Escuela Técnica N° 2
"Obispo Colombres”
MATERIA: "FÍSICA II"
TEMA: GUÍAS DE ONDAS
INTEGRANTES GRUPO Nº 5
Sanchez Jonathan Ezequiel
Sanchez Marcos Nicolas
Apás Lucas Fabian
Aparicio Ramón Matias
Alavarez Miguel Alejandro
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Las
radiaciones electromagnéticas son las generadas por partículas eléctricas y
magnéticas moviéndose a la vez (oscilando). Cada partícula genera lo que se
llama un campo, por eso también se dice que es una mezcla de un campo eléctrico
con un campo magnético. Estas radiaciones generan unas ondas que se pueden
propagar (viajar) por el aire e incluso por el vacío.
Imaginemos
que movemos de forma oscilatoria (de arriba a bajo) una partícula cargada
eléctricamente (o magnéticamente), se crea una perturbación a su alrededor, que
es lo que llamamos una onda. Si la
partícula tiene un componente eléctrico, pero también uno magnético ya tenemos
generada una radiación electromagnética, con su onda electromagnética.
Una
onda electromagnética no se genera por una sola partícula, sino que son dos
partículas diferentes, una eléctrica y otra magnética. Además su movimiento es
perpendicular, lo que hace la onda sea una mezcla de dos ondas perpendiculares,
una eléctrica y otra magnética.
Aquí
vemos en la figura las dos ondas generadas por las dos partículas a la vez. Una
moviéndose sobre el eje Z y la otra sobre el eje Y.
Las ondas electromagnéticas se usan en la radio, la televisión, internet, etc.,y se
diferencia por su frecuencia.
Frecuencia:
número
de veces que se repite la onda durante un segundo de tiempo.
GUÍAS DE ONDAS
Las aplicaciones típicas de este medio es en las centrales
telefónicas para bajar/subir señales provenientes de antenas de satélite o
estaciones terrenas de microondas
La guía de onda es otro medio de comunicación también muy
usado, el cual opera en el rango de las frecuencias comúnmente llamadas como
microondas (en el orden de GHz). Su construcción es de material metálico por lo
que no se puede decir que sea un cable. El ancho de banda es extremadamente
grande y es usada principalmente cuando se requiere bajas perdidas en la señal
bajo condiciones de muy alta potencia como el caso desde una antena de
microondas al receptor/transmisor de radio frecuencia..
¿Qué una Guía de Onda?
Una guía de onda es un tubo conductor hueco, que
generalmente es de sección transversal rectangular, o bien circular o elíptica.
Las dimensiones de la sección transversal se seleccionan de tal forma que las
ondas electromagnéticas se propaguen dentro del interior de la guía; cabe
recordar que las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para
propagarse. Las paredes de la guía de onda son conductores y por lo tanto
reflejan energía electromagnética de la superficie. En una guía de onda, la
conducción de energía no ocurre en las paredes de la guía de onda sino a través
del dieléctrico dentro de la guía de onda. La energía electromagnética se
propaga a lo largo de la guía de onda reflejándose hacia un lado y otro en
forma de “zig-zag”.
En electromagnetismo y en telecomunicación, una guía de onda
es cualquier estructura física que guía ondas electromagnéticas. Algunos
sistemas de telecomunicaciones utilizan la propagación de ondas en el espacio
libre, sin embargo también se puede transmitir información mediante el
confinamiento de las ondas en cables o guías. En altas frecuencias las líneas
de transmisión y los cables coaxiales presentan atenuaciones muy elevadas por
lo que impiden que la transmisión de la información sea la adecuada, son
imprácticos para aplicaciones en HF(alta frecuencia) o de bajo consumo de
potencia, especialmente en el caso de las señales cuyas longitudes de onda son
del orden de centímetros, esto es, microondas.
La transmisión de señales por guías de onda reduce la
disipación de energía, es por ello que se utilizan en las frecuencias
denominadas de microondas con el mismo propósito que las líneas de transmisión
en frecuencias más bajas, ya que se presentan poca atenuación para el manejo de
señales de alta frecuencia.
