INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

INGENIERA EN COMUNICACIONES Y ELECTRNICA

NOMBRE DEL ALUMNO: DANIEL MADRID MARTNEZGRUPO: 4CM14

UNIDAD DE APRENDIZAJE: ONDAS ELECTROMAGNTICAS GUIADAS

PROFESOR: ANDRS RAMREZ MORALES

TRABAJO DE INVESTIGACIN GUAS DE ONDAFECHA DE ENTREGA: 08-SEP-2014

GUA DE ONDA

Enelectromagnetismoy entelecomunicacin, unagua de ondaes cualquier estructura fsica que guaondas electromagnticas.

HISTORIA

La primera gua de onda fue propuesta porJoseph John Thomsonen1893y experimentalmente verificada por O. J. Lodge en1894. El anlisis matemtico de los modos de propagacin de un cilindro metlico hueco fue realizado por primera vez porLord Rayleighen1897.

INTRODUCCIN

Algunos sistemas detelecomunicacionesutilizan lapropagacin de ondasen el espacio libre, sin embargo tambin se puede transmitirinformacinmediante el confinamiento de las ondas en cables o guas. Enaltas frecuenciaslaslneas de transmisiny loscables coaxialespresentanatenuacionesmuy elevadas por lo que impiden que la transmisin de lainformacinsea la adecuada, son imprcticos para aplicaciones en HF(alta frecuencia) o de bajo consumo de potencia, especialmente en el caso de lassealescuyaslongitudes de ondason del orden de centmetros, esto es,microondas.La transmisin de seales porguas de ondareduce la disipacin de energa, es por ello que se utilizan en lasfrecuenciasdenominadas demicroondascon el mismo propsito que laslneas de transmisinenfrecuenciasms bajas, ya que se presentan pocaatenuacinpara el manejo de seales de alta frecuencia.Este nombre, se utiliza para designar los tubos de un material de seccinrectangular,circularoelptica, en los cuales laenerga electromagnticaha de ser conducida principalmente a lo largo de la gua y limitada en sus fronteras. Las paredes conductoras del tubo confinan la onda al interior por reflexin, debido a laley de Snellen la superficie, donde el tubo puede estar vaco o relleno con undielctrico. Eldielctricole da soporte mecnico al tubo (las paredes pueden ser delgadas), pero reduce lavelocidad de propagacin.En las guas, loscampos elctricosy loscampos magnticosestn confinados en el espacio que se encuentra en su interior, de este modo no hay prdidas de potencia por radiacin y las prdidas en eldielctricoson muy bajas debido a que suele ser aire. Este sistema evita que existaninterferenciasen el campo por otros objetos, al contrario de lo que ocurra en lossistemas de transmisinabiertos.

PRINCIPIOS DE OPERACIN

Dependiendo de la frecuencia, se pueden construir con materialesconductoresodielctricos. Generalmente, cuanto ms baja es la frecuencia, mayor es la gua de onda. Por ejemplo, el espacio entre la superficie terrestre y laionosfera, laatmsfera, acta como una gua de onda. Las dimensiones limitadas de la Tierra provocan que esta gua de onda acte comocavidad resonantepara lasondas electromagnticasen la bandaELF. (vaseResonancia Schumann).Las guas de onda tambin puede tener dimensiones de pocoscentmetros. Un ejemplo puede ser aquellas utilizadas por lossatlitesdeEHFy por losradares.

ANLISIS

Las guas de onda electromagnticas se analizan resolviendo lasecuaciones de Maxwell. Estas ecuaciones tienen soluciones mltiples, omodos, que son los autofunciones del sistema de ecuaciones. Cada modo es pues caracterizado por unautovalor, que corresponde a la velocidad de propagacin axial de la onda en la gua.Los modos de propagacin dependen de lalongitud de onda, de lapolarizaciny de las dimensiones de la gua. Elmodo longitudinalde una gua de onda es un tipo particular deonda estacionariaformado por ondas confinadas en la cavidad. Losmodos transversalesse clasifican en tipos distintos: Modo TE (Transversal elctrico), la componente del campo elctrico en la direccin de propagacin es nula. Modo TM (Transversal magntico), la componente del campo magntico en la direccin de propagacin es nula. Modo TEM (Transversal electromagntico), la componente tanto del campo elctrico como del magntico en la direccin de propagacin es nula. Modo hbrido, son los que s tienen componente en la direccin de propagacin tanto en el campo elctrico como en el magntico.En guas de onda rectangulares elmodo fundamentales el TE1,0y en guas de onda circulares es el TE1Elancho de bandade una gua de onda viene limitado por la aparicin de modos superiores. En una gua rectangular, sera el TE0,1. Para aumentar dicho ancho de banda se utilizan otros tipos de gua, como la llamada "Double Ridge", con seccin en forma de "H".

