CONCEPTOS BÁSICOS Intensidad de campo Eléctrico Es el único vector necesario al analizar la electroestática (Los defectos de cargas eléctricas estacionarias) en el espacio libre; se define como la fuerza el por unidad de carga que experimenta una carga de prueba estacionaria muy pequeña al colocarse en una región donde existe un campo eléctrico. Su unidad es V/m. Bajo la acción de un campo eléctrico las cargas que se encuentran en un conductor se ponen en movimiento a fin de equilibrar el campo eléctrico exterior. El campo eléctrico existe fuera de los materiales conductores y la dirección es normal a la superficie de éstos. Esto se debe a que el campo eléctrico se distribuye en forma radial a la carga en el espacio y su arquitectura se deforma en el medio externo según la distribución de cargas y conductores cercanos. Intensidad de campo Magnético Este vector es útil en el estudio de campos magnéticos en medios materiales. Los fenómenos relacionados con el campo magnético son menos ricos que los relacionados con el campo eléctrico. Esto se debe a que mientras existan cargas eléctricas aisladas no existen cargas magnéticas aisladas. Las líneas e campo magnético deben cerrarse sobre sí mismas. El campo magnético es producido por materiales ferromagnéticos que se encuentran en estado libre en la naturaleza o por corrientes de cargas eléctricas. La corriente eléctrica genera un campo magnético circular y concéntrico con el conductor y que interacciona con cada espira del solenoide. Campo Electromagnético (EM) En un campo electromagnético se describen los efectos que interesan para la propagación de ondas. Las ecuaciones de maxwell describen el campo electromagnético. En condiciones reales se requiere una carga exterior (no electromagnética) para mantener el campo EM. Esta es la base de la transformación de la energía eléctrica en electromagnética. Una onda electromagnética tiene dos componentes ortogonales: un campo eléctrico, y perpendicular a éste, un campo magnético. Estos dos campos pueden ambos ser considerados señales variando sinusoidalmente perpendicular a cada uno del otro, ambos normal a la dirección de propagación Atenuación. Su unidad es el neper por metro (Np/m). La atenuación en las guías de ondas o coaxial se produce si los campos electromagnéticos reciben reflexiones en grietas o ranuras o si la corriente sufre atenuación por resistencia del metal Longitud de la onda Es la distancia entre dos puntos de igual fase. en el vector eléctrico oscila verticalmente y por lo tanto es polarizado verticalmente. La polarización de la señal es determinada por el terminal del alimentador. la amplitud del vector podría oscilar desde un máximo positivo a través de cero a un máximo negativo. medido en hertz). o su equivalente y con carácter permanente de las partes metálicas no conductoras (mediante un elemento conductor de sección suficiente) las cuales pueden encontrarse por cualquier falla bajo tensión . ε0 es la permitividad del espacio libre (8. En este plano. el cual depende del medio en el cual la señal está viajando y puede ser expresada como: Donde. Si uno imagina una onda sinusoidal que viaja perpendicularmente a fuera de la página. Periodo de la onda El periodo de la onda es la longitud de tiempo antes que la onda se repita a sí misma y puede ser expresada como: Donde f es la frecuencia (el numero de ciclos en 1segundo.ε 0.854x F/m) y K es la permitividad relativa Polarización La polarización de la señal corresponde al plano del vector del campo eléctrico. v es la velocidad de propagación (m/s) y f es la frecuencia hertz) Velocidad de propagación La velocidad de propagación puede ser expresada como: Donde ε es llamado la permitividad y puede ser expresado como K. Si una señal es recibida con la polarización opuesta. esto hace que la señal sea atenuada debido a la polarización cruzada. Densidad de potencia Una onda electromagnética transporta energía que puede ser representada como una densidad de potencia Pd en Watt/ Aterramiento: Es la conexión eléctrica intencionada con la tierra. . la cual se encuentra en contacto directo con el electrodo por el que circula la corriente y cuya misión es forzar la derivación al terreno de las intensidades y en la cual entre dos puntos de la misma no hay diferencia observable de potencial.Desde el punto de vista de la Electrotécnica se llama tierra a la región de la superficie terrestre. se pueden construir con materiales conductores o dieléctricos. no pueden transportar la RF de esta forma. Las guías deben ser izadas utilizando poleas y winch. En la instalación hay que tener sumo cuidado en evitar torceduras que puedan causar degradación en la transmisión. mayor es la guía de onda. Una vez izadas se utiliza la malla de izamiento como soporte en la parte superior. La intensidad de los campos