Guias De Onda

GUIAS DE ONDAS ELECTROMAGNETICAS

RESUMEN: En este artículo se da a conocer una síntesis acerca de las guías de onda electromagnéticas a través de la recepción y transmisión de señales en los sistemas de comunicaciones a larga distancia.

Cabe destacar que se describen temas específicos como las descomposiciones Longitudinal- Transversal, coordenadas cartesianas, coordenadas cilíndricas, transferencia de energía y atenuación, modos TEM, TE y TM, y guías de onda rectangular.

PALABRAS CLAVE: Guía, onda, coordenada, energía, atenuación y electromagnetismo.

ABSTRACT: This article discloses a synthesis about electromagnetic waveguides through the reception and transmission of signals in communications systems over long distances.

Note that specific issues are described as Longitudinal-transverse decompositions, Cartesian coordinates, cylindrical coordinates, energy transfer and attenuation modes TEM, TE and TM, and rectangular waveguides.

KEYWORDS: Guide, wave, coordinate, energy, attenuation and electromagnetism.

1. INTRODUCCIÓN

Las guías de onda son estructuras las cuales dirigen y encaminan señales electromagnéticas en el espacio libre de un punto a otro.

Algunas de las estructuras más comunes son las que se observan a continuación:

Figura 1. Estructuras de guía de onda

En la figura 1 de izquierda a derecha se observa el cable coaxial típico, las líneas de transmisión a dos hilos, la línea microstrip, la guía de onda rectangular y la fibra óptica.

Los cables coaxiales son usados ampliamente para enlazar elementos de radio frecuencia, donde su operación práctica es para frecuencias debajo de 3 GHz, ya que después de 3 GHz se produce calentamiento en los conductores del cable.

Las líneas de dos hilos no son usadas en frecuencias microondas, ya que aquellas líneas no son protegidas y la energía se escapa a diferentes direcciones. Un uso común es para unir antenas interiores para los televisores.

Las líneas microstrip son utilizadas generalmente en los circuitos integrados de microondas.

Las guías de ondas rectangulares son utilizadas habitualmente para transferir grandes cantidades de energía microondas en frecuencias mayores a 3 GHz.

Las fibras ópticas trabajan a frecuencias infrarrojas, logrando así un gran ancho de banda, donde la potencia transmitida es cercana a los mili vatios.

2. DESCOMPOSICIONES LONGITUDINAL- TRANSVERSAL

Considerando una guía de onda en una dirección Z, los campos electromagnéticos que se propagan internamente en aquella dirección se interpretan de la siguiente forma:

Ecuación 1. Campo eléctrico y magnético de una guía de onda

Cabe resaltar que β es el número de ondas de propagación a lo largo de la dirección de la guía.

Es necesario descomponer las ecuaciones de Maxwell en componentes longitudinales a lo largo de la dirección Z, y de igual forma en componentes transversales a lo largo de las direcciones X y Y como se observa a continuación:

Ecuación 2. Descomposición longitudinal - transversal

Con la información anterior se puede descomponer el operador gradiente:

Ecuación 3. Descomposición de operador gradiente

Se logra observar que se realizó una sustitución de ∂ z → -jβ debido a la z-dependencia.

Dependiendo de que si algún componente longitudinal es igual a cero, las ondas guiadas se pueden clasificar en las siguientes soluciones:

Ecuación 4. Clasificación de soluciones de ondas guiadas

TEM (ondas transversales electromagnéticas): los campos eléctrico y magnético son ambos transversales a la dirección Z de propagación.

TE o H (ondas transversales eléctricas): el campo eléctrico es transversal a la dirección Z de propagación.

TM o E (ondas transversales magnéticas): el campo magnético es transversal a la dirección Z de propagación.

Hibrido o HE (Modo hibrido electromagnético): Ningún campo es transversal a la dirección Z de propagación.

3. COORDENADAS CARTESIANAS

A través de coordenadas cartesianas se pueden

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