Este nombre, se utiliza para designar los tubos de un
material de sección rectangular, circular o elíptica, en los cuales la energía
electromagnética ha de ser conducida principalmente a lo largo de la guía y
limitada en sus fronteras. Las paredes conductoras del tubo confinan la onda al
interior por reflexión, debido a la ley de Snell en la superficie, donde el
tubo puede estar vacío o relleno con un dieléctrico. El dieléctrico le da
soporte mecánico al tubo (las paredes pueden ser delgadas), pero reduce la
velocidad de propagación.
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. Este sistema evita que existan
interferencias en el campo por otros objetos, al contrario de lo que ocurría en
los sistemas de transmisión abiertos.
TIPOS DE GUÍAS DE ONDAS
Existen
muchos tipos de guías de onda, presentándoles aquí las más importantes:
• 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 superficie de contorno.
• Guía de onda dieléctrica: Formada
íntegramente por uno o varios materiales dieléctricos, sin ninguna pared
conductora.
Aplicaciones
Las guías de onda son muy adecuadas para transmitir
señales debido a sus bajas pérdidas. 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.
¿Y las ondas electromagnéticas? ¿De donde salen? ¿Magia? No, las ondas electromagnéticas del microondas las genera un dispositivo llamado magnetrón que transforma la energía eléctrica de la red en en ondas electromagnéticas a una frecuencia de 2,45 GHz.
Ventajas y Desventajas de una Guía de Onda
Las
guías de onda presentan las siguientes ventajas y desventajas con respecto a
las líneas de “Tx” y una línea coaxial.
Ventajas
a)
Blindaje total, eliminando pérdidas por radiación
b)
No hay pérdidas en el dieléctrico, pues no hay aisladores dentro
c)
Las pérdidas por conductor son menores, pues solo se emplea un conductor
d)
Mayor capacidad en el manejo de potencia
e)
Construcción más simple que un coaxial
Desventajas.
a)
La instalación y la operación de un sistema de Gd O son más complejas.
b)
Considerando la dilatación y contracción con la temperatura, se debe sujetar
mediante soportes especiales
c) Se debe mantener sujeta a presurización para mantener las condiciones
de uniformidad del medio interior.
¿Qué es una onda estacionaria?
Las ondas estacionarias son aquellas ondas en las cuales, ciertos puntos de la onda llamados nodos, permanecen inmóviles.
Una onda estacionaria se forma por la interferencia de dos
ondas de la misma naturaleza con igual amplitud, longitud de onda (o
frecuencia) que avanzan en sentido opuesto a través de un medio.
Se producen cuando interfieren dos movimientos ondulatorios
con la misma frecuencia, amplitud pero con diferente sentido, a lo largo de una
linea con una diferencia de fase de media longitud de onda.
Las ondas estacionarias permanecen confinadas en un espacio
(cuerda, tubo con aire, membrana, etc.). La amplitud de la oscilación para cada
punto depende de su posición, la frecuencia es la misma para todos y coincide
con la de las ondas que interfieren. Tiene puntos que no vibran (nodos), que
permanecen inmóviles, estacionarios, mientras que otros (vientres o antinodos)
lo hacen con una amplitud de vibración máxima, igual al doble de la de las
ondas que interfieren, y con una energía máxima. El nombre de onda estacionaria
proviene de la aparente inmovilidad de los nodos. La distancia que separa dos
nodos o dos antinodos consecutivos es media longitud de onda.
Se puede considerar que las ondas estacionarias no son ondas
de propagación sino los distintos modos de vibración de la cuerda, el tubo con
aire, la membrana, etc. Para una cuerda, tubo, membrana, ... determinados, sólo
hay ciertas frecuencias a las que se producen ondas estacionarias que se llaman
frecuencias de resonancia. La más baja se denomina frecuencia fundamental, y
las demás son múltiplos enteros de ella (doble, triple, ...).