es máxima en el centro a lo largo de la dimensión X. La primera guía de onda fue propuesta por Joseph John Thompson en 1893 y experimentalmente verificada por O. Dependiendo de la frecuencia. Las características de una guía de onda se determinan por su forma. Generalmente. J. Lodge en 1894. FUNCIONAMIENTO DE LA GUIA DE ONDA El tubo actúa como un contenedor que confina las ondas en un espacio cerrado. el espacio entre la superficie terrestre y la ionosfera la atmósfera actúa como una guía de onda. cuanto más baja es la frecuencia. El análisis matemático de los modos de propagación de un cilindro metálico hueco fue realizado por primera vez por Lord Rayleigh en 1897. y debe disminuir a cero al llegar a las paredes. Las guías de onda también pueden tener dimensiones de pocos centímetros. El efecto de Faraday atrapa cualquier campo electromagnético fuera de la guía. Los campos electromagnéticos son propagados a través de la guía de onda por medio de reflexiones en sus paredes internas. Sus pérdidas son menores que las de líneas de tx en las frecuencias usadas (arriba de 3 GHz). Las guías de ondas. las guías deben asegurarse a . Por ejemplo. Las dimensiones limitadas de la Tierra provocan que esta guía de onda actúe como cavidad resonante para las ondas electromagnéticas en la banda ELF. que son consideradas perfectamente conductoras. y también son capaces de transportar mayores potencias que una línea coaxial de las mismas dimensiones. por supuesto.GUÍAS DE ONDAS Son estructuras que consisten de un solo conductor. porque la existencia de cualquier campo paralelo a las mismas en su superficie causaría una corriente infinita en un conductor perfecto. Supondremos que las ondas se propagan en la dirección +z con una constante de propagación γ= α + jβ que aún queda por determinar. si usamos una referencia coseno podemos escribir la expresión instantánea del campo E en coordenadas cartesianas como: Donde. El soporte se fija a la torre y la guía se asegura en su lugar de arriba hacia abajo. Se utiliza un soporte cada metro aproximadamente. se puede describir la dependencia de z y t de todas las componentes del campo mediante el factor exponencial Como ejemplo. De hecho. Para el caso de la dependencia armónica con el tiempo con frecuencia angular ω. En aéreas con mucha incidencia de rayos se aconseja un kit de aterramiento cada 30 mts aproximadamente. que tiene una sección transversal arbitraria y yace sobre el eje z. por medio de un kit de aterramiento en el tope y en la base de la torre y la entrada a la caseta. Consideremos una guía de ondas rectas constituida por un tubo metálico relleno con un dieléctrico. combinando las ecuaciones vectoriales homogéneas de Helmholtz y las coordenadas cartesianas para las guías de onda con sección transversal obtenemos las siguientes ecuaciones: . se puede eliminar el factor común . es un fasor vectorial bidimensional que solo depende de las coordenadas transversales. al usar una representación fasorial en las ecuaciones que relacionan las cantidades de campo podemos reemplazar las derivadas parciales con respecto a t y z por productos con (jω) y (-γ) respectivamente. como se ilustra en la siguiente figura Luego. Las guías de ondas deben conectarse a una buena tierra eléctrica.la torre con los kits de soportes. Examinaremos algunas de las características generales de las ondas que se propagan a lo largo de estructuras de guías rectas con sección transversal uniforme. Mayor capacidad en el manejo de potencia. La ecuación anterior se puede también expresar como: Ventajas de las Guías de Ondas Blindaje total. Se debe mantener sujeta a presurización para mantener las condiciones de uniformidad del medio interior. La longitud de onda de operación para cualquier modo está dada por: Donde: λ = longitud de onda en el espacio libre. eliminando pérdidas por radiación. pues solo se emplea un conductor. pues no hay aisladores dentro. λ c = longitud de onda para un modo particular de operación. . Considerando la dilatación y contracción con la temperatura. Las pérdidas por conductor son menores. Desventajas de las Guías de Ondas La instalación y la operación de un sistema de Guía de Ondas son más complejas. Por ejemplo: Los radios de curvatura deben ser mayores a una λ para evitar atenuación. se debe sujetar mediante soportes especiales. No hay pérdidas en el dieléctrico. Construcción más simple que un coaxial. εr = Constante dieléctrica relativa. Las guías de ondas rectangulares son una sección de tubo rectangular con lados a y b. Las Guías de Ondas Circulares minimizan las atenuaciones y es particularmente recomendado para tramos verticales largos. Tipos de Guías de Ondas Existen diversos tipos de Guías de Ondas. En cualquier caso. Dedicaremos unas breves líneas para explicar a profundidad algunas de estas guías