En ingeniería de radiofrecuencia e ingeniería de comunicaciones , una guía de ondas es un tubo hueco de metal utilizado para transportar ondas de radio . [1] Este tipo de guía de ondas se utiliza como línea de transmisión principalmente en frecuencias de microondas , para fines tales como conectar transmisores y receptores de microondas a sus antenas , en equipos como hornos de microondas , equipos de radar , comunicaciones por satélite y enlaces de radio de microondas.
Las ondas electromagnéticas en una guía de ondas (de tubo metálico) pueden imaginarse viajando a lo largo de la guía en un camino en zigzag, reflejándose repetidamente entre las paredes opuestas de la guía. Para el caso particular de la guía de ondas rectangular , es posible basar un análisis exacto en esta visión. La propagación en una guía de ondas dieléctrica puede verse de la misma manera, con las ondas confinadas al dieléctrico por reflexión interna total en su superficie. Algunas estructuras, como las guías de ondas dieléctricas no radiativas y la línea de Goubau , utilizan paredes metálicas y superficies dieléctricas para confinar la onda.
Dependiendo de la frecuencia, las guías de onda pueden construirse a partir de materiales conductores o dieléctricos . Generalmente, cuanto menor sea la frecuencia a transmitir, mayor será la guía de onda. Por ejemplo, la guía de onda natural que forma la Tierra, dada por las dimensiones entre la ionosfera conductora y el suelo, así como la circunferencia a la altitud media de la Tierra, es resonante a 7,83 Hz. Esto se conoce como resonancia de Schumann . Por otro lado, las guías de onda utilizadas en las comunicaciones de frecuencia extremadamente alta (EHF) pueden tener menos de un milímetro de ancho.
Durante la década de 1890, los teóricos realizaron los primeros análisis de ondas electromagnéticas en conductos. [3] Alrededor de 1893, JJ Thomson derivó los modos electromagnéticos dentro de una cavidad metálica cilíndrica. [3] En 1897, Lord Rayleigh realizó un análisis definitivo de las guías de ondas; resolvió el problema del valor límite de las ondas electromagnéticas que se propagaban a través de tubos conductores y varillas dieléctricas de forma arbitraria. [3] [4] [5] [6] Demostró que las ondas podían viajar sin atenuación solo en modos normales específicos con el campo eléctrico ( modos TE ) o el campo magnético ( modos TM ), perpendiculares a la dirección de propagación. También demostró que cada modo tenía una frecuencia de corte por debajo de la cual las ondas no se propagarían. Dado que la longitud de onda de corte para un tubo dado era del mismo orden que su ancho, estaba claro que un tubo conductor hueco no podía transportar longitudes de onda de radio mucho mayores que su diámetro. En 1902, R. H. Weber observó que las ondas electromagnéticas viajan a una velocidad menor en los tubos que en el espacio libre, y dedujo la razón: que las ondas viajan en una trayectoria en "zigzag" al reflejarse en las paredes. [3] [5] [7]
Antes de la década de 1920, el trabajo práctico sobre las ondas de radio se concentraba en el extremo de baja frecuencia del espectro de radio, ya que estas frecuencias eran mejores para la comunicación de largo alcance. [3] Estas frecuencias estaban muy por debajo de las frecuencias que podían propagarse incluso en guías de ondas grandes, por lo que hubo poco trabajo experimental sobre guías de ondas durante este período, aunque se realizaron algunos experimentos. En una conferencia del 1 de junio de 1894, "El trabajo de Hertz", ante la Royal Society , Oliver Lodge demostró la transmisión de ondas de radio de 3 pulgadas desde un espacio de chispa a través de un conducto cilíndrico corto de cobre. [3] [8] En su investigación pionera de 1894-1900 sobre las microondas, Jagadish Chandra Bose utilizó tramos cortos de tubería para conducir las ondas, por lo que algunas fuentes le atribuyen la invención de la guía de ondas. [9] Sin embargo, después de esto, el concepto de ondas de radio transportadas por un tubo o conducto pasó desapercibido para los conocimientos de ingeniería. [3]
Durante la década de 1920 se desarrollaron las primeras fuentes continuas de ondas de radio de alta frecuencia: el tubo Barkhausen-Kurz , [10] el primer oscilador que podía producir energía en frecuencias UHF ; y el magnetrón de ánodo dividido que en la década de 1930 había generado ondas de radio de hasta 10 GHz. [3] Estos hicieron posible la primera investigación sistemática sobre microondas en la década de 1930. Se descubrió que las líneas de transmisión utilizadas para transportar ondas de radio de frecuencia más baja, la línea paralela y el cable coaxial , tenían pérdidas de potencia excesivas en frecuencias de microondas, lo que creó la necesidad de un nuevo método de transmisión. [3] [10]
La guía de ondas fue desarrollada independientemente entre 1932 y 1936 por George C. Southworth en Bell Telephone Laboratories [2] y Wilmer L. Barrow en el Massachusetts Institute of Technology , quienes trabajaron sin conocimiento el uno del otro. [3] [5] [6] [10] El interés de Southworth se despertó durante su trabajo de doctorado de la década de 1920 en el que midió la constante dieléctrica del agua con una línea de Lecher de radiofrecuencia en un tanque largo de agua. Descubrió que si eliminaba la línea de Lecher, el tanque de agua aún mostraba picos de resonancia, lo que indicaba que estaba actuando como una guía de ondas dieléctrica . [3] En Bell Labs en 1931 reanudó el trabajo en guías de ondas dieléctricas. En marzo de 1932 observó ondas en tuberías de cobre llenas de agua. El trabajo previo de Rayleigh había caído en el olvido y Sergei A. Schelkunoff , un matemático de Bell Labs, realizó análisis teóricos de guías de ondas [3] [11] y redescubrió los modos de guías de ondas. En diciembre de 1933 se comprendió que con una vaina metálica el dieléctrico era superfluo y la atención se desplazó a las guías de ondas metálicas.
