estructura física que guía ondas electromagnéticas.
Una guía de onda es un tubo conductor a través del cual se transmite la energía en la forma de ondas electromagnéticas. El tubo actúa como un contenedor que confina las ondas en un espacio cerrado. El efecto de [Faraday] atrapa cualquier campo electromagnético fuera de la guía.


propagación:

Los campos electromagnéticos son propagados a través de la guía de onda por medio de reflexiones en sus paredes internas, que son consideradas perfectamente conductoras. La intensidad de los campos es máxima en el centro a lo largo de la dimensión X, y debe disminuir a cero al llegar a las paredes, porque la existencia de cualquier campo paralelo a las mismas en su superficie causaría una corriente infinita en un conductor perfecto. Las guías de ondas, por supuesto, no pueden transportar la RF de esta forma.


Factor Energético:

La energía puede introducirse o extraerse de una guía de onda por medio de un campo eléctrico o magnético. Generalmente la transferencia de energía se da a través de una línea coaxial. Dos métodos posibles para acoplar una línea coaxial son utilizar el conductor interno de la línea, o a través de una espira. Se puede introducir una sonda, constituida por una pequeña extensión del conductor interno de la línea coaxial, orientada paralelamente a las líneas de campo eléctrico. También se puede colocar un lazo o espira que encierre algunas de las líneas de campo magnético. El punto en el cual obtenemos el acoplamiento máximo depende del modo de propagación en la guía o en la cavidad. El acoplamiento es máximo cuando el dispositivo de acoplamiento está en el campo más intenso.

Algunos sistemas de telecomunicaciones utilizan la propagación de ondas en el espacio libre, sin embargo también se puede transmitir información mediante el confinamiento de las ondas en cables o guías. En altas frecuencias las líneas de transmisión y los cables coaxiales presentan atenuaciones muy elevadas por lo que impiden que la transmisión de la información sea la adecuada, son imprácticos para aplicaciones en HF(alta frecuencia) o de bajo consumo de potencia, especialmente en el caso de las señales cuyas longitudes de onda son del orden de centímetros, esto es, microondas.

La transmisión de señales por guías de onda reduce la disipación de energía, es por ello que se utilizan en las frecuencias denominadas de microondas con el mismo propósito que las líneas de transmisión en frecuencias más bajas, ya que se presentan poca atenuación para el manejo de señales de alta frecuencia.

Ventajas.-

• Blindaje total, eliminando pérdidas por radiación.
• No hay pérdidas en el dieléctrico, pues no hay aisladores dentro.
• Las pérdidas por conductor son menores, pues solo se emplea un conductor.
• Mayor capacidad en el manejo de potencia.
• Construcción más simple que un coaxial

Desventajas.-

• La instalación y la operación de un sistema de GO son más complejas. Por ejemplo:
  • Los radios de curvatura deben ser mayores a una l para evitar atenuación.
  • Considerando la dilatación y contracción con la temperatura, se debe sujetar mediante soportes especiales.
  • Se debe mantener sujeta a presurización para mantener las condiciones de uniformidad del medio interior.

Modos de Operación.

Una GO puede propagar, en teoría, un número infinito de tipos distintos de onda electromagnética. Cada uno de estos tipos o modos presenta una configuración distinta de campos eléctrico y magnético, y la denominación de cada modo obedece a esa configuración.

Cada modo tiene una frecuencia crítica, debajo de la cual no se propagará.

Para un tamaño particular de GO, el modo correspondiente a la menor frecuencia de corte se denomina modo principal. Este será el único modo propagado si la frecuencia es mayor a la 1ª frecuencia de corte, pero menor a la frecuencia de corte del segundo modo.

La longitud de onda de corte del modo principal para una GO con aire en su interior es igual a dos veces la dimensión mayor (rectangular), o de 1.71 veces el diámetro (circular).

En general son posibles dos modos, que se denominan en consideración al campo que sea siempre transversal a la dirección de propagación: Transversal Eléctrico (TE) y Transversal Magnético (TM).

La longitud de onda de operación (l_g) para cualquier modo está dada por:

donde:

l = longitud de onda en el espacio libre.
l_c = longitud de onda para un modo particular de operación.
e_r = Constante dieléctrica relativa. (Aire = 1)

La ecuación anterior se puede también expresar como:

Tipos de Guías de Onda:

Existen muchos tipos de guías de onda, presentándoles aquí las más importantes:

• Guía de onda rectangular (circular, elíptica): Son aquellas cuya sección transversal es rectangular (circular, elíptica).

• Guía de onda de haz: Guía de Onda constituida por una sucesión de lentes o espejos, capaz de guiar una onda electromagnética.

• Guía de onda tabicada: Formada por dos cilindros metálicos coaxiales unidos en toda su longitud por un tabique radial metálico.

• Guía de onda acanalada, guiada en V; guiada en H: Guía de onda rectangular que incluye resaltes conductores interiores a lo largo de una de cada una de las paredes de mayor dimensión.

• Guía de onda carga periódicamente: Guía de onda en las que la propagación viene determinada por las variaciones regularmente espaciadas de las propiedades del medio, de las dimensiones del medio o de las superficie de contorno.

• Guía de onda dieléctrica: Formada íntegramente por uno o varios materiales dieléctricos, sin ninguna pared conductora.

Guías Rectangulares.-

El modo principal para éstas es el TE₁₀, en el cual el campo eléctrico varía senoidalmente visto desde A, y es uniforme respecto a B, como se observa en la figura siguiente (línea contínua). El campo magnético presenta líneas siempre perpendiculares a las líneas de campo E, formando lazos (línea punteada). Su frecuencia de corte se presenta cuando l_c = 2A.

 l_c = 2A
Modo TE₁₀ 

Para propagar solamente el modo principal (TE₁₀), las dimensiones de la guía deben cumplir: 2A>l, l >A, y l>2B. La primera condición permite el modo principal, la segunda evita el modo TE₂₀, y la tercera evita el modo TE₀₁.

En general, para las guías rectangulares la longitud de onda de corte está dada por:

(Se debe multiplicar por la raíz de la constante dieléctrica relativa en caso diferente de aire en el interior)

De la ecuación anterior, expresando la frecuencia de corte:

(Dividir entre la raíz de la constante dieléctrica relativa del medio, si es diferente de aire en el interior).

El factor de fase b, se establece de la siguiente manera:

donde f es la frecuencia transmitida en la línea.

Guías Circulares.-

En la designación de los modos, m indica el número de ciclos completos de variación de campo alrededor de la circunferencia; n indica el número de medios ciclos de variación que existen a lo largo del diámetro.

Su modo principal es el TE₁₁, y l_c = 1.71 d, donde d es el diámetro interior. El siguiente modo es TM₀₁, (l_c =1.31 d) y el tercer modo de una GO circular es el TE₂₁.( l_c=1.03 d).
Éstos se muestran:

funcionamiento de guia de onda con una corneta