de ondas. twists. Sus aplicaciones específicas. la cual se encuentra orientada a lo largo de eje y. se usa en lugares donde se requieren valores muy bajos de atenuación y pueden utilizarse en polarización simple o doble. hay una frecuencia mínima que puede ser transmitida. Las guías de onda circulares son recomendadas para sistemas donde la baja atenuación es crítica o donde se necesite capacidad multibanda. La caracterización de éste fenómeno en el interior de las guías viene de . GO rectangular. Es de fabricación más sencilla que la rectangular y sus conexiones son más fáciles de realizar. GO codo 90º. son en el uso de radares y microondas terrestres. Guías de Ondas Rectangular Se utilizan principalmente en sistemas de guías de ondas elípticas y circulares como conexión con la antena o con los equipos de radio. este tipo de guía presenta más área que la rectangular que opera en la misma frecuencia. Dicha proporcionalidad depende tanto de la forma de la guía como de la distribución de los campos (modos de transmisión) dentro de ella. Está formado por elementos como codos ventanas de presión. denominada frecuencia de corte del modo principal. como lo son las GO circular. etc. sin embargo. Cuentan con la ventaja que son fáciles de fabricar y presentan varias ventajas puesto que poseen un gran ancho de banda y presentan pocas perdidas. las cuales son muy importantes. Los fabricantes más reconocidos son ANDREW y FLEXWELL. GO Elíptica. Guías de Ondas Circular Las Guías de Ondas Circulares se utilizan en distancias cortas. Una sola guía de onda puede transportar dos polarizaciones con una aislación de 30dB. El tamaño mínimo de la guía para transmitir una cierta frecuencia es proporcional a la λ de esa frecuencia. GO canalada. GO torcida. GO dieléctrica. pues son útiles para propagar ondas polarizadas tanto horizontalmente como verticalmente en la misma guía. entre otros. Estas guías trabajan en base al fenómeno ondulatorio. GO de Haz. Los modos de propagaciones en una guía de onda rectangular son las soluciones a las ecuaciones de onda. Guías de Ondas Elípticas Las configuraciones clásicas de guía rígida rectangular y circular fueron suplantadas hace más de 20 años por guía de onda elíptica. Son Largas. El ensamblaje se realiza cortando la guía de onda a la longitud especifica y terminada con conectores. Una camisa especial retardante del fuego está disponible bajo demanda para estas guías de ondas. es la más recomendada para la mayoría de los sistemas de antenas en el rango de frecuencia entre 3. La guía de onda de cobre es cubierta con una camisa de polietileno negro para protección durante el transporte y la instalación.6 GHz. posee máxima fuerza y flexibilidad ya que su diseño corrugado consigue alta estabilidad transversal. flexibilidad y fuerza de aplastamiento para un superior manipulado y moldeado en la instalación. Este tipo de guía es la más usada para la alimentación de sistemas de antenas. Tiene grandes ventajas como lo son. resultan menos costosas y más fáciles de instalar comparadas con las guías rígidas. corrugado y formado en una forma elíptica aproximada. además tiene excelente rendimiento eléctrico . Tiene menos planificación y reducción de costes de instalación.la mano de la adecuada combinación de las famosas leyes de maxwell así como de las condiciones de frontera. está construida de tiras de cobre electrolítico puro que usa un proceso especial RFS de soldado. continuas y flexibles.4-23. Ondas transversales electromagnéticas (TEM). analicemos los distintos tipos de ondas mencionados. i. Ondas que contienen un distinta de cero pero Ahora. Son ondas que no contienen ni . de acuerdo con la existencia de i. Ondas que contienen una distinta de cero pero iii.Modos de Propagación Es conveniente clasificar en tres tipos las ondas que se propagan en una guía de ondas uniformes. Ondas transversales eléctricas (TE). podemos ver que las ecuaciones Y . Ondas transversales magnéticas (TM). Ondas Transversales Electromagnéticas Puesto que y en las ondas transversales electromagnéticas en una guía. ii. ii. cualquiera que sea su forma. En otras palabras las ondas transversales electromagnéticas únicamente existen cuando Ó Que es exactamente la misma expresión para la constante de propagación de una onda plana uniforme en un medio ilimitado por los parámetros constitutivos ε y μ. Además se establece que la velocidad de fase y la impedancia de la onda de las ondas TEM son independientes de la frecuencia de las ondas. Onda transversal magnética . Se puede obtener entonces la impedancia de la onda: Al sustituir se obtiene: La conclusión más importante que desprende de estas ecuaciones es que las ondas transversales electromagnéticas no pueden existir en una guía de ondas de un solo conductor hueco o relleno con un dieléctrico.Constituyen