Presentacion 5 - Guias de Onda

INSTITUTO ESPECIALIZADO DE

ESTUDIOS SUPERIORES LOYOLA

(IEESL).

Antenas y Alimentadores.

Mayo-Agosto 2014

GUÍAS DE ONDA.INTRODUCCIÓN.

Rango de frecuencias Microondas del espectro

radioeléctrico va de 300Mhz y 300Ghz.

Las longitudes de ondas para las microondas

andan por el orden de los centímetros y hasta

1mm.

A estas longitudes de ondas las antenas básicas

de hilo como el dipolo, no son las únicas

estructuras de radiación eficientes que existen.

Las líneas de transmisión convencionales

presentan una variedad de perdidas que

incrementan con la frecuencia, haciéndolas

imprácticas a frecuencias por encima de los 5Ghz.


A frecuencias del rango de las microondas

dispositivos como guías de ondas, bocinas y otros

componentes que parecieran artículos de

plomería, dominan el diseño de antenas.


Las líneas de transmisión convencionales exhiben 3 tipos de perdidas principalmente:

Perdida Óhmica: resultado del efecto pelicular (efecto kelvin, efecto piel), que incrementa la resistencia del conductor con el incremento de la frecuencia.

Perdida Dieléctrica: causada por el campo eléctrico actuando en las moléculas de los aislantes, causando así calentamiento por la agitación de las moléculas del conductor.

Perdidas por Radiación: pueden resultar de un apantallamiento inadecuado (en cables coaxiales) o por cancelación de RF incompleta en los conductores producto de una distancia entre conductores muy grande.


Estas perdidas son proporcionales a la

frecuencia y la longitud de la línea de

transmisión. Limitan la potencia máxima

aplicada al final de la línea de transmisión y la

máxima frecuencia para una línea de una

longitud dada.

Para sortear estos problemas se usan las guías de

ondas.

De forma simplista se podría decir que; las guías

de ondas son a las ondas de radio lo que son las

fibras ópticas a las ondas de luz.


A diferencia de una fibra óptica con paredes

reflectantes, las guías de ondas son, mas bien,

conductores eléctricos, típicamente de aluminio,

cobre o latón.

A fin de reducir las perdidas óhmicas, algunas

guías de ondas están galvanizadas con oro o

plata, estos metales tienen resistencias muy

bajas.

Las guías de ondas son tubos huecos de metal

cuya sección transversal puede ser circular o

rectangular.


Guías de ondas rectangulares:

Son aquellas cuya sección transversal es rectangular, son las que mas se usan.

Guía de ondas circular:

Se usan en aplicaciones de radar y en microondas cuando es necesario o hay ventajas en propagar ondas polarizadas vertical y horizontalmente por la misma guía.

Son mas fáciles de fabricar que las rectangulares y mas fáciles de empalmar.

Como desventajas sobre las rectangulares es que el plano de polarización puede girar mientras la onda se propaga, es decir, una onda polarizada horizontalmente se puede transformar en una polarizada verticalmente y viceversa.

Otra desventaja de las circulares es que tienen un área mucho mayor que una rectangular correspondiente.


En las guía de ondas rectangulares se acostumbra a representar con aa la mayor de la dos dimensiones.

La dimensión a determina la frecuencia de corte de la guía de ondas, de acuerdo a la relación.

𝑓𝑐 =𝑐

2𝑎


Frecuencia de corte.

A diferencia de las líneas de transmisión, que tienen

una frecuencia máxima de operación, la guías de

onda tienen una frecuencia mínima de operación que

se llama frecuencia de corte.

Es una frecuencia limitadora única; las frecuencias

inferiores a la de corte no se propagaran por la guía

de onda.

GUÍAS DE ONDA.ANALOGÍA DEL MODO DE OPERACIÓN.

Una forma de desarrollar la teoría de las guías de onda es desde la teoría elemental de una línea de transmisión de hilos paralelos.

Un stub λ/4 fungecomo un aislante que puede ser usado para soportar físicamente la línea de transmisión.

GUÍAS DE ONDA.ANALOGÍA DEL MODO DE OPERACIÓN.

La guía de onda actúa

como filtro pasa alto.

La frecuencia mínima

de corte viene

determinada por las

dimensiones de la

guía.