DESARROLLO MATEMTICO

Suponiendo una gua en la direccin z, siendo una onda monocromtica (nicoy constante) el campo que se propaga en el interior en la direccin de la gua ser de la forma:

Suponiendo que en el interior no hay cargas ni corrientes libres lasecuaciones de Maxwelltomarn la forma:

Y la ecuacin de ondas aplicando la definicin de los campos (el campo magntico tendra una forma anloga):

Definiendo:

se tiene que las ecuaciones toman la forma de laecuacin de Helmholtz:

Descomponiendo el campo en componente longitudinal y transversal:

se puede separar de la ecuacin de Helmholtz la componenete longitudinal obteniendo:

La funcinoque cumple unas ciertas condiciones de contorno impuestas por el tipo de gua se denomina potencial de Debye.Modos TE y TMSe tratar el caso de un modo TE, para el caso del modo TM tan solo hay que intercambiar en las expresiones el campo elctrico y magntico. En un modo TE se tiene que:

Tambin se tiene que:

de modo que:

El campo B longitudinal ser la solucin de laecuacin de Helmholtzy el campo transversal puede obtenerse a partir de la anterior expresin. Elcampo elctricovendr dado por lasecuaciones de Maxwell. Dependiendo de la naturaleza de la gua,o(cuyo desarrollo sera idntico) han de cumplir unas ciertas condiciones de contorno.

GUA CONDUCTORA

El sistema consiste en una regin que se extiende simtricamente a lo largo del eje z limitada por un material conductor de espesor despreciable (un ejemplo de esto sera un cilindro hueco cuyos radios interior y exterior son prcticamente iguales). Si el espesor del conductor es lo suficientemente pequeo y dado que la condicin de confinamiento impone que los campos en el exterior sean nulos, por las ecuaciones de Maxwell se tiene que:

siendoun vector unitario normal a la superficie de la gua. La continuidad del campo elctrico implicara que no existen prdidas por efecto Joule en el interior del conductor pero dado que tales condiciones son aproximaciones (dado que el espesor del conductor nunca ser nulo), si existe una corriente superficial que produce tales prdidas. Al margen de lo anterior, la corriente producida es lo suficientemente pequea como para no invalidar el desarrollo empleado.

APLICACIONES

Las guas de onda son muy adecuadas para transmitir seales debido a su bajas prdidas. Por ello, se usan en microondas, a pesar de su ancho de banda limitado y volumen, mayor que el de lneas impresas ocoaxialespara la misma frecuencia.Tambin se realizan distintos dispositivos en guas de onda, como acopladores direccionales, filtros, circuladores y otros.Actualmente, son especialmente importantes, y lo sern ms en el futuro, las guas de onda dielctricas trabajando a frecuencias de la luz visible e infrarroja, habitualmente llamadasfibra ptica, tiles para transportar informacin de banda ancha, sustituyendo a los cables coaxiales y enlaces de microondas en las redes telefnicas y, en general, las redes de datos.

TIPOS DE GUAS DE ONDA

Existen muchos tipos de guas de onda, presentndoles aqu las ms importantes: Gua de onda rectangular(circular,elptica): Son aquellas cuya seccin transversal es rectangular (circular,elptica). Gua de onda de haz:Gua de Ondaconstituida por una sucesin de lentes o espejos, capaz de guiar unaonda electromagntica. Gua de onda tabicada: Formada por dos cilindros metlicos coaxiales unidos en toda su longitud por un tabique radial metlico. Gua de onda acanalada, guiada en V; guiada en H: Gua de onda rectangularque incluye resaltes conductores interiores a lo largo de una de cada una de las paredes de mayor dimensin. Gua de onda carga peridicamente:Gua de ondaen las que lapropagacinviene determinada por las variaciones regularmente espaciadas de las propiedades del medio, de las dimensiones del medio o de las superficie de contorno. Gua de onda dielctrica: Formada ntegramente por uno o varios materialesdielctricos, sin ninguna pared conductora.

GUA DE ONDA ACSTICAS

Unagua de onda acsticaes una estructura fsica para el guiado de ondas de sonido. Un ducto para la propagacin snica tambin se comporta como unalnea de transmisin. El ducto contiene algn medio, como aire, para soportar la propagacin del sonido.SNTESIS DEL SONIDO

El uso delneas digitales de retardocomo elementos computacionales de simulacin depropagacin de ondasen tubos deInstrumento de vientoy encuerdas vibrantesde instrumentos de cuerdas.Referencias bibliogrficas: http://es.wikipedia.org/wiki/Guia_de_onda Fecha de consulta: 06- Sep-2014 Elementos de Electromagnetismo Matthew N. O. Sadiku