Propagación de Energía en Guías de Onda: Modos, Dispositivos y Aplicaciones

Guías de Onda (GO)

Las Guías de Onda (GO) son estructuras que consisten de un solo conductor. Se utilizan comúnmente dos tipos: de sección rectangular y de sección circular. La guía de onda es más efectiva a frecuencias más bajas. Son ideales para transmitir señales con bajas pérdidas, por lo que se usan en microondas, a pesar de su ancho de banda limitado y mayor volumen comparado con líneas impresas o coaxiales para la misma frecuencia.

Las GO permiten la creación de diversos dispositivos como acopladores direccionales, filtros y circuladores.

Sus formas pueden ser elípticas, rectangulares o redondas. El ancho (a) determina el rango de frecuencia de la guía de onda, y el alto (b) o dimensión pequeña determina la capacidad de manejo de potencia. La energía se transporta a través de la GO por la interacción del campo eléctrico y magnético. El diseño de una guía de onda está determinado por la frecuencia y el nivel de potencia de la energía electromagnética que llevará.

Ventajas de las GO

• Reducción de pérdidas en el cobre (comparado con el par de cobre).
• Pérdida dieléctrica mucho más baja.
• Pérdida por radiación muy baja.
• Bastante capacidad en manejo de potencia (comparado con el cable coaxial).

Desventajas

• La instalación y la operación de un sistema de GO son más complejas.
• El ancho de banda de una guía de onda está limitado por la aparición de modos superiores.
• Mayor tamaño físico.

Propagación de Energía en Guías de Onda

Ambos campos, eléctrico y magnético, están presentes en la GO, y la interacción de estos campos permite que la energía viaje a través de la GO.

Campo Eléctrico

Un campo eléctrico existe cuando una diferencia de potencial causa una fuerza en el dieléctrico entre dos puntos. El campo eléctrico simple se forma entre las placas de un capacitor cuando una placa es más positiva que la otra. La fuerza creada en el dieléctrico es un campo eléctrico. Los campos eléctricos se representan con flechas que salen desde el positivo hacia el negativo. El número de flechas indica la fuerza o intensidad relativa del campo eléctrico.

Campo Magnético

El campo magnético en una guía de onda está compuesto por líneas de fuerza magnética que se deben al flujo de corriente a través del material conductor de la guía de onda. Las líneas de fuerza magnética, llamadas líneas H, son circuitos cerrados continuos. Todas las líneas H asociadas con la corriente se denominan en conjunto campo magnético o campo H. La fuerza del campo H, indicada por el número de líneas H en una zona determinada, varía directamente con la cantidad de corriente.

Las líneas H forman un bucle completo a intervalos de media onda. Las líneas de H pueden formarse siempre y cuando las GO estén completamente cerradas. El campo es más fuerte en los bordes de la guía de onda donde la corriente es mayor.

Condiciones de Frontera en una GO

La energía en una guía de onda se limita a los límites físicos de la guía. Dos condiciones deben cumplirse para que la energía viaje a través de la GO:

1. Para que un campo eléctrico exista en la superficie de un conductor, debe ser perpendicular al conductor.
2. Para que un campo magnético variable exista, debe formar bucles cerrados en paralelo con los conductores y ser perpendicular al campo eléctrico.

Frente de Onda

Los campos electromagnéticos combinados forman un frente de onda que puede ser representado por un pico alterno, positivo-negativo, con intervalos de media longitud de onda. Si un segundo frente de onda, que solo difiere en la dirección de desplazamiento, está presente al mismo tiempo, se forma una resultante de los dos. Ambos frentes de onda se suman en todos los puntos en el eje de referencia y se cancelan a intervalos de media longitud de onda desde el eje de referencia. Los frentes de onda se cruzan en el centro de la guía de onda y son perpendiculares a la dirección de propagación.

El ángulo de incidencia (θ) y el ángulo de reflexión (ρ) de los frentes de onda varían en tamaño, dependiendo de la frecuencia de la energía de entrada, pero los ángulos de reflexión son iguales entre sí dentro de una GO. La frecuencia de corte en una guía de onda es una frecuencia que podría causar ángulos de incidencia y reflexión a cero grados. En cualquier frecuencia por debajo de la frecuencia de corte, los frentes de onda se reflejarán hacia atrás y adelante a través de la GO (creando ondas estacionarias) y la energía no podrá ser conducida. La velocidad de propagación de una onda a lo largo de una GO es más lenta que a través del espacio libre, debido a que el frente de onda viaja en zigzag. La velocidad de un frente de onda se llama velocidad de grupo.

La velocidad de grupo de la energía en una GO está determinada por el ángulo de reflexión de los frentes de onda de la pared b. El ángulo de reflexión está determinado por la frecuencia de la energía de entrada. A medida que disminuye la frecuencia, el ángulo de reflexión disminuye, haciendo que la velocidad de grupo disminuya, y a mayor frecuencia, aumenta la velocidad de grupo.

El campo magnético en una GO rectangular tiene forma de bucles cerrados paralelos a la superficie de los conductores. La fuerza del campo magnético es proporcional al campo eléctrico. Time fase significa que el pico de las líneas de E y el pico de las líneas H máximas se presentan en el mismo instante en el tiempo, aunque no necesariamente en el mismo punto a lo largo de la longitud de la GO.

Modos de Operación de la GO

La fuerza del campo se indica mediante la separación de las líneas; cuanto más cerca están las líneas, más fuerte es el campo. Para cumplir con las condiciones de frontera, el campo debe ser siempre igual a cero en las paredes "b". El seno-medio de campo es solo una de muchas configuraciones de campo, o modos, que pueden existir en una guía de onda rectangular.

Modos de Propagación Transversal

En forma general, una guía de onda es una región limitada por paredes conductoras paralelas a la dirección de propagación y de sección transversal uniforme.

Modo Transversal Eléctrico (TE)

Una onda de radio que se propaga a lo largo de una guía hueca de paredes metálicas tendrá como consecuencia que las componentes del campo eléctrico paralelas a la dirección de propagación (eje de la guía) se anulen. Parte del campo magnético es paralelo al eje de longitud. El campo eléctrico es perpendicular a las paredes a.

Modo Transversal Magnético (TM)

No existe ninguna componente del campo magnético en la dirección de propagación; todo está en el plano transversal.

Dispositivos de Entrada y Salida en GO

. Sondas, loops (bucles) y slots (aperturas o ventanas)
Sondas: cuando una pequeña sonda que se introduce en una guía de onda y se suministra con la energía de microondas, actúa como antena de cuarto de onda. El lugar más eficiente para localizar la sonda está en el centro de la pared a en paralelo con la pared B. La cantidad de transferencia de energía puede reducirse al disminuir la longitud de la sonda. El tamaño y forma de la sonda determina la frecuencia, ancho de banda y capacidad de potencia. Como el diámetro de la sonda aumenta, el ancho de banda aumenta.

Loops: Otra forma de inyectar energía en una GO es mediante la creación de un campo de H en la guía de onda. Esto puede lograrse mediante la inserción de un loop que lleva una corriente de alta en la guía de ondas. Un campo magnético se forma alrededor del loop y se expande hacia la GO. Para el acoplamiento más eficaz de la guía de ondas, el bucle se inserta en uno de varios puntos donde el campo magnético será de mayor intensidad. Cuando el diámetro del bucle se incrementa, también aumenta la capacidad de manejo de potencia. Cuando un loop se introduce en una GO en la que hay un campo H, se induce una corriente en el loop. Cuando esta condición existe, la energía se quita de la GO.

SLOTS. Las ranuras o aberturas se utilizan a veces cuando la perdida de acoplamiento se desea aumentar. En este método la energía entra a través de una pequeña ranura en la guía de onda y el campo E se expande en la guía de onda. Las líneas de E ampliar primero a través de la ranura y luego a través del interior de la guía de onda. Reflexiones mínimas se dan cuando la energía se inyecta o retira si el tamaño de la ranura es correcta proporcional a la frecuencia de la energía.

IMPEDANCIA EN GO. la impedancia de una guía de ondas no coincide con la impedancia de espacio, y sin adaptación de impedancia adecuada, ondas causan una gran disminución en la eficacia de la guía de ondas. IRIS, que se utilizan para introducir inductancia o capacidad en una guía de onda. El iris no es más que una placa de metal que contiene una abertura por la que las ondas pueden pasar. El iris está situado en el plano transversal.