Barrow se había interesado por las altas frecuencias en 1930, cuando estudiaba con Arnold Sommerfeld en Alemania. [3] En el MIT, a principios de 1932, trabajó en antenas de alta frecuencia para generar haces estrechos de ondas de radio para localizar aviones en la niebla. Inventó una antena de bocina y se le ocurrió la idea de utilizar un tubo hueco como línea de alimentación para alimentar ondas de radio a la antena. [3] En marzo de 1936, había derivado los modos de propagación y la frecuencia de corte en una guía de ondas rectangular. [10] La fuente que estaba utilizando tenía una gran longitud de onda de 40 cm, por lo que para sus primeros experimentos exitosos con guías de ondas utilizó una sección de 16 pies de conducto de aire y 18 pulgadas de diámetro. [3]
Barrow y Southworth se enteraron del trabajo del otro unas semanas antes de que ambos presentaran trabajos sobre guías de ondas en una reunión combinada de la Sociedad Estadounidense de Física y el Instituto de Ingenieros de Radio en mayo de 1936. [3] [10] Acordaron amigablemente acuerdos de reparto de créditos y división de patentes.
El desarrollo del radar centimétrico durante la Segunda Guerra Mundial y los primeros tubos de microondas de alta potencia, el klistrón (1938) y el magnetrón de cavidad (1940), dieron como resultado el primer uso generalizado de la guía de ondas. [10] Se fabricaron componentes de "tubería" de guía de ondas estándar, con bridas en el extremo que se podían atornillar. Después de la guerra, en los años 50 y 60, las guías de ondas se volvieron comunes en los sistemas de microondas comerciales, como los radares de aeropuertos y las redes de retransmisión de microondas que se construyeron para transmitir llamadas telefónicas y programas de televisión entre ciudades.
En la región de microondas del espectro electromagnético , una guía de ondas normalmente consiste en un conductor metálico hueco. Estas guías de ondas pueden adoptar la forma de conductores individuales con o sin revestimiento dieléctrico, por ejemplo, la línea de Goubau y las guías de ondas helicoidales. Las guías de ondas huecas deben tener un diámetro de media longitud de onda o más para admitir uno o más modos de onda transversales.
Las guías de ondas pueden llenarse con gas presurizado para inhibir la formación de arcos eléctricos y evitar la multicompactación , lo que permite una mayor transmisión de potencia. Por el contrario, puede ser necesario evacuar las guías de ondas como parte de sistemas evacuados (por ejemplo, sistemas de haz de electrones).
Una guía de ondas ranurada se utiliza generalmente para radares y otras aplicaciones similares. La guía de ondas funciona como una ruta de alimentación y cada ranura es un radiador independiente, formando así una antena. Esta estructura tiene la capacidad de generar un patrón de radiación para lanzar una onda electromagnética en una dirección específica relativamente estrecha y controlable.
