GUAS DE ONDAS

Las aplicaciones tpicas de este medio es en las centrales telefnicas para bajar/subir seales provenientes de antenas de satlite o estaciones terrenas de microondas

La gua de onda es otro medio de comunicacin tambin muy usado, el cual opera en el rango de las frecuencias comnmente llamadas como microondas (en el orden de GHz). Su construccin es de material metlico por lo que no se puede decir que sea un cable. El ancho de banda es extremadamente grande y es usada principalmente cuando se requiere bajas perdidas en la seal bajo condiciones de muy alta potencia como el caso desde una antena de microondas al receptor/transmisor de radio frecuencia..

Qu una Gua de Onda?

Una gua de onda es un tubo conductor hueco, que generalmente es de seccin transversal rectangular, o bien circular o elptica. Las dimensiones de la seccin transversal se seleccionan de tal forma que las ondas electromagnticas se propaguen dentro del interior de la gua; cabe recordar que las ondas electromagnticas no necesitan un medio material para propagarse. Las paredes de la gua de onda son conductores y por lo tanto reflejan energa electromagntica de la superficie. En una gua de onda, la conduccin de energa no ocurre en las paredes de la gua de onda sino a travs del dielctrico dentro de la gua de onda. La energa electromagntica se propaga a lo largo de la gua de onda reflejndose hacia un lado y otro en forma de zig-zag.En electromagnetismo y en telecomunicacin, una gua de onda es cualquier estructura fsica que gua ondas electromagnticas. Algunos sistemas de telecomunicaciones utilizan la propagacin de ondas en el espacio libre, sin embargo tambin se puede transmitir informacin mediante el confinamiento de las ondas en cables o guas. En altas frecuencias las lneas de transmisin y los cables coaxiales presentan atenuaciones muy elevadas por lo que impiden que la transmisin de la informacin sea la adecuada, son imprcticos para aplicaciones en HF(alta frecuencia) o de bajo consumo de potencia, especialmente en el caso de las seales cuyas longitudes de onda son del orden de centmetros, esto es, microondas.La transmisin de seales por guas de onda reduce la disipacin de energa, es por ello que se utilizan en las frecuencias denominadas de microondas con el mismo propsito que las lneas de transmisin en frecuencias ms bajas, ya que se presentan poca atenuacin para el manejo de seales de alta frecuencia.

Este nombre, se utiliza para designar los tubos de un material de seccin rectangular, circular o elptica, en los cuales la energa electromagntica ha de ser conducida principalmente a lo largo de la gua y limitada en sus fronteras. Las paredes conductoras del tubo confinan la onda al interior por reflexin, debido a la ley de Snell en la superficie, donde el tubo puede estar vaco o relleno con un dielctrico. El dielctrico le da soporte mecnico al tubo (las paredes pueden ser delgadas), pero reduce la velocidad de propagacin.

En las guas, los campos elctricos y los campos magnticos estn confinados en el espacio que se encuentra en su interior, de este modo no hay prdidas de potencia por radiacin y las prdidas en el dielctrico 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 ocurra en los sistemas de transmisin abiertos.TIPOS DEGUASDE ONDASExisten muchos tipos de guas de onda, presentndoles aqu las ms importantes:

Gua de onda rectangular(circular, elptica): Son aquellas cuya seccin transversal es rectangular (circular, elptica).

Gua de onda de haz:Gua de Onda constituida por una sucesin de lentes o espejos, capaz de guiar una onda electromagntica.

Gua de onda tabicada: Formada por dos cilindros metlicos coaxiales unidos en toda su longitud por un tabique radial metlico.

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

Gua de onda carga peridicamente: Gua de onda en las que la propagacin viene determinada por las variaciones regularmente espaciadas de las propiedades del medio, de las dimensiones del medio o de las superficie de contorno.

Gua de onda dielctrica: Formada ntegramente por uno o varios materiales dielctricos, sin ninguna pared conductora.