Una onda estacionaria se puede formar por la suma de una
onda y su onda reflejada sobre un mismo eje.(x o y)
GUÍA DE ONDA RECTANGULAR
Las
guías de onda rectangulares son las formas más comunes de guías de onda. La
energía electromagnética se propaga a través del espacio libre como ondas
electromagnéticas transversales (TEM) con un campo magnético, un campo
eléctrico, y una dirección de propagación que son mutuamente perpendiculares.
Una onda no puede viajar directamente hacia abajo de una guía de onda sin
reflejarse a los lados, porque el campo eléctrico tendría que existir junto a
una pared conductiva. Si eso sucediera, el campo eléctrico haría un corto
circuito por las paredes en sí. Para propagar una onda TEM exitosamente a
través de una guía de onda, la onda debe propagarse a lo largo de la guía en
forma de zig-zag, con el campo eléctrico máximo en el centro de la guía y cero
en la superficie de las paredes.
ƒc = c / 2a
Donde:
ƒc :
frecuencia de corte (Hz)
c =
3x108 (m/s) (velocidad de la luz del espacio libre)
a :
longitud en sección transversal (m)*
Llamaremos
“a” como la más anchas de las dos dimensiones
En
términos de longitud de onda:
λc =
2a λc : longitud de onda de corte
a : longitud en sección
transversal (m)
La
velocidad de las ondas en una guía de onda, varía con la frecuencia
Existen
dos tipos de velocidades:
Velocidad
de Fase (velocidad a la que una onda cambia de fase)
Velocidad de Grupo (velocidad a la que se propaga una onda)
Tomaremos el eje Z como dirección de propagación de las ondas en el
interior de la guía de onda rectangular. Las direcciones X y Y serán
direcciones transversales a la propagación.
VELOCIDAD DE FASE Y VELOCIDAD DE GRUPO
Es necesario diferenciar
entre dos clases de velocidad: la velocidad de fase y la velocidad de grupo.”
Es decir, la velocidad con la cual la onda cambia de fase y la velocidad a la
que se propaga la onda.
La velocidad de fase es la
velocidad aparente de una fase determinada de onda, por ejemplo, su cresta o
punto de máxima intensidad de campo eléctrico. Es aquella con la que cambia una
fase de onda, es dirección paralela a la superficie conductora que pueden ser
las paredes de una guía de onda. Se determina midiendo la longitud de una onda
de determinada frecuencias.
La velocidad de grupo es la
velocidad de un grupo de ondas, es decir, de un pulso. La velocidad de grupo es
aquella con la que se propagan las señales de información de cualquier tipo.
También, es la velocidad con la que se propaga la energía. Se puede medir
determinando el tiempo necesario para que un pulso se propague por determinada
longitud de la guía de onda.
En una guía de onda las
velocidades de grupo y de fase tienen el mismo valor en el espacio libre. Sin
embargo, si se miden esas dos velocidades con la misma frecuencia, se encuentra
que, en general, las dos velocidades no son las mismas. En ciertas frecuencias
serán casi iguales y en otras pueden ser muy distintas. Pero sabemos que la
velocidad de fase siempre es igual o mayor a la velocidad de grupo y el
producto de ambas es igual al cuadrado de la velocidad de propagación en el
espacio libre.
La velocidad de fase puede
ser mayor que la velocidad de la luz. Un principio básico de la física
establece que ninguna forma de energía puede viajar a mayor velocidad que la de
la luz en el espacio libre. Este principio no se viola, porque es la velocidad
de grupo y no la se fase la que representa la velocidad de propagación de la
energía.
Como la velocidad de fase en
una guía de onda es mayor que su velocidad en el espacio libre, la longitud de
onda para determinada frecuencia será mayor en la guía que en el espacio libre.
MODO DE PROPAGACIÓN
Las ondas electromagnéticas viajan a través
de las guías por medio de diversas configuraciones a las que llamamos nodos de
propagación.
Un modo es la manera en la
que la energía se puede propagar a lo largo de la guía de onda, cabe aclarar
que todos modos deben satisfacer ciertas condiciones de frontera para que se
puedan dar.
Los modos de propagación dependen de la longitud de onda, de la polarización y de las
dimensiones de la guía.