Una guía de ondas cerrada es una guía de ondas electromagnética (a) que es tubular, generalmente con una sección transversal circular o rectangular, (b) que tiene paredes conductoras de electricidad, (c) que puede ser hueca o estar rellena de un material dieléctrico, (d) que puede soportar una gran cantidad de modos de propagación discretos, aunque solo unos pocos pueden ser prácticos, (e) en la que cada modo discreto define la constante de propagación para ese modo, (f) en la que el campo en cualquier punto se puede describir en términos de los modos admitidos, (g) en la que no hay campo de radiación , y (h) en la que las discontinuidades y curvas pueden causar conversión de modo pero no radiación. [ cita requerida ]
Las dimensiones de una guía de ondas metálica hueca determinan qué longitudes de onda puede soportar y en qué modos. Normalmente, la guía de ondas se utiliza de forma que solo esté presente un único modo. Generalmente, se selecciona el modo de orden más bajo posible. Las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte de la guía no se propagarán. Es posible utilizar guías de ondas en modos de orden superior o con múltiples modos presentes, pero esto suele ser poco práctico.
Las guías de ondas están hechas casi exclusivamente de metal y en su mayoría de estructuras rígidas. Hay ciertos tipos de guías de ondas "corrugadas" que tienen la capacidad de flexionarse y doblarse, pero solo se utilizan cuando es esencial, ya que degradan las propiedades de propagación. Debido a que la propagación de energía se realiza principalmente en el aire o el espacio dentro de la guía de ondas, es uno de los tipos de línea de transmisión con menor pérdida y es muy preferido para aplicaciones de alta frecuencia donde la mayoría de los otros tipos de estructuras de transmisión introducen grandes pérdidas. Debido al efecto pelicular a altas frecuencias, la corriente eléctrica a lo largo de las paredes penetra típicamente solo unos pocos micrómetros en el metal de la superficie interna. Dado que aquí es donde ocurre la mayor parte de la pérdida resistiva, es importante que la conductividad de la superficie interior se mantenga lo más alta posible. Por esta razón, la mayoría de las superficies interiores de las guías de ondas están revestidas de cobre , plata u oro .
Se pueden tomar mediciones de la relación de onda estacionaria de voltaje ( VSWR ) para garantizar que una guía de ondas sea contigua y no tenga fugas ni curvas pronunciadas. Si existen tales curvas u orificios en la superficie de la guía de ondas, esto puede disminuir el rendimiento tanto del equipo transmisor como del receptor conectado en cada extremo. También puede producirse una transmisión deficiente a través de la guía de ondas como resultado de la acumulación de humedad que corroe y degrada la conductividad de las superficies internas, lo cual es crucial para la propagación con baja pérdida. Por este motivo, las guías de ondas están nominalmente equipadas con ventanas de microondas en el extremo exterior que no interferirán con la propagación pero mantendrán los elementos afuera. La humedad también puede provocar la acumulación de hongos o la formación de arcos eléctricos en sistemas de alta potencia, como transmisores de radio o radar. La humedad en las guías de ondas generalmente se puede prevenir con gel de sílice , un desecante o una ligera presurización de las cavidades de la guía de ondas con nitrógeno seco o argón . Los botes de gel de sílice desecante se pueden conectar con puntas atornilladas y los sistemas de mayor potencia tendrán tanques presurizados para mantener la presión, incluidos los monitores de fugas. También se pueden producir arcos eléctricos si hay un orificio, un desgarro o un bulto en las paredes conductoras, si se transmite a alta potencia (normalmente 200 vatios o más). La plomería de la guía de ondas [12] es crucial para el rendimiento adecuado de la guía de ondas. Las ondas estacionarias de tensión se producen cuando los desajustes de impedancia en la guía de ondas hacen que la energía se refleje en la dirección opuesta a la de propagación. Además de limitar la transferencia efectiva de energía, estas reflexiones pueden provocar voltajes más altos en la guía de ondas y dañar el equipo.
En la práctica, las guías de onda actúan como el equivalente de los cables para sistemas de frecuencias superaltas (SHF). Para tales aplicaciones, se desea operar guías de onda con un solo modo propagándose a través de la guía de onda. Con guías de onda rectangulares, es posible diseñar la guía de onda de manera que la banda de frecuencia sobre la que se propaga un solo modo sea tan alta como 2:1 (es decir, la relación entre el borde de la banda superior y el borde de la banda inferior es dos). La relación entre las dimensiones de la guía de onda y la frecuencia más baja es simple: si es la mayor de sus dos dimensiones, entonces la longitud de onda más larga que se propagará es y la frecuencia más baja es, por lo tanto,
Con guías de onda circulares, el ancho de banda más alto posible que permite que solo se propague un único modo es de solo 1,3601:1. [13]
Debido a que las guías de ondas rectangulares tienen un ancho de banda mucho mayor sobre el cual solo se puede propagar un único modo, existen estándares para guías de ondas rectangulares, pero no para guías de ondas circulares. En general (pero no siempre), las guías de ondas estándar están diseñadas de tal manera que
La primera condición es permitir aplicaciones cerca de los bordes de la banda. La segunda condición limita la dispersión , un fenómeno en el que la velocidad de propagación es una función de la frecuencia. También limita la pérdida por unidad de longitud. La tercera condición es evitar el acoplamiento de ondas evanescentes a través de modos de orden superior. La cuarta condición es la que permite un ancho de banda de operación de 2:1. Aunque es posible tener un ancho de banda de operación de 2:1 cuando la altura es menor que la mitad del ancho, tener la altura exactamente a la mitad del ancho maximiza la potencia que puede propagarse dentro de la guía de ondas antes de que se produzca la ruptura dieléctrica .
