Guía de ondas (radiofrecuencia)

En ingeniería de radiofrecuencia y comunicaciones, la guía de ondas es un tubo metálico hueco que se utiliza para transportar ondas de radio. Este tipo de guía de ondas se utiliza como línea de transmisión principalmente en frecuencias de microondas, para fines tales como conectar transmisores y receptores de microondas a sus antenas, en equipos como hornos de microondas, equipos de radar, comunicaciones por satélite y enlaces de radio de microondas.

Se puede imaginar que las ondas electromagnéticas en una guía de ondas (de tubo metálico) viajan por la guía en zig-zag, reflejándose repetidamente entre las paredes opuestas de la guía. Para el caso particular de la guía de onda rectangular, es posible basar un análisis exacto en esta vista. La propagación en una guía de ondas dieléctrica se puede ver de la misma manera, con las ondas confinadas al dieléctrico por reflexión interna total en su superficie. Algunas estructuras, como las guías de ondas dieléctricas no radiativas y la línea de Goubau, utilizan paredes metálicas y superficies dieléctricas para confinar la onda.

Principio

Dependiendo de la frecuencia, las guías de ondas se pueden construir a partir de materiales conductores o dieléctricos. Generalmente, cuanto menor sea la frecuencia a pasar, mayor será la guía de ondas. Por ejemplo, la guía de ondas natural que forma la Tierra dada por las dimensiones entre la ionosfera conductora y el suelo, así como por la circunferencia a la altitud media de la Tierra, resuena a 7,83 Hz. Esto se conoce como resonancia Schumann. Por otro lado, las guías de ondas utilizadas en comunicaciones de frecuencia extremadamente alta (EHF) pueden tener menos de un milímetro de ancho.

Historia

Durante la década de 1890, los teóricos realizaron los primeros análisis de las ondas electromagnéticas en los conductos. Hacia 1893, J. J. Thomson derivó los modos electromagnéticos dentro de una cavidad metálica cilíndrica. En 1897 Lord Rayleigh hizo un análisis definitivo de las guías de ondas; resolvió el problema del valor límite de las ondas electromagnéticas que se propagan a través de tubos conductores y varillas dieléctricas de forma arbitraria. Demostró que las ondas podían viajar sin atenuación sólo en modos normales específicos, ya sea con el campo eléctrico (modos TE) o el campo magnético (modos TM), perpendicular a la dirección de propagación. También demostró que cada modo tenía una frecuencia de corte por debajo de la cual las ondas no se propagarían. Dado que la longitud de onda de corte para un tubo dado era del mismo orden que su ancho, estaba claro que un tubo conductor hueco no podía transportar longitudes de onda de radio mucho mayores que su diámetro. En 1902 R. H. Weber observó que las ondas electromagnéticas viajan a menor velocidad en los tubos que en el espacio libre, y dedujo la razón; que las ondas viajan en "zigzag" camino mientras se reflejan en las paredes.

Antes de la década de 1920, el trabajo práctico sobre ondas de radio se concentraba en el extremo de baja frecuencia del espectro radioeléctrico, ya que estas frecuencias eran mejores para las comunicaciones de largo alcance. Estas estaban muy por debajo de las frecuencias que podrían propagarse incluso en guías de ondas grandes, por lo que hubo poco trabajo experimental con guías de ondas durante este período, aunque se realizaron algunos experimentos. En una conferencia del 1 de junio de 1894, "El trabajo de Hertz", ante la Royal Society, Oliver Lodge demostró la transmisión de ondas de radio de 3 pulgadas desde una chispa a través de un corto conducto cilíndrico de cobre. En su investigación pionera sobre microondas entre 1894 y 1900, Jagadish Chandra Bose utilizó tramos cortos de tubería para conducir las ondas, por lo que algunas fuentes le atribuyen la invención de la guía de ondas. Sin embargo, después de esto, el concepto de ondas de radio transportadas por un tubo o conducto quedó fuera del conocimiento de la ingeniería.