El modo
longitudinal de una guía de onda es un tipo particular de onda estacionaria formado por ondas confinadas en la cavidad.
Los modos
transversales se clasifican en tipos distintos:
·
Modo TE (Transversal eléctrico), la componente del campo eléctrico en
la dirección de propagación es nula.
·
Modo TM (Transversal magnético), la componente del campo magnético en
la dirección de propagación es nula.
·
Modo TEM (Transversal electromagnético), la componente tanto del campo
eléctrico como del magnético en la dirección de propagación es nula.
·
Modo híbrido, son los que sí tienen componente en la dirección de
propagación tanto en el campo eléctrico como en el magnético.
En guías de onda rectangulares el modo
fundamental es el TE1,0 y en guías de onda circulares es el TE1,1.
FRECUENCIA DE CORTE
La frecuencia de corte de
una guía de ondas
electromagnéticas es la frecuencia más baja para que un modo
se propagan en la misma. Las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte
no serán propagadas por la guía de onda. In fiber optics , it is more common to consider the cutoff
wavelength , the maximum wavelength that will propagate in an optical fiber or waveguide .
En la fibra óptica, es
más común tener en cuenta la longitud de onda de corte (es la
longitud de onda mínima que puede propagarse en una guía de onda) que
se propaga en una fibra óptica o guía de ondas . The cutoff frequency is
found with the characteristic equation of the Helmholtz equation for electromagnetic
waves, which is derived from the electromagnetic
wave equation
by setting the longitudinal wave number equal to zero and solving
for the frequency.
La frecuencia de corte se
encuentra con la ecuación característica de
la ecuación de Helmholtz
para las ondas electromagnéticas, que se deriva de la ecuación de onda
electromagnética.Thus, any
exciting frequency lower than the cutoff frequency will attenuate, rather than
propagate. Por lo tanto, cualquier frecuencia de excitación más baja que
la frecuencia de corte se atenúa, en vez de propagar.
La frecuencia y la longitud de onda de corte se
determinan por las dimensiones de sección transversal de la guía de onda.
La
frecuencia de corte de los modos TEM (transversal electromagnéticos) es cero.
Los
modos TE y TM que aparecen en guías de ondas (formadas por dieléctrico
homogéneo lineal e isótropo y conductores perfectos) tienen frecuencias de
corte no nulas que dependen no sólo de las características del dieléctrico por
el que se propaga la energía, sino de la geometría de la guía de ondas que
soporta el modo.
Onda guiada entre planos conductores paralelos
El análisis de un sistema de transmisión integrado por dos placas paralelas es el más sencillo dentro del grupo de las guías de onda y, además, ofrece una buena visualización introductoria sobre los efectos de propagación dentro de una guía.
Consideremos inicialmente una onda plana que viaja en dirección z y dos placas paralelas perfectamente conductoras orientadas como se muestra en la figura siguiente:
Como las dos placas son perpendiculares al campo eléctrico incidente de la onda plana, no afectan en absoluto su distribución, ya que debe cumplirse la condición de frontera de que el campo eléctrico tangencial en las superficies conductoras sea igual a cero. Es decir, el campo eléctrico solo puede ser normal a las placas, dirección que coincide con el campo eléctrico de la onda plana incidente.
Dicho de otra manera,
la onda que se propaga entre las dos placas también es TEM, y la distribución
de los campos es igual a la de la onda plana original, como si las placas no
existieran. Una porción de la onda plana es "atrapada" en el interior
de las placas, y se sigue propagando a lo largo de la dirección z con las
mismas características que las de una onda plana. Por lo tanto las dos placas
paralelas forman una guía de ondas.
El modo TEM de
propagación dentro de las dos placas es el modo fundamental de trasmisión de la
guía y existe para toda frecuencia de operación.
Sin embargo, conforme la frecuencia de trabajo se
incrementa más y más, dejando fija la separación entra las placas, irán
apareciendo otras configuraciones o distribuciones de los campos dentro de la
guía, llamadas modos TE y TM. Estos modos tendrán longitudes de onda y
constantes de propagación diferentes a las de una onda plana.
