Guia De Ondas

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Zacatenco

Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica

Ondas Electromagnéticas Guiadas

Prof. Gaeta Álvarez Juan Manuel

Grupo: 4CV7

Trabajo de Investigación: Guías de Onda

Alumno:

Ocampo Hernández José Ofir

2011302451

Fecha de entrega: 26 de noviembre de 2012

Guías de onda

Temario

1 Introducción

2 Principios de operación

2.1 Análisis

3 Desarrollo matemático

3.1 Modos de Propagación

3.1.1 Modo TEM

3.1.2 Modo TM

3.1.3 Modo TE

3.1.4 Guía conductora

4 Aplicaciones

5 Tipos de Guías de Onda

6 Guías Rectangulares

7 Guías Circulares

8 Bibliografías

1 Introducción

La primera guía de onda fue propuesta por Joseph John Thomson en 1893 y experimentalmente verificada por O. J. Lodge en 1894. El análisis matemático de los modos de propagación de un cilindro metálico hueco fue realizado por primera vez por Lord Rayleigh en 1897 y jorge f a a.

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.

Guia de onda

Dispositivo que sirve para conducir ondas de radio

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.

Este nombre, se utiliza para designar los tubos de un material de sección rectangular, circular o elíptica, en los cuales la energía electromagnética ha de ser conducida principalmente a lo largo de la guía y limitada en sus fronteras. Las paredes conductoras del tubo confinan la onda al interior por reflexión, debido a la ley de Snell en la superficie, donde el tubo puede estar vacío o relleno con un dieléctrico. El dieléctrico le da soporte mecánico al tubo (las paredes pueden ser delgadas), pero reduce la velocidad de propagación.

En las guías, los campos eléctricos y los campos magnéticos están confinados en el espacio que se encuentra en su interior, de este modo no hay pérdidas de potencia por radiación y las pérdidas en el dieléctrico son muy bajas debido a que suele ser aire. Este sistema evita que existan interferencias en el campo por otros objetos, al contrario de lo que ocurría en los sistemas de transmisión abiertos.

2 Principios de operación

Dependiendo de la frecuencia, se pueden construir con materiales conductores o dieléctricos. Generalmente, cuanto más baja es la frecuencia, mayor es la guía de onda. Por ejemplo, el espacio entre la superficie terrestre y la ionosfera, la atmósfera, actúa como una guía de onda. Las dimensiones limitadas de la Tierra provocan que esta guía de onda actúe como cavidad resonante para las ondas electromagnéticas en la banda ELF.

Las guías de onda también puede tener dimensiones de pocos centímetros. Un ejemplo puede ser aquellas utilizadas por los satélites de EHF y por los radares.

Son estructuras que consisten de un solo conductor.

Sus pérdidas son menores que las de líneas de tx en las frecuencias usadas (arriba de 3 GHz); y también son capaces de transportar mayores potencias que una línea coaxial de las mismas dimensiones.

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  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.

El tamaño mínimo de la guía para transmitir una cierta frecuencia es proporcional a la  de esa frecuencia.

Dicha proporcionalidad depende tanto de la forma de la guía como de la distribución de los campos (modos de transmisión) dentro de ella. En cualquier caso, hay una frecuencia mínima que puede ser transmitida, denominada frecuencia de corte del modo principal.

Por ejemplo para una guía de onda rectangular, la dimensión mayor de la sección rectangular se designa con la letra A, y la mínima requerida se da en la siguiente tabla para distintas frecuencias:

frecuencia Dimensión A

3 GHz 5 cm.

300 MHz 50 cm. !

30 MHz 5 m. !!

Como se observa, los dos últimos casos no son prácticos.

La Dimensión A equivale a una media longitud de onda de la frecuencia correspondiente en la tabla anterior. Con una determinada dimensión A, se podrá propagar dicha frecuencia y frecuencias mayores.

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 (g) para cualquier modo está dada por:

donde:

 = longitud de onda en el espacio libre.

c = longitud de onda para un modo particular de operación.

r = Constante dieléctrica relativa. (Aire = 1)

La ecuación anterior se puede también expresar como:

2.1 Análisis

Las guías de onda electromagnéticas se analizan resolviendo las ecuaciones de Maxwell. Estas ecuaciones tienen soluciones múltiples, o modos, que son los autofunciones del sistema de ecuaciones. Cada modo es pues caracterizado por un autovalor, que corresponde a la velocidad de propagación axial de la onda en la guía.

Los modos de propagación dependen de la longitud de onda, de la polarización y de las dimensiones de la guía. El modo longitudinal de una guía de onda es un tipo particular de onda estacionaria formado por ondas confinadas en la cavidad. Los modos transversales se clasifican en tipos distintos:

Modo TE (Transversal eléctrico), la componente del campo eléctrico en la dirección de propagación es nula.

Modo TM (Transversal magnético), la componente del campo magnético en la dirección de propagación es nula.

Modo TEM (Transversal electromagnético), la componente tanto del campo eléctrico como del magnético en la dirección de propagación es nula.

Modo híbrido, son los que sí tienen componente en la dirección de propagación tanto en el campo eléctrico como en el magnético.

En guías de onda rectangulares el modo fundamental es el TE1,0 y en guías de onda circulares es el TE1,1.

El ancho de banda de una guía de onda viene limitado por la aparición de modos superiores. En una guía rectangular, sería el TE0,1. Para aumentar dicho ancho de banda se utilizan otros tipos de guía, como la llamada "Double Ridge", con sección en forma de "H".

3 Desarrollo matemático

Suponiendo una guía en la dirección z, siendo una onda monocromática (único y constante) el campo que se propaga en el interior en la dirección de la guía será de la forma:

Suponiendo que en el interior no hay cargas ni corrientes libres las ecuaciones de Maxwell tomarán la forma:

Y la ecuación de ondas aplicando la definición de los campos (el campo magnético tendría una forma análoga):

Definiendo:

...