Durante la década de 1920 se desarrollaron las primeras fuentes continuas de ondas de radio de alta frecuencia: el tubo de Barkhausen-Kurz, el primer oscilador que podía producir energía en frecuencias UHF; y el magnetrón de ánodo dividido que en la década de 1930 había generado ondas de radio de hasta 10 GHz. Estos hicieron posible la primera investigación sistemática sobre microondas en la década de 1930. Se descubrió que las líneas de transmisión utilizadas para transportar ondas de radio de baja frecuencia, líneas paralelas y cables coaxiales, tenían pérdidas de potencia excesivas en frecuencias de microondas, lo que creó la necesidad de un nuevo método de transmisión.

La guía de ondas fue desarrollada de forma independiente entre 1932 y 1936 por George C. Southworth en Bell Telephone Laboratories y Wilmer L. Barrow en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, quienes trabajaron sin conocimiento mutuo. El interés de Southworth surgió durante su trabajo doctoral de la década de 1920, en el que midió la constante dieléctrica del agua con una línea Lecher de radiofrecuencia en un largo tanque de agua. Descubrió que si eliminaba la línea Lecher, el tanque de agua todavía mostraba picos de resonancia, lo que indicaba que estaba actuando como una guía de ondas dieléctrica. En Bell Labs en 1931 reanudó su trabajo en guías de ondas dieléctricas. En marzo de 1932 observó ondas en tuberías de cobre llenas de agua. El trabajo anterior de Rayleigh había sido olvidado, y Sergei A. Schelkunoff, un matemático de los Laboratorios Bell, realizó análisis teóricos de guías de ondas y redescubrió modos de guías de ondas. En diciembre de 1933 se descubrió que con una funda metálica el dieléctrico es superfluo y la atención se centró en las guías de ondas metálicas.

Barrow se interesó por las altas frecuencias en 1930, estudiando con Arnold Sommerfeld en Alemania. En el MIT, a partir de 1932, trabajó en antenas de alta frecuencia para generar haces estrechos de ondas de radio para localizar aviones en la niebla. Inventó una antena de bocina y se le ocurrió la idea de utilizar un tubo hueco como línea de alimentación para alimentar ondas de radio a la antena. En marzo de 1936 había obtenido los modos de propagación y la frecuencia de corte en una guía de ondas rectangular. La fuente que estaba utilizando tenía una longitud de onda grande de 40 cm, por lo que para sus primeros experimentos exitosos con guías de ondas utilizó una sección de conducto de aire de 16 pies y 18 pulgadas de diámetro.

Barrow y Southworth se enteraron del trabajo del otro unas semanas antes de que ambos presentaran artículos sobre guías de ondas en una reunión combinada de la Sociedad Estadounidense de Física y el Instituto de Ingenieros de Radio en mayo de 1936. Trabajaron amistosamente celebrar acuerdos de reparto de créditos y división de patentes.

El desarrollo del radar centimétrico durante la Segunda Guerra Mundial y los primeros tubos de microondas de alta potencia, el klistrón (1938) y el magnetrón de cavidad (1940), dieron como resultado el primer uso generalizado de la guía de ondas. Guía de ondas estándar "plomería" Se fabricaron componentes, con bridas en el extremo que podían atornillarse entre sí. Después de la guerra, en las décadas de 1950 y 1960, las guías de ondas se volvieron comunes en los sistemas de microondas comerciales, como los radares de los aeropuertos y las redes de retransmisión de microondas que se construyeron para transmitir llamadas telefónicas y programas de televisión entre ciudades.

Descripción

En la región de las microondas del espectro electromagnético, una guía de ondas normalmente consiste en un conductor metálico hueco. Estas guías de ondas pueden estar realizadas en forma de conductores individuales con o sin revestimiento dieléctrico, p. la línea de Goubau y las guías de ondas helicoidales. Las guías de ondas huecas deben tener media longitud de onda o más de diámetro para soportar uno o más modos de onda transversal.