Atenuación
La
Atenuación es la disminución del nivel de una señal cuando pasa a través de un
elemento de un circuito, o bien se define como la diferencia entre la potencia
transmitida y la potencia recibida, debido a la pérdida en los medios de transmisión. Se mide en Decibles o porcentajes. Por lo general,
la atenuación depende de la frecuencia, eso es la cantidad de atenuación varía
en función de la frecuencia.
Las
pérdidas en una guía de paredes conductoras se deben a dos causas: al hecho de
que el dieléctrico interior no es perfecto, y a que el conductor tiene una
conductividad finita.
Por
ejemplo, la luz solar es atenuada por gafas oscuras, los rayos X son atenuadas
por el plomo, y la luz y el sonido son atenuadas por el agua.
Modo dominante. Potencia transmitida por cada modo.
El modo con la frecuencia de
corte más baja se denomina el modo
dominante de la guía. Es habitual para seleccionar el tamaño de la guía de
tal manera que sólo este modo uno puede existir en la banda de frecuencias de
operación. In rectangular and circular (hollow
pipe) waveguides, the dominant modes are designated the TE 1,0 mode
and TE 1,1 modes respectively.
En rectangulares y
circulares (tubo hueco) guías de onda, los modos dominantes se designan el modo
TE 1,0 y 1,1 TE modos, respectivamente.
Los modos
pueden separarse en dos grupos generales:
Transversal
Magnético (TM ) donde el campo magnético es siempre transversal a
la dirección de propagación, pero existe un componente del campo eléctrico en
la dirección de propagación.
Transversal
Eléctrico (TE) en el que el campo eléctrico es siempre
transversal, pero existe un componente del campo magnético en la dirección de
propagación.
El modo de
propagación se identifica por dos letras seguido por dos subíndices numéricos.
Por ejemplo
el TE 10, TM 11, etc.
El número de
modos posibles se incrementa con la frecuencia para un tamaño dado de guía, y
existe un modo, llamado modo dominante, que es el único que se puede transmitir
a la frecuencia más baja que soporta la guía de onda.
En una guía
rectangular, la dimensión crítica es la X. Esta dimensión debe ser mayor que
0.5 a la frecuencia más baja que va a ser transmitida. En la práctica,
generalmente la dimensión Y es igual a 0.5 X para evitar la posibilidad de que
se opere en otro modo que no sea el modo dominante.
La dimensión
de la longitud de onda para las guías rectangulares y circulares se presenta en
la siguiente tabla, donde X es el ancho de la guía rectangular y r es el radio
de la guía circular. Todos los valores se refieren al modo dominante.
Tipo de guía
|
Rectangular
|
Circular
|
Longitud
de onda de corte
|
2X
|
3,41r
|
Longitud
de onda máxima transmitida con poca atenuación
|
1,6X
|
3,2r
|
Longitud
de onda mínima antes de que se transmita el modo siguiente
|
1,1X
|
2,8r
|
Reflexión de una onda electromagnética
La reflexión de las ondas
electromagnéticas ocurre cuando una onda incidente choca con una barrera
existente (un objeto) y parte de la potencia incidente no penetra el mismo. Las
ondas que no penetran el objeto se reflejan. Debido a que todas las ondas
reflejadas permanecen en el mismo medio que las ondas incidentes, sus
velocidades son iguales y por lo tanto el ángulo de reflexión es igual al
ángulo de incidencia.
Este fenómeno depende de las
propiedades de la señal y de las propiedades físicas del
objeto.
Las propiedades de la señal son el
ángulo incidente de llegada al objeto, la orientación y la longitud de onda
(λ).
Las propiedades físicas del objeto en cambio son la geometría de la superficie, la textura y el material del que esté compuesto.
Una reja densa de metal actúa de igual forma que una superficie sólida, siempre que la
distancia entre las barras sea pequeña en comparación con la longitud de onda λ. A modo de ejemplo, para la frecuencia de 2,4 GHz (λ = 12,5 cm), una rejilla metálica con separación de 1cm entre sus
elementos va a actuar igual que una placa de metal solida.