un conjunto de soluciones triviales a menos que el denominador tambien sea igual a cero. La velocidad de transmisión de una onda transversal electromagnética es: . para el caso en que se pueden definir en términos de la razón viene dado por: >1. . el término . donde a.. se observan dos intervalos distintos para los valores de la constante de propagación.Las ondas transversales magnéticas no tienen componente del campo magnético en la dirección de propagación. con como punto divisor se obtiene la relación entre el valor característico de h y la frecuencia de corte : [HZ] La frecuencia donde se denomina frecuencia de corte. El valor de para un modo especifico en una guía de ondas depende del valor característico. del modo. Es posible expresar la relación entre las componentes transversales de la intensidad de campo magnético eléctrico y la intensidad de campo en término de la impedancia de la onda para el modo transversal magnético como: Ahora sabiendo que: . es imaginario por lo tanto: . h. Los dos intervalos distintos de comparada con la unidad. que de hecho es una constante de atenuación. Entonces una guía de ondas exhibe la propiedad de un filtro pasa alto.para el caso en que <1. Es posible analizar el comportamiento de una onda TE resolviendo la ecuación: Hay que satisfacer las adecuadas condiciones en la frontera en las paredes de la guía. sólo las ondas con frecuencia superiores a la de corte del modo pueden propagarse en la guía. las soluciones son números reales. b. entonces . La impedancia viene dada por: Por consiguiente. la impedancia de la onda de los modos TM que se propagan en una guía de ondas con un dieléctrico sin perdidas es puramente resistiva y es siempre menor que la impedancia intrínseca del medio dieléctrico.. Y tomando que es la longitud de una onda plana de frecuencia f en un medio dieléctrico ilimitado. Para un modo determinado. Las componentes transversales del campo se determinan después sustituyendo Hz en las ecuaciones .El modo se propaga con constante de fase La longitud de onda correspondiente: . Onda transversal eléctrica Las ondas transversales eléctricas no tienen componente del campo eléctrico en la dirección de la propagación Ez=0. iii. >1.Y Las componentes transversales de la intensidad de campo eléctrico relacionadas con las de la intensidad de campo magnético están a través de la impedancia de onda. en este intervalo. Tenemos Se puede observar que hay dos intervalos para que dependan de si la frecuencia del modo es mayor o menor que la frecuencia de corte. La : Por consiguiente se tiene que: Esto indica que la impedancia de la onda de los modos transversales eléctrica que se propaga en una guía de ondas con un dieléctrico sin perdidas es puramente resistiva y siempre es mayor que la impedancia intrínseca del dieléctrico. expresión de es imaginaria se obtiene un modo que se propaga. . a. lo que indica que no hay flujo de potencia asociado para las ondas transversales en este caso. la impedancia de la onda viene dada por: Se puede observar que la impedancia es puramente reactiva. es real y se obtiene un modo que no se propaga.b.para el caso en que Dado que <1. .. por tanto: es real. Con relación a reflexiones de la señal. es de esperarse que una guía de onda tenga un valor aproximado a este. si la guía posee un dieléctrico del aire. sino nada mas ondas TE o TM. A continuación se muestra en la siguiente formula la comprobación de esta suposición: Donde Z0 es la impedancia característica. Las impedancias en guías de ondas se pueden clasificar en: Impedancia característica se refiere a la relación de los fasores de tensión y de corriente en una línea de transmisión infinita de dos conductores Impedancia intrínseca se refiere a la razón de campos fasoriales E y H para una onda plana (TEM) en un medio no limitado. Y existirá una región de corte y una de paso para un modo determinado. pero para modos de orden superior. debido a que no pueden guiar ondas TEM. la impedancia de onda es la misma impedancia intrínseca. Impedancia de onda de los modos TE y TM Las guías de ondas se comportan como filtros pasa-altas. es de suma importancia tener un . f es la frecuencia de operación y fc es la frecuencia de corte. es decir ondas electromagnéticas de baja frecuencia. por lo tanto. El valor de la impedancia del espacio libre es de 120π. Debido a que a partir de la frecuencia de corte la relación entre las magnitudes tanto del campo eléctrico como del magnético en la dirección de propagación no permanecen constantes puesto que dependen de la frecuencia. En general se denomina Z0 como la impedancia característica de la guía.Impedancia en Guías de Ondas Impedancia Característica La impedancia característica de la guía de onda es similar a la de una línea de transmisión de cable paralelo y la cual se encuentra