A continuación se muestra una tabla de guías de onda estándar. El nombre de la guía de onda WR significa guía de onda rectangular y el número es el ancho de la dimensión interna de la guía de onda en centésimas de pulgada (0,01 pulgada = 0,254 mm) redondeado a la centésima de pulgada más cercana.
Para las frecuencias de la tabla anterior, la principal ventaja de las guías de ondas sobre los cables coaxiales es que las guías de ondas permiten la propagación con menor pérdida. Para frecuencias más bajas, las dimensiones de la guía de ondas se vuelven impracticables y, para frecuencias más altas, las dimensiones se vuelven impracticables (la tolerancia de fabricación se convierte en una parte significativa del tamaño de la guía de ondas).
Las guías de ondas electromagnéticas se analizan resolviendo las ecuaciones de Maxwell , o su forma reducida, la ecuación de ondas electromagnéticas , con condiciones de contorno determinadas por las propiedades de los materiales y sus interfaces. Estas ecuaciones tienen múltiples soluciones, o modos, que son funciones propias del sistema de ecuaciones. Cada modo se caracteriza por una frecuencia de corte por debajo de la cual el modo no puede existir en la guía. Los modos de propagación de la guía de ondas dependen de la longitud de onda y la polarización de funcionamiento y de la forma y el tamaño de la guía. El modo longitudinal de una guía de ondas es un patrón de onda estacionaria particular formado por ondas confinadas en la cavidad. Los modos transversales se clasifican en diferentes tipos:
Las guías de ondas con ciertas simetrías pueden resolverse utilizando el método de separación de variables . Las guías de ondas rectangulares pueden resolverse en coordenadas rectangulares. [16] : 143 Las guías de ondas redondas pueden resolverse en coordenadas cilíndricas. [16] : 198
En las guías de onda huecas de un solo conductor, no es posible la propagación de ondas TEM. Esto contrasta con las líneas de transmisión de dos conductores utilizadas a frecuencias más bajas ( cable coaxial , línea de cable paralelo y línea de banda ), en las que sí es posible la propagación del modo TEM. Además, los modos de propagación (es decir, TE y TM) dentro de la guía de onda se pueden expresar matemáticamente como la superposición de dos ondas TEM. [17]
El modo con la frecuencia de corte más baja se denomina modo dominante de la guía. Es común elegir el tamaño de la guía de modo que solo este modo pueda existir en la banda de frecuencia de operación. En las guías de onda rectangulares y circulares (de tubo hueco), los modos dominantes se designan como modo TE 1,0 y modos TE 1,1 respectivamente. [18]
Una guía de ondas dieléctrica emplea una varilla dieléctrica sólida en lugar de un tubo hueco. Una fibra óptica es una guía dieléctrica diseñada para funcionar a frecuencias ópticas. Las líneas de transmisión como las microbandas , las guías de ondas coplanares , las líneas de banda o los cables coaxiales también pueden considerarse guías de ondas.
Las guías de ondas de varillas y placas dieléctricas se utilizan para conducir ondas de radio, principalmente en frecuencias de ondas milimétricas y superiores. [19] [20] Estas confinan las ondas de radio por reflexión interna total a partir del escalón en el índice de refracción debido al cambio en la constante dieléctrica en la superficie del material. [21] En frecuencias de ondas milimétricas y superiores, el metal no es un buen conductor, por lo que las guías de ondas de metal pueden tener una atenuación creciente. En estas longitudes de onda, las guías de ondas dieléctricas pueden tener menores pérdidas que las guías de ondas de metal. La fibra óptica es una forma de guía de ondas dieléctrica utilizada en longitudes de onda ópticas.
Una diferencia entre las guías de ondas dieléctricas y metálicas es que en una superficie metálica las ondas electromagnéticas están muy confinadas; a altas frecuencias, los campos eléctricos y magnéticos penetran una distancia muy corta en el metal. En cambio, la superficie de la guía de ondas dieléctrica es una interfaz entre dos dieléctricos, por lo que los campos de la onda penetran fuera del dieléctrico en forma de una onda evanescente (que no se propaga). [21]
