miércoles, 22 de octubre de 2008

GUIAS DE ONDA

    Son estructuras que consisten de un solo conductor. Hay dos tipos usados comúnmente: de sección rectangular y de sección circular. También hay elípticas y flexibles.

 

    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.

    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. (véase Resonancia Schumann). 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.

    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 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.


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

FUNCIONAMIENTO DE LA GUIA DE ONDA

    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 (lg) para cualquier modo está dada por:


    donde:

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


    La ecuación anterior se puede también expresar como:

Las Guías de Onda 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 lc = 2A.

 Modo TE10; lc = 2A

     Designación de modos

    Esta se hace mediante los subíndices m y n, los cuales son números enteros. El primero se refiere al número de medios ciclos de variación de campo a lo largo de la dimensión A, y el segundo se refiere al número de medios ciclos de variación de campo a lo largo de B.

    De esta manera se tienen, por ejemplo:

Modo TE01;  lc = 2B

Modo TE20; lc = A

    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:

                                              donde f es la frecuencia transmitida en la línea.

    Al igual que en el caso de líneas de transmisión, la velocidad de fase es igual a vp = w / b . 
    Algunos otros modos se muestran:



Las Guías de Onda 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 lc = 1.71 d, donde d es el diámetro interior. El siguiente modo es TM01, (lc =1.31 d) y el tercer modo de una GO circular es el TE21.( lc =1.03 d).
Éstos se muestran: