Guías de ondas

Una guía de ondas es una forma especial de línea de transmisión que consta de un tubo metálico hueco. La pared del tubo proporciona inductancia distribuida, mientras que el espacio vacío entre las paredes del tubo proporciona capacitancia distribuida.

Las guías de onda conducen la energía de microondas con menor pérdida que los cables coaxiales.

Las guías de ondas son prácticas solo para señales de frecuencia extremadamente alta, donde la longitud de onda se aproxima a las dimensiones de la sección transversal de la guía de ondas. Por debajo de esas frecuencias, las guías de ondas son inútiles como líneas de transmisión eléctrica.

Uso de guías de ondas como línea de transmisión

Sin embargo, cuando funcionan como líneas de transmisión, las guías de ondas son considerablemente más simples que los cables de dos conductores, especialmente los cables coaxiales, en su fabricación y mantenimiento.

Con un solo conductor (la "carcasa" de la guía de ondas), no hay problemas con el espaciado adecuado de conductor a conductor, o con la consistencia del material dieléctrico, ya que el único dieléctrico en una guía de ondas es el aire.

La humedad tampoco es un problema tan severo en las guías de ondas como en los cables coaxiales, por lo que las guías de ondas a menudo se ahorran la necesidad de "llenado" de gas.

Las guías de ondas se pueden considerar como conductos para la energía electromagnética, la guía de ondas en sí actúa como nada más que un "director" de la energía en lugar de un conductor de señal en el sentido normal de la palabra.

En cierto sentido, todas las líneas de transmisión funcionan como conductos de energía electromagnética cuando transportan pulsos u ondas de alta frecuencia, dirigiendo las ondas como las orillas de un río dirigen un maremoto.

Sin embargo, debido a que las guías de ondas son elementos de un solo conductor, la propagación de energía eléctrica por una guía de ondas es de una naturaleza muy diferente a la propagación de energía eléctrica por una línea de transmisión de dos conductores.

¿Qué es la propagación de ondas eléctricas y magnéticas transversales (TEM)?

Todas las ondas electromagnéticas consisten en campos eléctricos y magnéticos que se propagan en la misma dirección de viaje, pero perpendiculares entre sí. A lo largo de una línea de transmisión normal, tanto los campos eléctricos como magnéticos son perpendiculares (transversales) a la dirección del viaje de la onda.

Esto se conoce como modo principal o TEM ( T ransverse E eléctrico y M modo agnetic). Este modo de propagación de ondas solo puede existir donde hay dos conductores, y es el modo dominante de propagación de ondas donde las dimensiones de la sección transversal de la línea de transmisión son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la señal.

Propagación de la línea de transmisión de cables gemelos:modo TEM.

En microondas frecuencias de señal (entre 100 MHz y 300 GHz), las líneas de transmisión de dos conductores de cualquier longitud sustancial que operan en el modo TEM estándar se vuelven imprácticas.

Las líneas lo suficientemente pequeñas en la dimensión de la sección transversal para mantener la propagación de la señal del modo TEM para las señales de microondas tienden a tener clasificaciones de voltaje bajo y sufren grandes pérdidas de energía parásitas debido a la "piel" del conductor y los efectos dieléctricos.

Afortunadamente, sin embargo, en estas longitudes de onda cortas existen otros modos de propagación que no son tan "con pérdida", si se usa un tubo conductor en lugar de dos conductores paralelos. Es en estas altas frecuencias que las guías de ondas se vuelven prácticas.

Cuando una onda electromagnética se propaga por un tubo hueco, solo uno de los campos, ya sea eléctrico o magnético, será en realidad transversal a la dirección de viaje de la onda.

El otro campo formará un "bucle" longitudinalmente a la dirección de viaje, pero seguirá siendo perpendicular al otro campo. Cualquier campo que permanezca transversal a la dirección de viaje determina si la onda se propaga en TE modo ( T ransverse E eléctrico) o TM ( T ransverse M modo agnetic).

Modos de guía de onda (TE) transversal eléctrico y (TM) magnético transversal.

Existen muchas variaciones de cada modo para una guía de ondas determinada, y una discusión completa de este tema está mucho más allá del alcance de este libro.

