REFLEXIÓN DE UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA

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.

        

MODO DOMINANTE. POTENCIA TRANSMITIDA POR CADA MODO

 

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. 

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

ATENUACIÓN

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.

 

 

ONDAS GUIADAS ENTRE PLANOS CONDUCTORES PARALELOS

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 (1).

 

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.

Fig. 1

FRECUENCIA DE CORTE

 

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. 

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.

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.

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.

MODOS DE PROPAGACIÓN

MODO DE PROPAGACION

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.

VELOCIDAD DE FASE Y VELOCIDAD DE GRUPO

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.

GUÍA DE ONDA RECTANGULAR

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.

ONDA ESTACIONARIA

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 línea con una diferencia de fase de media longitud de onda.

Las ondas estacionarias permanecen confinadas en un espacio que puede ser: 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 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, solo 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).

Ejemplo de onda estacionaria:

 

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UNA GUÍA DE ONDA

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.

APLICACIONES

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.

EJEMPLOS DE GUIAS DE ONDA

EJEMPLOS DE GUIAS DE ONDA

GUIAS DE ONDA ELIPTICA

GUIAS DE ONDA

GUIA DE ONDA FLEXIBLE

TIPOS DE GUÍAS DE ONDAS

TIPOS DE GUIAS DE ONDAS

Existen muchos tipos de guías de onda, presentándoles aquí las más importantes:

• Guía de onda rectangular (circular, elíptica): Son aquellas cuya sección transversal es rectangular (circular, elíptica).

 

• 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.

GUÍAS DE ONDAS

Guías de ondas

La guía de onda es un medio de comunicación 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.
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.

¿Qué son Guías 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.

 

Ej: Guías de Onda Rectangulares