Las guías de ondas se pueden llenar con gas presurizado para inhibir la formación de arcos y evitar la multipactación, lo que permite una mayor transmisión de potencia. Por el contrario, puede ser necesario evacuar las guías de ondas como parte de sistemas evacuados (por ejemplo, sistemas de haces de electrones).

Una guía de ondas ranurada se utiliza generalmente para radar y otras aplicaciones similares. La guía de ondas sirve como camino de alimentación y cada ranura es un radiador independiente, formando así una antena. Esta estructura tiene la capacidad de generar un patrón de radiación para lanzar una onda electromagnética en una dirección específica relativamente estrecha y controlable.

Una guía de ondas cerrada es una guía de ondas electromagnética (a) que es tubular, generalmente con una sección transversal circular o rectangular, (b) que tiene paredes eléctricamente conductoras, (c) que puede ser hueca o lleno de un material dieléctrico, (d) que puede soportar una gran cantidad de modos de propagación discretos, aunque sólo unos pocos pueden ser prácticos, (e) en el que cada modo discreto define la constante de propagación para ese modo, (f) en el que el El campo en cualquier punto se puede describir en términos de los modos admitidos, (g) en el que no hay campo de radiación, y (h) en el que las discontinuidades y curvaturas pueden causar conversión de modo pero no radiación.

Las dimensiones de una guía de ondas metálica hueca determinan qué longitudes de onda puede soportar y en qué modos. Normalmente, la guía de ondas se opera de manera que sólo esté presente un único modo. Generalmente se selecciona el modo de orden más bajo posible. Las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte de la guía no se propagarán. Es posible operar guías de ondas en modos de orden superior o con múltiples modos presentes, pero esto generalmente no es práctico.

Las guías de ondas están hechas casi exclusivamente de metal y en su mayoría de estructuras rígidas. Existen ciertos tipos de materiales "corrugados" Guías de ondas que tienen la capacidad de flexionarse y doblarse, pero que solo se usan cuando es esencial, ya que degradan las propiedades de propagación. Debido a la propagación de energía principalmente en el aire o en el espacio dentro de la guía de ondas, es uno de los tipos de líneas de transmisión con pérdidas más bajas y muy preferido para aplicaciones de alta frecuencia donde la mayoría de los otros tipos de estructuras de transmisión introducen grandes pérdidas. Debido al efecto piel a altas frecuencias, la corriente eléctrica a lo largo de las paredes normalmente penetra sólo unos pocos micrómetros en el metal de la superficie interior. Dado que aquí es donde ocurre la mayor parte de la pérdida resistiva, es importante que la conductividad de la superficie interior se mantenga lo más alta posible. Por esta razón, la mayoría de las superficies interiores de las guías de ondas están recubiertas de cobre, plata u oro.

Se pueden tomar mediciones de la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) para garantizar que una guía de ondas sea contigua y no tenga fugas ni curvaturas pronunciadas. Si tales curvaturas u orificios en la superficie de la guía de ondas están presentes, esto puede disminuir el rendimiento tanto del equipo transmisor como del receptor conectado en cualquiera de los extremos. También puede producirse una mala transmisión a través de la guía de ondas como resultado de la acumulación de humedad que corroe y degrada la conductividad de las superficies internas, lo cual es crucial para una propagación de bajas pérdidas. Por esta razón, las guías de ondas están nominalmente equipadas con ventanas de microondas en el extremo exterior que no interferirán con la propagación pero mantendrán los elementos fuera. La humedad también puede provocar la acumulación de hongos o la formación de arcos en sistemas de alta potencia, como transmisores de radio o radar. La humedad en las guías de ondas normalmente se puede prevenir con gel de sílice, un desecante o una ligera presurización de las cavidades de las guías de ondas con nitrógeno seco o argón. Los botes desecantes de gel de sílice se pueden conectar con puntas atornilladas y los sistemas de mayor potencia tendrán tanques presurizados para mantener la presión, incluidos monitores de fugas. También se pueden producir arcos si hay un agujero, un desgarro o un golpe en las paredes conductoras, si se transmite a alta potencia (normalmente 200 vatios o más). La plomería de la guía de ondas es crucial para el rendimiento adecuado de la guía de ondas. Las ondas estacionarias de voltaje ocurren cuando los desajustes de impedancia en la guía de ondas hacen que la energía se refleje en la dirección opuesta de propagación. Además de limitar la transferencia efectiva de energía, estas reflexiones pueden provocar voltajes más altos en la guía de ondas y dañar el equipo.

