14.8: Guías de onda

Una guía de ondas es una forma especial de línea de transmisión que consiste en un tubo hueco de metal. La pared del tubo proporciona inductancia distribuida, mientras que el espacio vacío entre las paredes del tubo proporciona capacitancia distribuida: Figura abajo

Las guías de onda conducen la energía de microondas con menor pérdida que los cables coaxiales.

Las guías de onda son prácticas solo para señales de frecuencia extremadamente alta, donde la longitud de onda se acerca a las dimensiones de la sección transversal de la guía de ondas. Por debajo de tales frecuencias, las guías de onda son inútiles como líneas de transmisión eléctrica.

Sin embargo, cuando funcionan como líneas de transmisión, las guías de onda son considerablemente más simples que los cables de dos conductores, especialmente los cables coaxiales, en su fabricación y mantenimiento. Con un solo conductor (la “carcasa” de la guía de ondas), no hay preocupaciones con la separación adecuada entre conductores, ni de la consistencia del material dieléctrico, ya que el único dieléctrico en una guía de ondas es el aire. La humedad tampoco es un problema tan grave en las guías de onda como lo es dentro de los cables coaxiales, por lo que las guías de onda a menudo se salvan de la necesidad de “llenado” de gas.

Las guías de onda pueden ser pensadas como conductos para la energía electromagnética, actuando la propia guía de ondas como nada más que un “director” de la energía más que como un conductor de señal en el sentido normal de la palabra. En cierto sentido, todas las líneas de transmisión funcionan como conductos de energía electromagnética al transportar pulsos u ondas de alta frecuencia, dirigiendo las olas a medida que las orillas de un río dirigen un maremoto. Sin embargo, debido a que las guías de onda son elementos de un solo conductor, la propagación de energía eléctrica por una guía de ondas es de una naturaleza muy diferente a la propagación de energía eléctrica por una línea de transmisión de dos conductores.

Todas las ondas electromagnéticas consisten en campos eléctricos y magnéticos que se propagan en la misma dirección de desplazamiento, pero perpendiculares entre sí. A lo largo de una línea de transmisión normal, tanto los campos eléctricos como los magnéticos son perpendiculares (transversales) a la dirección del recorrido de la onda. Esto se conoce como el modo principal, o modo TEM (T ransverse E lectric y M agnetic). Este modo de propagación de onda solo puede existir donde hay dos conductores, y es el modo dominante de propagación de onda donde las dimensiones transversales de la línea de transmisión son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la señal. (Figura abajo)

Propagación de línea de transmisión doble: modo TEM.

A frecuencias de señal de microondas (entre 100 MHz y 300 GHz), las líneas de transmisión de dos conductores de cualquier longitud sustancial que operan en modo TEM estándar se vuelven poco prácticas. Las líneas lo suficientemente pequeñas en dimensión transversal para mantener la propagación de la señal en modo TEM para las señales de microondas tienden a tener clasificaciones de bajo voltaje y sufren grandes pérdidas de potencia parásitas debido a la “piel” del conductor y los efectos dieléctricos. Afortunadamente, sin embargo, en estas longitudes de onda cortas existen otros modos de propagación que no son tan “con pérdidas”, si se usa un tubo conductor en lugar de dos conductores paralelos. Es en estas altas frecuencias que las guías de onda se vuelven prácticas.

Cuando una onda electromagnética se propaga por un tubo hueco, solo uno de los campos, ya sea eléctrico o magnético, será realmente transversal a la dirección de desplazamiento de la onda. El otro campo “bucle” longitudinalmente a la dirección de desplazamiento, pero aún así será perpendicular al otro campo. El campo que permanezca transversal a la dirección de desplazamiento determina si la onda se propaga en modo TE (T ransverse E lectric) o TM (T ransverse M agnetic). (Figura abajo)

Modos eléctricos transversales de guía de ondas (TE) y magnéticos transversales (TM).

Existen muchas variaciones de cada modo para una guía de ondas dada, y una discusión completa de esto está sujeto mucho más allá del alcance de este libro.