estrechamente relacionada con la impedancia del espacio libre. acoplamiento de la carga y ondas estacionarias la impedancia característica de una guía de onda tiene el mismo significado que la de una línea de transmisión. Impedancia de onda se refiere a la relación de una componente del campo eléctrico a una del campo magnético en el mismo punto de la misma onda TEM. pero difiere en un aspecto puesto que la impedancia característica de una guía de onda es una función de la frecuencia. es la frecuencia de corte y es la frecuencia de operación Para los modos TE la impedancia de onda es la siguiente: A continuación se presenta la grafica de las ecuaciones anteriores para un modo cualquiera en función de la frecuencia. normalizada con relación a la impedancia intrínseca del medio. las curvas se acercan a un valor de η que sería la impedancia de una onda TEM en el mismo medio.conocimiento previo del comportamiento de la impedancia de onda en función de la frecuencia. Como se puede ver en la gráfica se observa que tanto la impedancia como son puramente resistivas y que conforme aumenta la frecuencia. En . y μ=4π. Donde es la velocidad de fase. Es la permeabilidad para una guía rellena de aire Para los modos TM la impedancia de onda es: Donde. La radiación se produce cuando las corrientes deben "dar la vuelta" de las ranuras para continuar en su dirección deseada. la forma de la guía de onda y frecuencia de la operación tendrá un papel importante. forma y orientación de las ranuras determinará que irradian. Sin embargo. (especialmente para grandes series) esto sería muy difícil de construir. cada ranura puede ser independiente alimentado con una fuente de tensión a través de la ranura. la guía de onda se utiliza como la línea de transmisión de alimentar a los elementos. considere una estrecha ranura en el centro de la guía de onda. Radiación de Guías de Ondas Geometría Básica de una guía de onda ranurada. Al igual que en el cavidad respaldado por la ranura antena. En cambio. Para entender lo que está pasando. Como ejemplo. . La posición. tendremos que entender los campos de la primera guía de onda. Además.lo único que difiere es que es mayor que la impedancia intrínseca del medio y es menor. como se muestra en la siguiente Figura. Por lo tanto. la componente x de la densidad de corriente es cero . En este caso. se irradia. como se muestra en la Figura. el poder que irradia la ranura se puede modificar desplazando las ranuras más cerca o más lejos de la orilla. Si esta ranura se desplaza fuera de la línea central. Si la ranura está orientada como se muestra en la siguiente Figura. la x-dirigido actual no será cero y tendrá que viajar alrededor de la ranura.Guía de onda con una ranura delgada centrada sobre su anchura. . Si las ranuras están desplazadas de la línea central. no hay corriente y por lo tanto ninguna radiación. la cantidad de energía que irradia se puede ajustar. Tenga en cuenta que la distancia desde el borde determinará la magnitud de la corriente. Esta ranura a continuación. en este lugar ( x = a/2 ). franjas horarias que no se puede colocar en el centro de la guía de onda. la componente z de la corriente no se verá afectada. Como resultado de ello. la radiación se producirá. el x-componente de la corriente será responsable de la radiación. la ranura perturba la componente z de la densidad de corriente. como se muestra en la primera Figura (Geometría Básica de una guía de onda ranurada). ya que la ranura es delgada y el z-actual no tendría que viajar por la ranura. Por lo tanto. Sin embargo.es decir. Como resultado. como se muestra en la próxima Figura.específicamente propuesta por . La componente x es perturbada. Si la ranura se hace girar en un ángulo sobre la línea central. pero las corrientes son magnitudes frente a ambos lados de la línea central y por lo tanto tiende a anular la radiación. Tenga en cuenta que la componente z de la corriente es aún responsable de la radiación en este caso.Ranura horizontal en una guía de onda. puede radiar. Girado la antena en una ranura de guía de onda. El poder que irradia será una función del ángulo Φ (phi) que se rota . . como acopladores direccionales.Aplicaciones: • Las guías de onda son adecuadas para transmitir señales debido a su baja pérdida. a pesar de su ancho de banda limitado y volumen. en general. • También se realizan distintos dispositivos en guías de onda. sustituyendo a los cables coaxiales y enlaces de microondas en las redes telefónicas y. útiles para transportar información de banda ancha. habitualmente llamadas fibra óptica. Por ello. se usan en microondas. mayor que el de líneas impresas o coaxiales para la misma frecuencia. . las redes de datos. circuladores y otros. filtros. • Las guías de onda dieléctricas trabajando a frecuencias de la luz visible e infrarroja.