APLICACIONESLas guas de onda son muy adecuadas para transmitir seales debido a sus bajas prdidas. Por ello, se usan en microondas, a pesar de su ancho de banda limitado y volumen, mayor que el de lneas impresas ocoaxialespara la misma frecuencia.Tambin se realizan distintos dispositivos en guas de onda, como acopladores direccionales, filtros, circuladores y otros.Actualmente, son especialmente importantes, y lo sern ms en el futuro, las guas de onda dielctricas trabajando a frecuencias de la luz visible e infrarroja, habitualmente llamadasfibra ptica, tiles para transportar informacin de banda ancha, sustituyendo a los cables coaxiales y enlaces de microondas en las redes telefnicas y, en general, las redes de datos.

Y las ondas electromagnticas? De donde salen? Magia? No, las ondas electromagnticas del microondas las genera un dispositivo llamado magnetrn que transforma la energa elctrica de la red en en ondas electromagnticas a una frecuencia de 2,45 GHz.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UNA GUA DE ONDA

Las guas de onda presentan las siguientes ventajas y desventajas con respecto a las lneas de Tx y una lnea coaxial.Ventajasa) Blindaje total, eliminando prdidas por radiacinb) No hay prdidas en el dielctrico, pues no hay aisladores dentroc) Las prdidas por conductor son menores, pues solo se emplea un conductord) Mayor capacidad en el manejo de potenciae) Construccin ms simple que un coaxial

Desventajas.a) La instalacin y la operacin de un sistema de Gd O son ms complejas.b) Considerando la dilatacin y contraccin con la temperatura, se debe sujetar mediante soportes especialesc) Se debe mantener sujeta a presurizacin para mantener las condiciones de uniformidad del medio interior.

Qu es una onda estacionaria?

Las ondas estacionarias son aquellas ondas en las cuales, ciertos puntos de la onda llamados nodos, permanecen inmviles.Una onda estacionaria se forma por la interferencia de dos ondas de la misma naturaleza con igual amplitud, longitud de onda (o frecuencia) que avanzan en sentido opuesto a travs de un medio.Se producen cuando interfieren dos movimientos ondulatorios con la misma frecuencia, amplitud pero con diferente sentido, a lo largo de una linea con una diferencia de fase de media longitud de onda.Las ondas estacionarias permanecen confinadas en un espacio (cuerda, tubo con aire, membrana, etc.). La amplitud de la oscilacin para cada punto depende de su posicin, la frecuencia es la misma para todos y coincide con la de las ondas que interfieren. Tiene puntos que no vibran (nodos), que permanecen inmviles, estacionarios, mientras que otros (vientres o antinodos) lo hacen con una amplitud de vibracin mxima, igual al doble de la de las ondas que interfieren, y con una energa mxima. El nombre de onda estacionaria proviene de la aparente inmovilidad de los nodos. La distancia que separa dos nodos o dos antinodos consecutivos es media longitud de onda.Se puede considerar que las ondas estacionarias no son ondas de propagacin sino los distintos modos de vibracin de la cuerda, el tubo con aire, la membrana, etc. Para una cuerda, tubo, membrana, ... determinados, slo hay ciertas frecuencias a las que se producen ondas estacionarias que se llaman frecuencias de resonancia. La ms baja se denomina frecuencia fundamental, y las dems son mltiplos enteros de ella (doble, triple, ...).Una onda estacionaria se puede formar por la suma de una onda y su onda reflejada sobre un mismo eje.(x o y)

GUA DE ONDA RECTANGULARLas guas de onda rectangulares son las formas ms comunes de guas de onda. La energa electromagntica se propaga a travs del espacio libre como ondas electromagnticas transversales (TEM) con un campo magntico, un campo elctrico, y una direccin de propagacin que son mutuamente perpendiculares. Una onda no puede viajar directamente hacia abajo de una gua de onda sin reflejarse a los lados, porque el campo elctrico tendra que existir junto a una pared conductiva. Si eso sucediera, el campo elctrico hara un corto circuito por las paredes en s. Para propagar una onda TEM exitosamente a travs de una gua de onda, la onda debe propagarse a lo largo de la gua en forma de zig-zag, con el campo elctrico mximo en el centro de la gua y cero en la superficie de las paredes.c = c / 2a