Longitud corta de guía de onda rectangular (WG17 con conexión UBR120)

Sección de la guía de onda flexible

Waveguide (pieza de madera 900MHz)

En la práctica

En la práctica, las guías de onda actúan como el equivalente de cables para sistemas de alta frecuencia (SHF). Para tales aplicaciones, se desea operar guías de onda con sólo un modo propagando a través de la guía de onda. Con guías de onda rectangulares, es posible diseñar la guía de onda de tal manera que la banda de frecuencia sobre la que sólo un modo propaga es tan alta como 2:1 (es decir, la relación del borde superior de la banda a la orilla inferior es dos). La relación entre las dimensiones de la guía de onda y la frecuencia más baja es simple: si ${\displaystyle \scriptstyle W}$ es el mayor de sus dos dimensiones, entonces la longitud de onda más larga que se propaga es ${\displaystyle \lambda \;=\;2W}$ y la frecuencia más baja es así ${\displaystyle f\;=\;c/\lambda \;=\;c/2W}$

Con guías de ondas circulares, el ancho de banda más alto posible que permite que se propague un solo modo es solo 1,3601:1.

Debido a que las guías de ondas rectangulares tienen un ancho de banda mucho mayor sobre el cual solo se puede propagar un modo, existen estándares para guías de ondas rectangulares, pero no para guías de ondas circulares. En general (pero no siempre), las guías de ondas estándar están diseñadas de manera que

• una banda comienza donde termina otra banda, con otra banda que superpone las dos bandas
• el borde inferior de la banda es aproximadamente un 30% más alto que la frecuencia de corte de la guía de onda
• el borde superior de la banda es aproximadamente 5% inferior a la frecuencia de corte del siguiente modo de orden superior
• la altura de la guía de onda es la mitad del ancho de la guía de onda

La primera condición es permitir aplicaciones cerca de los bordes de la banda. La segunda condición limita la dispersión, fenómeno en el que la velocidad de propagación es función de la frecuencia. También limita la pérdida por unidad de longitud. La tercera condición es evitar el acoplamiento de ondas evanescentes a través de modos de orden superior. La cuarta condición es la que permite un ancho de banda de operación 2:1. Aunque es posible tener un ancho de banda operativo 2:1 cuando la altura es menor que la mitad del ancho, tener la altura exactamente la mitad del ancho maximiza la potencia que puede propagarse dentro de la guía de ondas antes de que se produzca una ruptura dieléctrica.

A continuación se muestra una tabla de guías de ondas estándar. El nombre de la guía de ondas WR significa guía de onda rectangular y el número es el ancho de la dimensión interior de la guía de ondas en centésimas de pulgada (0,01 pulgada = 0,254 mm) redondeado al más cercano. centésima de pulgada.

^* Comité de Normalización de Componentes de Radio

^† Por razones históricas el exterior en lugar de las dimensiones internas de estas guías de onda son 2:1 (con espesor de pared WG6–WG10: 0.08" (2.0 mm), WG11A–WG15: 0.064" (1.6 mm), WG16–WG17: 0.05" (1.3 mm), WG18–WG28: 0.04" (1.0 mm)

Para las frecuencias de la tabla anterior, la principal ventaja de las guías de ondas sobre los cables coaxiales es que las guías de ondas admiten la propagación con menores pérdidas. Para frecuencias más bajas, las dimensiones de la guía de ondas se vuelven imprácticamente grandes, y para frecuencias más altas, las dimensiones se vuelven imprácticamente pequeñas (la tolerancia de fabricación se convierte en una porción significativa del tamaño de la guía de ondas).