TERMINACIÓN DE GO. Cualquier cambio brusco en la impedancia provoca ondas estacionarias, pero cuando la variación de la impedancia al final de una guía de onda es gradual, casi no se forman ondas estacionarias. Los cambios graduales en la impedancia se pueden obtener por una terminación en la GO con un embudo en forma de HORNO. Una guía de onda también puede ser terminado en una carga resistiva que se corresponde con la impedancia característica de la guía de onda. La carga resistiva se denomina a veces como una carga artificial, ya que su única finalidad es la de absorber toda la energía en una guía de onda, sin causar ondas estacionarias

INSTALACIÓN DE GO. CURVATURA EN LA GO. El tamaño, forma y material dieléctrico de una guía de onda debe ser constante en toda su longitud para la energía para ir de un extremo a otro, sin reflexiones. Cuando un cambio es necesario, las curvas, y las uniones de las guías de onda deben cumplir ciertas condiciones para evitar los reflejos. ----Una forma de doblar la GO es la curva gradual que se conoce como curvatura de E porque distorsiona los campos E. La curvatura de E debe tener un radio superior a dos longitudes de onda para evitar reflejos. Otra forma es la curvatura en H Se llama H curva porque los campos H se distorsionan.
UNIONES: Dado que un sistema de guía de onda completa no puede ser moldeada en una sola pieza, la guía de onda debe ser construida en secciones, aki las uniones. Hay 3 tipos: Permanentes, semipermanentes y rotatorias. -Union semipermantente, conocida como: unión choke, prevé la continuidad electromagnética buena relación entre las secciones de la guía de onda con muy poca pérdida de potencia. -Si una GO esta conectada a una antena giratoria, se usa una unión giratoria.
DISPOSITIVOS DE GO. Acopladores, cavidades resonantes y uniones hibridas.
ACOPLADOR DIRECCIONAL: El acoplador direccional es un dispositivo que proporciona un método de muestreo de la energía dentro de una guía de onda para la medición o la utilización en otro circuito. Estos viajan en una sola dirección..

CAVIDAD RESONANTE: Un circuito resonante consiste en la conexión de una bobina y un capacitor conectados en paralelo o serie. La frecuencia de resonancia de un circuito aumenta por la reducción de la capacitancia o inductancia o ambos. Es cualquier espacio completamente encerrado por paredes conductivas q pueden contener oscilación de campos electromagnéticos y pueden poseer propiedades resonantes. Una cavidad resonante tiene una gran capacitancia y puede ser construida para manejar cantidades relativamente grandes de potencia. Son fabricadas para operar a diferentes rangos de frecuencias. ---Hay dos variables q determinan la frecuencia principal de cualquier cavidad resonante: 1. Tamaño Fisico, entre mas pequeña la cavidad mayor es la frecuencia de resonancia. 2. La forma, Algunas formas son: de cubo, de cilindro y esféricas. Los modos de operación en las cavidades son descritos en términos de los campos que existe en las dimensiones X, Y, Z. Por lo tanto: X, indica el numero de 1/2ë a lo largo del eje X….. Y describe el numero de 1/2ë a lo largo del eje Y…..Z describe el numero de 1/2ë a lo largo del eje Z.

La frecuencia de resonancia de una cavidad puede ser variada cambiando cualkiera de los 3 parametros: cavidad de volumen, cavidad de capacitancia o cavidad de inductancia. El cambio de frecuencia de una cavidad se llama TUNING (SINTONIZACIÓN)---- SINTONIZACIÓN DE VOLUMEN: variando la distancia d resultará una nueva frecuencia de resonancia porque la inductancia y capacitancia de la cavidad son cambiadas por diferentes cantidades. Si el volumen es disminuido, la frecuencia de resonancia será muy alta. La frecuencia de resonancia será pequeña si el volumen de la cavidad se hace grande.  SINTONIZACION POR CAPACITNCIA: Un tornillo ajustable se coloca en el área de las líneas de E máximo. La distancia d representa la distancia entres dos placas de capacitor. Cuando el tornillo es movido hacia adentro, la distancia entre las placas se hace pequeña y la capacitancia aumenta, este aumento causa que la frecuencia de resonancia disminuya. Cuando el tornillo es movido hacia afuera la frecuencia de resonancia incrementa.---SINTONIZACION POR INDUCTANCIA. Se logra mediante la colocación de un tornillo no magnético en el área de las líneas H máximo. El cambio de líneas de H induce una corriente en el tornillo que establece como campo magnetico contrario. Reduciendo la inductacia por el movimiento del tornillo hacia adentro, aumenta la frecuencia de resonancia. Incrementando la inductancia, por el movimiento del tornillo hacia afuera, disminuye la frecuencia de resonancia.

The MAGIC-T HYBRID JUNCTION, shown at the right, is a combination of the E- and H-type T junctions.

FERRITE DEVICES combine magnetic properties with a high resistance to current flow. Ferrites are constructed from compounds of ferrous metal oxides to achieve the desired characteristics. The fact that the spin axes of electrons will wobble at a natural resonant frequency when subjected to an external magnetic field is the basic principle of operation of ferrite devices.