Donde:c : frecuencia de corte (Hz)c = 3x108 (m/s) (velocidad de la luz del espacio libre)a : longitud en seccin transversal (m)*Llamaremos a como la ms anchas de las dos dimensiones

En trminos de longitud de onda:c = 2a c : longitud de onda de corte a : longitud en seccin transversal (m)La velocidad de las ondas en una gua de onda, vara con la frecuenciaExisten dos tipos de velocidades:Velocidad de Fase (velocidad a la que una onda cambia de fase)Velocidad de Grupo (velocidad a la que se propaga una onda)Tomaremos el eje Z como direccin de propagacin de las ondas en el interior de la gua de onda rectangular. Las direcciones X y Y sern direcciones transversales a la propagacin.

VELOCIDAD DE FASE Y VELOCIDAD DE GRUPO

Es necesario diferenciar entre dos clases de velocidad: la velocidad de fase y la velocidad de grupo. Es decir, la velocidad con la cual la onda cambia de fase y la velocidad a la que se propaga la onda.La velocidad de fase es la velocidad aparente de una fase determinada de onda, por ejemplo, su cresta o punto de mxima intensidad de campo elctrico. Es aquella con la que cambia una fase de onda, es direccin paralela a la superficie conductora que pueden ser las paredes de una gua de onda. Se determina midiendo la longitud de una onda de determinada frecuencias.La velocidad de grupo es la velocidad de un grupo de ondas, es decir, de un pulso. La velocidad de grupo es aquella con la que se propagan las seales de informacin de cualquier tipo. Tambin, es la velocidad con la que se propaga la energa. Se puede medir determinando el tiempo necesario para que un pulso se propague por determinada longitud de la gua de onda.En una gua de onda las velocidades de grupo y de fase tienen el mismo valor en el espacio libre. Sin embargo, si se miden esas dos velocidades con la misma frecuencia, se encuentra que, en general, las dos velocidades no son las mismas. En ciertas frecuencias sern casi iguales y en otras pueden ser muy distintas. Pero sabemos que la velocidad de fase siempre es igual o mayor a la velocidad de grupo y el producto de ambas es igual al cuadrado de la velocidad de propagacin en el espacio libre.La velocidad de fase puede ser mayor que la velocidad de la luz. Un principio bsico de la fsica establece que ninguna forma de energa puede viajar a mayor velocidad que la de la luz en el espacio libre. Este principio no se viola, porque es la velocidad de grupo y no la se fase la que representa la velocidad de propagacin de la energa.Como la velocidad de fase en una gua de onda es mayor que su velocidad en el espacio libre, la longitud de onda para determinada frecuencia ser mayor en la gua que en el espacio libre.

MODO DEPROPAGACIN

Las ondas electromagnticas viajan a travs de las guas por medio de diversas configuraciones a las que llamamos nodos de propagacin.Un modo es la manera en la que la energa se puede propagar a lo largo de la gua de onda, cabe aclarar que todos modos deben satisfacer ciertas condiciones de frontera para que se puedan dar.Los modos de propagacin dependen de lalongitud de onda, de lapolarizaciny de las dimensiones de la gua.Elmodo longitudinalde una gua de onda es un tipo particular deonda estacionariaformado por ondas confinadas en la cavidad.Losmodos transversalesse clasifican en tipos distintos:Modo TE (Transversal elctrico), la componente del campo elctrico en la direccin de propagacin es nula.Modo TM (Transversal magntico), la componente del campo magntico en la direccin de propagacin es nula.Modo TEM (Transversal electromagntico), la componente tanto del campo elctrico como del magntico en la direccin de propagacin es nula.Modo hbrido, son los que s tienen componente en la direccin de propagacin tanto en el campo elctrico como en el magntico.En guas de onda rectangulares elmodo fundamentales el TE1,0 y en guas de onda circulares es el TE1,1.