Análisis matemático

Las guías de ondas electromagnéticas se analizan resolviendo las ecuaciones de Maxwell, o su forma reducida, la ecuación de ondas electromagnéticas, con condiciones de contorno determinadas por las propiedades de los materiales y sus interfaces. Estas ecuaciones tienen múltiples soluciones, o modos, que son funciones propias del sistema de ecuaciones. Cada modo se caracteriza por una frecuencia de corte por debajo de la cual el modo no puede existir en la guía. Los modos de propagación de la guía de ondas dependen de la longitud de onda operativa y la polarización y de la forma y tamaño de la guía. El modo longitudinal de una guía de ondas es un patrón de onda estacionaria particular formado por ondas confinadas en la cavidad. Los modos transversales se clasifican en diferentes tipos:

• Los modos TE (electricidad transversal) no tienen campo eléctrico en la dirección de la propagación.
• Los modos TM (imán transversal) no tienen campo magnético en la dirección de la propagación.
• Los modos TEM (electmagnético transversal) no tienen campo eléctrico ni magnético en la dirección de la propagación.
• Los modos híbridos tienen componentes de campo eléctrico y magnético en la dirección de la propagación.

Las guías de onda con determinadas simetrías se pueden resolver mediante el método de separación de variables. Las guías de ondas rectangulares se pueden resolver en coordenadas rectangulares. Las guías de ondas redondas se pueden resolver en coordenadas cilíndricas.

En guías de ondas huecas de un solo conductor, las ondas TEM no son posibles. Esto contrasta con las líneas de transmisión de dos conductores utilizadas a frecuencias más bajas; cable coaxial, línea de cable paralelo y línea de corte, en los que el modo TEM es posible. Además, los modos de propagación (es decir, TE y TM) dentro de la guía de ondas se pueden expresar matemáticamente como la superposición de dos ondas TEM.

El modo con la frecuencia de corte más baja se denomina modo dominante de la guía. Es común elegir el tamaño de la guía de manera que sólo este modo pueda existir en la banda de frecuencia de operación. En las guías de ondas rectangulares y circulares (tubo hueco), los modos dominantes se denominan modo TE_1,0 y modos TE_1,1 respectivamente.

• 
  TE_1.1 modo de una guía de onda metálica hueca circular.

Guías de ondas dieléctricas

Una guía de ondas dieléctrica emplea una varilla dieléctrica sólida en lugar de un tubo hueco. Una fibra óptica es una guía dieléctrica diseñada para funcionar a frecuencias ópticas. Las líneas de transmisión como microstrip, guías de ondas coplanares, stripline o cables coaxiales también pueden considerarse guías de ondas.

Las guías de ondas de losa y varillas dieléctricas se utilizan para conducir ondas de radio, principalmente en frecuencias de ondas milimétricas y superiores. Estos confinan las ondas de radio por reflexión interna total del paso en el índice de refracción debido al cambio en la constante dieléctrica en la superficie del material. A frecuencias de ondas milimétricas y superiores, el metal no es un buen conductor, por lo que las guías de ondas metálicas pueden tener una atenuación cada vez mayor. En estas longitudes de onda, las guías de ondas dieléctricas pueden tener pérdidas menores que las guías de ondas metálicas. La fibra óptica es una forma de guía de ondas dieléctrica utilizada en longitudes de onda ópticas.

Una diferencia entre las guías de ondas dieléctricas y metálicas es que en una superficie metálica las ondas electromagnéticas están estrechamente confinadas; A altas frecuencias, los campos eléctricos y magnéticos penetran una distancia muy corta en el metal. Por el contrario, la superficie de la guía de ondas dieléctrica es una interfaz entre dos dieléctricos, por lo que los campos de la onda penetran fuera del dieléctrico en forma de una onda evanescente (que no se propaga).