Guías de Ondas Explicadas: Fundamentos, Modos y Aplicaciones Prácticas

Una guía de ondas es una línea de transmisión especializada consistente en un tubo metálico hueco. Las paredes metálicas proveen inductancia distribuida, mientras que el espacio de aire interno suministra capacitancia distribuida.

Las guías de ondas conducen energía de microondas con menor pérdida que cables coaxiales.

Las guías de ondas son prácticas solo para señales de muy alta frecuencia, donde la longitud de onda es comparable a la sección transversal de la guía. A frecuencias más bajas pierden efectividad como líneas de transmisión.

Uso de Guías de Ondas como Línea de Transmisión

Cuando se usan como líneas de transmisión, las guías de ondas son considerablemente más simples de fabricar y mantener que cables de dos conductores, especialmente los coaxiales.

Con solo un conductor —la carcasa de la guía— no hay necesidad de controlar espaciamiento conductor-conductor ni consistencia dieléctrica; el único dieléctrico es aire.

La humedad es menos problemática en guías de ondas que en cables coaxiales, por lo que a menudo omiten relleno de gas.

Las guías de ondas actúan como conductos para energía electromagnética, guiando la onda en lugar de conducirla en el sentido convencional.

Todas las líneas de transmisión funcionan como conductos de energía, pero la propagación en una guía de ondas de un solo conductor difiere fundamentalmente de la en líneas de dos conductores.

Qué es la Propagación de Onda Transversalmente Eléctrica y Magnética (TEM)

Todas las ondas electromagnéticas consisten en campos eléctrico y magnético que se propagan juntos, perpendiculares entre sí. En una línea de transmisión estándar, ambos campos son transversales a la dirección de propagación.

Este modo transversal, llamado TEM (Transversalmente Eléctrico y Magnético), existe solo en líneas de dos conductores y domina cuando la sección transversal de la línea es pequeña respecto a la longitud de onda.

Línea de transmisión de doble hilo propagación: modo TEM.

En frecuencias de microondas (100 MHz–300 GHz), las líneas de dos conductores operando en modo TEM se vuelven imprácticas sobre longitudes significativas.

Líneas lo suficientemente pequeñas para mantener modo TEM en frecuencias de microondas sufren de bajas tensiones nominales y altas pérdidas parásitas por efecto piel y pérdida dieléctrica.

Afortunadamente, en estas longitudes de onda cortas están disponibles modos alternativos de propagación que son menos perdidosos cuando se usa un tubo conductor en lugar de conductores paralelos. Aquí es donde las guías de ondas se vuelven ventajosas.

Cuando una onda electromagnética viaja por un tubo hueco, solo uno de los campos —eléctrico o magnético— permanece transversal a la dirección de propagación. El otro campo se encadena longitudinalmente pero permanece perpendicular al campo transversal. El campo que permanece transversal determina si la onda se propaga en modo TE (Transversalmente Eléctrico) o TM (Transversalmente Magnético).

Guía de ondas modos TE (transversalmente eléctrico) y TM (transversalmente magnético).

Cada guía de ondas soporta múltiples variaciones de modo, pero una discusión exhaustiva está fuera del alcance de este artículo.

Cómo se Introducen y Extraen Señales de las Guías de Ondas

Las señales se acoplan típicamente dentro o fuera de una guía de ondas usando pequeños dispositivos tipo antena insertados en la guía. Estos acopladores pueden ser dipolos —dos puntas abiertas de longitud apropiada— o una sola punta (un medio dipolo, similar a antena whip, ¼ λ en longitud física), o un bucle corto de cable que termina en la superficie interior de la guía.

Acoplamiento por punta y bucle a guía de ondas.

En algunos dispositivos, como tubos de salida inductiva (p. ej., el klistrón), una cavidad de material conductor intercepta energía electromagnética de un haz de electrones modulado sin contacto directo.

Tubo de salida inductiva klistrón.

Qué es un Resonador de Cavidad

Como las líneas de transmisión, una guía de ondas terminada en ciego puede resonar en frecuencias específicas. Cuando se usa como tal, el dispositivo se llama resonador de cavidad.

Los tubos de salida inductiva emplean resonadores de cavidad toroidales para maximizar transferencia de potencia entre el haz de electrones y la guía de ondas de salida.

La frecuencia resonante de una cavidad puede sintonizarse ajustando sus dimensiones físicas. Los fabricantes incorporan placas móviles, tornillos y otros elementos mecánicos para proporcionar ajuste grueso de frecuencia.

Si una cavidad resonante está abierta en un extremo, funciona como antena unidireccional.

La siguiente foto muestra una guía de ondas casera construida de una lata de conservas, usada como antena para señal Wi-Fi de 2,4 GHz (802.11b).

El elemento de acoplamiento es una punta de cuarto de onda: un alambre de cobre sólido de etwa 1-1/4 pulgadas extendiéndose desde el centro de un conector coaxial hacia la lata.

Cantenna ilustra acoplamiento por punta a guía de ondas.

Otras antenas de lata en el fondo incluyen una lata estilo Pringles, que, a pesar de su construcción de cartón, tiene un revestimiento metálico interior que provee la conductividad necesaria.

Algunas latas aún tienen tapas de plástico. Aunque el plástico no es conductor y no interfiere con la señal RF, sirve como barrera física para proteger la guía de clima y escombros.

Las antenas de guía de ondas reales usan barreras similares para cerrar el tubo mientras permiten el paso sin impedimentos de energía electromagnética.

REPASO:

• Las guías de ondas son tubos metálicos que actúan como conductos para ondas electromagnéticas, aptas solo para señales donde la longitud de onda coincide con la sección transversal de la guía.
• La propagación de onda en una guía de ondas cae en modos TE (Transversalmente Eléctrico) o TM (Transversalmente Magnético), determinado por qué campo es transversal a la dirección de viaje. El modo TEM (Transversalmente Eléctrico y Magnético) existe solo en líneas de dos conductores y no puede sostenerse en una guía de ondas.
• Una guía de ondas terminada en ciego funcionando como elemento resonante se llama resonador de cavidad.
• Un resonador de cavidad abierto en un extremo opera como antena unidireccional, radiando o recibiendo energía RF desde el lado abierto.