GUÍAS DE ONDA.MODO DE PROPAGACIÓN EN GUÍAS DE ONDA.

El modo transversal de un frente de onda electromagnética es el perfil del campo electromagnético en un plano perpendicular (transversal) a la dirección de propagación del rayo. Modos transversales ocurren en las ondas de radio y microondas confinadas en una guía de ondas, como también la luz confinada en una fibra óptica y en el resonador óptico de un láser.

En una línea de transmisión convencional la onda electromagnética se propagara en Modo Transversal Electromagnético (TEM).

En una guía de onda, la señal NO se propagara en modo TEM debido a que aplican diferentes limitaciones, llamadas condiciones de fronteras.

A pesar de que en una guía de onda la onda se propaga a través del aire (o gas), de manera similar al espacio libre, el fenómeno esta limitado por las paredes de la guía de onda.

Los modos transversales son clasificados de la siguiente manera:

Modos TE (Transversal Eléctrico) no existe ninguna componente del campo eléctrico en la dirección de propagación.

Modos TM (Transversal Magnético) no existe ninguna componente del campo magnético en la dirección de propagación.

Modos TEM (Transversal Electromagnético) no existe ninguna componente del campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación.

Modos Híbridos son aquellos donde hay componentes del campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación


Una forma abreviada de describir los distintos modos de propagación es usando la siguiente notación:

El modo 𝑇𝐸10 es llamado “Modo dominante” y es el mejor modo para baja atenuación en la propagación en el eje Z.

𝑇𝐸10 indica que hay una λ/2 en la dimensión a y cero λ/2 en la dimension b. El modo dominante existe a la mas baja frecuencia que es λ/2.


Existen 3 velocidades a considerar respecto a las

guías de onda:

Velocidad en espacio libre C.

Velocidad de grupo Vg.

Velocidad de fase Vp.

Velocidad en espacio libre C, es la velocidad de

propagación de la onda en espacio libre,

3x108𝑚/𝑠.

GUÍAS DE ONDA.VELOCIDAD Y LONG. DE ONDA EN GUÍAS DE ONDA.


Velocidad de grupo:

es la velocidad en

línea recta de

propagación de la

onda.

Relacion entre C y Vg.

Velocidad de fase:

es la velocidad de

propagación de la

mancha en la pared de

la guía de onda, donde

la onda toca (ej. Punto

B en la figura).



En la primera animación el punto rojo representa la velocidad de fase mientras que los verdes representan la velocidad de grupo.

En la segunda animación la velocidad de grupo (+) aparenta estar en dirección opuesta a la velocidad de fase (-).


Ecuaciones anteriores se

reescriben:

Velocidad de Fase y

longitud de onda en guía de

onda.


Una señal microondas a 5.6Ghz se propaga en una guía de

onda. Asumiendo que el ángulo de incidencia a la superficie

de la guía es de 42 grados. Calcule la velocidad de fase,

longitud de onda en espacio libre y la longitud de onda en

la guía de onda.

Basado en el sistema de notación TEM se puede

definir la siguiente ecuación general.

Evaluando esta ecuación para el modo de

propagación dominante en guías de ondas 𝑇𝐸10vemos que nos queda:

GUÍAS DE ONDA.FRECUENCIA DE CORTE.

Ejemplo: una guía de onda rectangular tiene

dimensiones de 3x5cm. Calcule la frecuencia de

corte para el modo 𝑇𝐸10.

GUÍAS DE ONDA.FRECUENCIA DE CORTE.

Las Guías de Onda tienen una impedancia característica que es análoga a la de las líneas de transmisión de hilos paralelos, y se relaciona en forma estrecha con la impedancia característica del espacio libre.

La impedancia en Guías de Onda tiene el mismo significado que la de una línea de transmisión, con respecto a balanceo de carga, reflexiones de señal y ondas estacionarias.

La impedancia de una Guía de Onda es una función de la impedancia característica de la guía (que es igual a la del dieléctrico) y la longitud de onda de la guía de onda:

o

λg, longitud de onda en guía de onda.

λo, longitud de onda en espacio libre.

GUÍAS DE ONDA.IMPEDANCIA

GUÍAS DE ONDA.TERMINACIONES

GUÍAS DE ONDA.UNIONES Y CURVAS.

GUÍAS DE ONDAS.

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