¿Cómo se introducen y extraen las señales de las guías de onda?

Las señales se introducen y extraen típicamente de las guías de ondas por medio de pequeños dispositivos de acoplamiento en forma de antena insertados en la guía de ondas. A veces, estos elementos de acoplamiento toman la forma de un dipolo, que no es más que dos cables terminales abiertos de la longitud adecuada.

Otras veces, el acoplador es un solo trozo (un medio dipolo, similar en principio a una antena de "látigo", 1 / 4λ en longitud física), o un bucle corto de cable terminado en la superficie interior de la guía de ondas.

Acoplamiento de stub y loop a la guía de ondas.

En algunos casos, como una clase de dispositivos de tubo de vacío llamados tubos de salida inductivos (el llamado klystron tubo cae en esta categoría), una "cavidad" formada de material conductor puede interceptar la energía electromagnética de un haz de electrones modulado, sin tener contacto con el haz en sí.

Tubo de salida inductivo Klystron.

¿Qué es un resonador de cavidad?

Así como las líneas de transmisión pueden funcionar como elementos resonantes en un circuito, especialmente cuando terminan por un cortocircuito o un circuito abierto, una guía de ondas sin salida también puede resonar en frecuencias particulares.

Cuando se utiliza como tal, el dispositivo se denomina resonador de cavidad . Los tubos de salida inductivos utilizan resonadores de cavidad en forma de toroide para maximizar la eficiencia de transferencia de potencia entre el haz de electrones y el cable de salida.

La frecuencia de resonancia de una cavidad se puede alterar cambiando sus dimensiones físicas. Con este fin, se fabrican cavidades con placas móviles, tornillos y otros elementos mecánicos de sintonización para proporcionar un ajuste de frecuencia resonante aproximado.

Si una cavidad resonante se abre en un extremo, funciona como una antena unidireccional.

La siguiente fotografía muestra una guía de ondas casera formada a partir de una lata, utilizada como antena para una señal de 2,4 GHz en una red de comunicación informática "802.11b".

El elemento de acoplamiento es un trozo de un cuarto de onda:nada más que un trozo de alambre de cobre sólido de aproximadamente 1-1 / 4 pulgadas de largo que se extiende desde el centro de un conector de cable coaxial que penetra en el costado de la lata.

Can-tenna ilustra el acoplamiento de stub a la guía de ondas.

Se pueden ver algunas antenas de lata más en el fondo, una de ellas una lata de papas fritas “Pringles”. Aunque esta lata es de cartón (papel), su revestimiento interior metálico proporciona la conductividad necesaria para funcionar como guía de ondas.

Algunas de las latas en el fondo todavía tienen sus tapas de plástico en su lugar. El plástico, al no ser conductor, no interfiere con la señal de RF, pero funciona como una barrera física para evitar que la lluvia, la nieve, el polvo y otros contaminantes físicos entren en la guía de ondas.

Las antenas de guía de ondas "reales" utilizan barreras similares para encerrar físicamente el tubo, pero permiten que la energía electromagnética pase sin obstáculos.

REVISAR:

• Guías de ondas son tubos de metal que funcionan como "conductos" para transportar ondas electromagnéticas. Son prácticos solo para señales de frecuencia extremadamente alta, donde la longitud de onda de la señal se aproxima a las dimensiones de la sección transversal de la guía de ondas.
• La propagación de ondas a través de una guía de ondas se puede clasificar en dos categorías amplias: TE (Eléctrico transversal) o TM (Magnético transversal), dependiendo de qué campo (eléctrico o magnético) es perpendicular (transversal) a la dirección de desplazamiento de la onda. El recorrido de las ondas a lo largo de una línea de transmisión estándar de dos conductores es de TEM Modo (transversal eléctrico y magnético), donde ambos campos están orientados perpendicularmente a la dirección de desplazamiento. El modo TEM solo es posible con dos conductores y no puede existir en una guía de ondas.
• Una guía de ondas sin salida que sirve como elemento resonante en un circuito de microondas se llama resonador de cavidad .
• Un resonador de cavidad con un extremo abierto funciona como una antena unidireccional, enviando o recibiendo energía de RF hacia / desde la dirección del extremo abierto.