FRECUENCIA DE CORTE

La frecuencia de corte de unagua de ondas electromagnticases la frecuencia ms baja para que un modo se propagan en la misma.Las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte no sern propagadas por la gua de onda.Infiber optics, it is more common to consider the cutoff wavelength , the maximumwavelengththat will propagate in anoptical fiberorwaveguide.Enla fibra ptica, es ms comn tener en cuenta la longitud de onda de corte (es la longitud de onda mnima que puede propagarse en una gua de onda)que se propaga en unafibra pticaogua de ondas.The cutoff frequency is found with thecharacteristic equationof theHelmholtz equationfor electromagnetic waves, which is derived from theelectromagnetic wave equationby setting the longitudinalwave numberequal to zero and solving for the frequency.La frecuencia de corte se encuentra con laecuacin caractersticade laecuacin de Helmholtzpara las ondas electromagnticas, que se deriva de laecuacin de onda electromagntica.Thus, any exciting frequency lower than the cutoff frequency will attenuate, rather than propagate.Por lo tanto, cualquier frecuencia de excitacin ms baja que la frecuencia de corte se atena, en vez de propagar.La frecuencia y la longitud de onda de corte se determinan por las dimensiones de seccin transversal de la gua de onda.La frecuencia de corte de los modos TEM (transversal electromagnticos) es cero.Los modos TE y TM que aparecen en guas de ondas (formadas por dielctrico homogneo lineal e istropo y conductores perfectos) tienen frecuencias de corte no nulas que dependen no slo de las caractersticas del dielctrico por el que se propaga la energa, sino de la geometra de la gua de ondas que soporta el modo.

Onda guiada entre planos conductores paralelos

El anlisis de un sistema de transmisin integrado por dos placas paralelas es el ms sencillo dentro del grupo de las guas de onda y, adems, ofrece una buena visualizacin introductoria sobre los efectos de propagacin dentro de una gua.Consideremos inicialmente una onda plana que viaja en direccin z y dos placas paralelas perfectamente conductoras orientadas como se muestra en la figura siguiente:

Como las dos placas son perpendiculares al campo elctrico incidente de la onda plana, no afectan en absoluto su distribucin, ya que debe cumplirse la condicin de frontera de que el campo elctrico tangencial en las superficies conductoras sea igual a cero. Es decir, el campo elctrico solo puede ser normal alas placas, direccin que coincide con el campo elctrico de la onda plana incidente.

Dicho de otra manera, la onda que se propaga entre las dos placas tambin es TEM, y la distribucin de los campos es igual a la de la onda plana original, como si las placas no existieran. Una porcin de la onda plana es "atrapada" en el interior de las placas, y se sigue propagando a lo largo de la direccin z con las mismas caractersticas que las de una onda plana. Por lo tanto las dos placas paralelas forman unagua de ondas.

El modo TEM de propagacin dentro de las dos placas es el modo fundamental de trasmisin de la gua y existe para toda frecuencia de operacin.Sin embargo, conforme la frecuencia de trabajo se incrementa ms y ms, dejando fija la separacin entra las placas, irn apareciendo otras configuraciones o distribuciones de los campos dentro de la gua, llamadas modos TE y TM. Estos modos tendrn longitudes de onda y constantes de propagacin diferentes a las de una onda plana.

AtenuacinLa Atenuacin es la disminucin del nivel de una seal cuando pasa a travs de un elemento de un circuito, o bien se define como la diferencia entre la potencia transmitida y la potencia recibida,debido a la prdida en los medios de transmisin. Se mide en Decibles o porcentajes. Por lo general, la atenuacin depende de la frecuencia, eso es la cantidad de atenuacin vara en funcin de la frecuencia.Las prdidas en una gua de paredes conductoras se deben a dos causas: al hecho de que el dielctrico interior no es perfecto, y a que el conductor tiene una conductividad finita.Por ejemplo, la luz solar es atenuada por gafas oscuras, los rayos X son atenuadas por el plomo, y la luz y el sonido son atenuadas por el agua.

