guías de onda
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Guías de Onda
Por: Olaya Tinoco Carlos
Peña Merino Yeff
Herrera Ortiz Paul
Definición:
Una guía de onda es un tubo conductor hueco, que generalmente
es de sección transversal rectangular, o bien circular o elíptica
que guía ondas electromagnéticas.
Datos Históricos:
La primera guía de onda fue propuesta por Joseph John Thomson en
1893 y experimentalmente verificada por O. J. Lodge en 1894.
El análisis matemático de los modos de propagación de un cilindro
metálico hueco fue realizado por primera vez por Lord Rayleigh en
1897.
Transmisión de Señales:
La energía electromagnética es conducida principalmente a lo largo
de la guía y es limitada en sus fronteras. Las paredes conductoras
del tubo confinan la onda al interior por reflexión. En las guías, los
campos eléctricos y los campos magnéticos están confinados en el
espacio que se encuentra en su interior, de este modo no hay
pérdidas de potencia por radiación y las pérdidas en el dieléctrico
son muy bajas debido a que suele ser aire.
La guía de onda se puede visualizar de manera simplificada en la
figura a continuación:
Basamento:
Las guías de onda se basan en el confinamiento de la luz, efecto
que se logra mediante el uso de dos medios con índice de
refracción diferente. El medio con índice de refracción menor
(núcleo) se embebe en el medio con índice de refracción mayor
(revestimiento o cubierta); la luz queda confinada en el medio el
núcleo debido a reflexión total interna. La geometría de las guías
de onda puede ser plana (slab, strip) o cilíndrica, siendo esta
última la más utilizada (fibras ópticas).
Tipos de Guías de Onda:
Guía de onda rectangular (circular, elíptica): Son aquellas cuya
sección transversal es rectangular.
Guía de onda de haz: Guía de Onda constituida por una sucesión
de lentes o espejos, capaz de guiar una onda electromagnética.
Guía de onda tabicada: Formada por dos cilindros metálicos
coaxiales unidos en toda su longitud por un tabique radial
metálico.
Guía de onda acanalada, guiada en V; guiada en H: Guía de onda
rectangular que incluye resaltes conductores interiores a lo largo de
una de cada una de las paredes de mayor dimensión.
Guía de onda carga periódicamente: Guía de onda en las que la
propagación viene determinada por las variaciones regularmente
espaciadas de las propiedades del medio, de las dimensiones del
medio o de las superficies de contorno.
Guía de onda dieléctrica: Formada íntegramente por uno o varios
materiales dieléctricos, sin ninguna pared conductora.
Análisis:
Las guías de onda electromagnéticas se analizan resolviendolas ecuaciones de Maxwell. Los modos de propagación dependen de lalongitud de onda, de la polarización y de las dimensiones de la guía.
Se clasifican en tipos distintos:
Modo TE (Transversal eléctrico), la componente del campo eléctrico en la direcciónde propagación es nula.
Modo TM (Transversal magnético), la componente del campo magnético en ladirección de propagación es nula.
Modo TEM (Transversal electromagnético), la componente tanto del campo eléctricocomo del magnético en la dirección de propagación es nula.
Modo híbrido, son los que sí tienen componente en la dirección de propagación tantoen el campo eléctrico como en el magnético.
• Algunas imágenes:
Desarrollo Matemático
Se tiene que las ecuaciones toman la forma de la ecuación de Helmholtz:
Descomponiendo el campo en componente longitudinal y transversal:
Se puede separar de la ecuación de Helmholtz la componente longitudinal obteniendo:
La función Ez o Bz que cumple unas ciertas condiciones de contorno impuestas por el tipo de
guía se denomina potencial de Debye.
Modos TE y T
Se tratará el caso de un modo TE, para el caso del modo TM tan solo hay que intercambiar en las
expresiones el campo eléctrico y magnético. En un modo TE se tiene que:
También se tiene que:
De modo que:
El campo B longitudinal será la solución de la ecuación de Helmholtz y el campo transversal
puede obtenerse a partir de la anterior expresión. El campo eléctrico vendrá dado por
las ecuaciones de Maxwell. Dependiendo de la naturaleza de la guía, Bz o Ez (cuyo desarrollo sería
idéntico) han de cumplir unas ciertas condiciones de contorno.
Aplicaciones de las Guías
Las guías de onda son muy adecuadas para transmitir señales debido a su baja pérdida. Por ello, se
usan en microondas, a pesar de su ancho de banda limitado y volumen, mayor que el de líneas
impresas o coaxiales para la misma frecuencia.
También se realizan distintos dispositivos en guías de onda, como acopladores direccionales,
filtros, circuladores y otros.
Actualmente, son especialmente importantes, y lo serán más en el futuro, las guías de onda
dieléctricas trabajando a frecuencias de la luz visible e infrarroja, habitualmente llamadas fibra
óptica, útiles para transportar información de banda ancha, sustituyendo a los cables coaxiales y
enlaces de microondas en las redes telefónicas y, en general, las redes de datos.