Las señales son típicamente introducidas y extraídas de guías de onda por medio de pequeños dispositivos de acoplamiento similares a antenas insertados en la guía de ondas. A veces estos elementos de acoplamiento toman la forma de un dipolo, que no es más que dos cables cortos de extremo abierto de longitud apropiada. Otras veces, el acoplador es un solo trozo (un semidedipolo, similar en principio a una antena “látigo”, 1/4λ de longitud física), o un bucle corto de cable terminado en la superficie interior de la guía de ondas: (Figura abajo)

Acoplamiento de Stub y Bucle a la guía de ondas.

En algunos casos, como una clase de dispositivos de tubo de vacío llamados tubos de salida inductivos (el llamado tubo klystron entra en esta categoría), una “cavidad” formada de material conductor puede interceptar la energía electromagnética de un haz modulado de electrones, sin tener contacto con el haz sí mismo: (Figura abajo)

Tubo de salida inductivo Klystron.

Así como las líneas de transmisión pueden funcionar como elementos resonantes en un circuito, especialmente cuando terminan por un cortocircuito o un circuito abierto, una guía de ondas sin salida también puede resonar a frecuencias particulares. Cuando se usa como tal, el dispositivo se llama resonador de cavidad. Los tubos de salida inductivos utilizan resonadores de cavidad toroidal para maximizar la eficiencia de transferencia de energía entre el haz de electrones y el cable de salida.

La frecuencia resonante de una cavidad puede ser alterada cambiando sus dimensiones físicas. Con este fin, se fabrican cavidades con placas móviles, tornillos y otros elementos mecánicos para afinación para proporcionar un ajuste de frecuencia resonante grueso.

Si una cavidad resonante se abre en un extremo, funciona como una antena unidireccional. La siguiente fotografía muestra una guía de ondas casera formada a partir de una lata, utilizada como antena para una señal de 2.4 GHz en una red de comunicación informática “802.11b”. El elemento de acoplamiento es un trozo de cuarto de onda: nada más que un trozo de alambre de cobre sólido de aproximadamente 1-1/4 pulgadas de longitud que se extiende desde el centro de un conector de cable coaxial que penetra en el lado de la lata: (Figura abajo)

CAN-Tenna ilustra el acoplamiento del trozo a la guía de ondas.

Al fondo se pueden ver algunas antenas más de lata de lata, una de ellas una lata de papas fritas “Pringles”. Aunque esta lata es de construcción de cartón (papel), su revestimiento interior metálico proporciona la conductividad necesaria para funcionar como guía de ondas. Algunas de las latas de fondo aún tienen sus tapas de plástico en su lugar. El plástico, al ser no conductor, no interfiere con la señal de RF, pero funciona como una barrera física para evitar que la lluvia, la nieve, el polvo y otros contaminantes físicos entren en la guía de ondas. Las antenas de guía de onda “reales” utilizan barreras similares para encerrar físicamente el tubo, pero permiten que la energía electromagnética pase sin obstáculos.

Revisar

• Las guías de onda son tubos metálicos que funcionan como “conductos” para transportar ondas electromagnéticas. Son prácticas solo para señales de frecuencia extremadamente alta, donde la longitud de onda de la señal se aproxima a las dimensiones de la sección transversal de la guía de ondas.
• La propagación de ondas a través de una guía de ondas puede clasificarse en dos categorías amplias: TE (Transverse Electric) o TM (Transverse Magnetic), dependiendo de qué campo (eléctrico o magnético) sea perpendicular (transversal) a la dirección del recorrido de la onda. El recorrido de onda a lo largo de una línea de transmisión estándar de dos conductores es del modo TEM (Transverse Electric and Magnetic), donde ambos campos están orientados perpendicularmente a la dirección de desplazamiento. El modo TEM solo es posible con dos conductores y no puede existir en una guía de ondas.
• Una guía de ondas de extremo muerto que sirve como elemento resonante en un circuito de microondas se llama resonador de cavidad.
• Un resonador de cavidad con un extremo abierto funciona como una antena unidireccional, enviando o recibiendo energía de RF a/desde la dirección del extremo abierto.