Modo dominante. Potencia transmitida por cada modo.El modo con la frecuencia de corte ms baja se denomina elmodo dominantede la gua. Es habitual para seleccionar el tamao de la gua de tal manera que slo este modo uno puede existir en la banda de frecuencias de operacin.In rectangular and circular (hollow pipe) waveguides, the dominant modes are designated the TE1,0mode and TE1,1modes respectively.En rectangulares y circulares (tubo hueco) guas de onda, los modos dominantes se designan el modo TE1,0y1,1TE modos, respectivamente.Los modos pueden separarse en dos grupos generales:Transversal Magntico (TM) donde el campo magntico es siempre transversal a la direccin de propagacin, pero existe un componente del campo elctrico en la direccin de propagacin.Transversal Elctrico (TE)en el que el campo elctrico es siempre transversal, pero existe un componente del campo magntico en la direccin de propagacin.El modo de propagacin se identifica por dos letras seguido por dos subndices numricos.Por ejemplo el TE 10, TM 11, etc.El nmero de modos posibles se incrementa con la frecuencia para un tamao dado de gua, y existe un modo, llamado modo dominante, que es el nico que se puede transmitir a la frecuencia ms baja que soporta la gua de onda.En una gua rectangular, la dimensin crtica es la X. Esta dimensin debe ser mayor que 0.5 a la frecuencia ms baja que va a ser transmitida. En la prctica, generalmente la dimensin Y es igual a 0.5 X para evitar la posibilidad de que se opere en otro modo que no sea elmodo dominante.La dimensin de la longitud de onda para las guas rectangulares y circulares se presenta en la siguiente tabla, donde X es el ancho de la gua rectangular y r es el radio de la gua circular. Todos los valores se refieren al modo dominante.Tipo de guaRectangularCircular

Longitud de onda de corte2X3,41r

Longitud de onda mxima transmitida con poca atenuacin1,6X3,2r

Longitud de onda mnima antes de que se transmita el modo siguiente1,1X2,8r

Reflexin de una onda electromagntica

La reflexin de las ondas electromagnticas ocurre cuando una onda incidente choca con una barrera existente (un objeto) y parte de la potencia incidente no penetra el mismo. Las ondas que no penetran el objeto se reflejan. Debido a que todas las ondas reflejadas permanecen en el mismo medio que las ondas incidentes, sus velocidades son iguales y por lo tanto el ngulo de reflexin es igual al ngulo de incidencia.

Este fenmeno depende de las propiedades de la seal y de las propiedades fsicas delobjeto.Las propiedades de la seal son el ngulo incidente de llegada al objeto, la orientacin y la longitud de onda ().Las propiedades fsicas del objeto en cambio son la geometra de la superficie, la textura y el material del que est compuesto.Una reja densa de metal acta de igual forma que una superficie slida, siempre que ladistancia entre las barras sea pequea en comparacin con la longitud de onda . A modo de ejemplo, para la frecuencia de 2,4 GHz ( = 12,5 cm), unarejilla metlica con separacin de 1cm entre sus elementos va a actuar igual que una placa de metal solida.Reflexin total Interna.Cuando la luz pasa de un medio ptimamente ms denso, con ndice de refraccin n1, a otro medio ptimamente menos denso, con ndice de refraccin n2, el rayo de luz incidente, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejndose completamente y quedando confinado totalmente el haz luminoso en el medio pticamente ms denso por cuyo interior se propaga.Para que este fenmeno ocurra es necesario que el ngulo del rayo de luz incidente respecto a la normal sea mayor o igual al ngulo de incidencia crtico c. para este ngulo, el ngulo de salida del rayo reflejado alcanzar los 90, para todos los ngulos de incidencia mayor que este ngulo la luz deja de atravesar la superficie entre ambos medios y es reflejada internamente de manera total.La reflexin interna total solamente ocurre en rayos viajando de un medio de alto ndice refractivo hacia medios de menor ndice de refraccin.ngulo CrticoEl ngulo crtico se puede calcular a partir de laley de Snell, se puede producir una ecuacin para ccalcular el ngulo crtico.Si hacemos 1= c en el medio pticamente ms denso y 2= 90, en consecuencian1sen 1= n2sen2Como sen 90= 1, entonces sen c = n2/n1donde n1>n2c = arcsin n2/n1