Guía de ondas (radiofrecuencia)

En ingeniería de radiofrecuencia e ingeniería de comunicaciones , una guía de ondas es un tubo metálico hueco que se utiliza para transportar ondas de radio . ^{[ 1 ]} 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 tales como hornos de microondas , equipos de radar , comunicaciones por satélite y enlaces de radio de microondas.

La velocidad de grupo de las ondas electromagnéticas guiadas (OEM) es una fracción de la velocidad de la luz . ^{[ 2 ]} La propagación en una guía de ondas (de tubo metálico) puede imaginarse como una trayectoria en zigzag, donde la EM se refleja repetidamente entre las paredes opuestas de la guía. Para el caso particular de una guía de ondas rectangular , es posible basar un análisis exacto en esta visión. La propagación en una guía de ondas dieléctrica puede verse 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 tanto paredes metálicas como superficies dieléctricas para confinar la onda.

Según la frecuencia, las guías de onda pueden construirse con materiales conductores o dieléctricos . Generalmente, cuanto menor sea la frecuencia que se desea transmitir, mayor será el diámetro de la guía de onda. Por ejemplo, la guía de onda natural que forma la Tierra, determinada 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 onda utilizadas en comunicaciones de frecuencia extremadamente alta (EHF) pueden tener menos de un milímetro de ancho.

Durante la década de 1890, los teóricos realizaron los primeros análisis de ondas electromagnéticas en conductos. ^{[ 4 ]} Alrededor de 1893, JJ Thomson derivó los modos electromagnéticos dentro de una cavidad metálica cilíndrica. ^{[ 4 ]} En 1897, Lord Rayleigh realizó un análisis definitivo de guías de onda; resolvió el problema de valor límite de ondas electromagnéticas que se propagan a través de tubos conductores y varillas dieléctricas de forma arbitraria. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Demostró que las ondas podían viajar sin atenuación solo en modos normales específicos 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, era claro que un tubo conductor hueco no podía transportar longitudes de onda de radio mucho mayores que su diámetro. En 1902, RH Weber observó que las ondas electromagnéticas viajan a menor velocidad en tubos que en el espacio libre, y dedujo la razón: que las ondas viajan en una trayectoria en zigzag al reflejarse en las paredes. ^{[ 4 ] [ 6 ] [ 8 ]}

Antes de la década de 1920, el trabajo práctico sobre ondas de radio se concentró en el extremo de baja frecuencia del espectro radioeléctrico, ya que estas frecuencias eran mejores para la comunicación de largo alcance. ^{[ 4 ]} Estas frecuencias estaban muy por debajo de las que podían propagarse incluso en guías de onda grandes, por lo que hubo poco trabajo experimental sobre guías de onda 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 un descargador de chispa a través de un conducto cilíndrico corto de cobre. ^{[ 4 ] [ 9 ]} En su investigación pionera de 1894-1900 sobre microondas, 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 onda. ^{[ 10 ]} Sin embargo, después de esto, el concepto de ondas de radio transportadas por un tubo o conducto pasó a un segundo plano en el conocimiento de la ingeniería. ^{[ 4 ]}

Durante la década de 1920, se desarrollaron las primeras fuentes continuas de ondas de radio de alta frecuencia: el tubo de Barkhausen-Kurz , ^{[ 11 ]} el primer oscilador que podía producir potencia en frecuencias UHF ; y el magnetrón de ánodo dividido que, para la década de 1930, había generado ondas de radio de hasta 10  GHz. ^{[ 4 ]} Esto hizo 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 menor frecuencia, línea paralela y cable coaxial , tenían pérdidas de potencia excesivas en frecuencias de microondas, lo que creó la necesidad de un nuevo método de transmisión. ^{[ 4 ] [ 11 ]}

La guía de ondas fue desarrollada independientemente entre 1932 y 1936 por George C. Southworth en Bell Telephone Laboratories ^{[ 3 ]} y Wilmer L. Barrow en el Instituto Tecnológico de Massachusetts , quienes trabajaron sin saberlo el uno del otro. ^{[ 4 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 11 ]} El interés de Southworth se despertó 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 tanque largo de agua. Descubrió que si retiraba la línea Lecher, el tanque de agua aún mostraba picos de resonancia, lo que indicaba que estaba actuando como una guía de ondas dieléctrica . ^{[ 4 ]} En Bell Labs en 1931, reanudó el trabajo en guías de ondas dieléctricas. Para marzo de 1932, observó ondas en tuberías de cobre llenas de agua. El trabajo previo de Rayleigh había caído en el olvido, y Sergei A. Schelkunoff , matemático de Bell Labs, realizó análisis teóricos de guías de onda ^{[ 4 ] [ 12 ]} y redescubrió los modos de guía de onda. En diciembre de 1933 se comprendió que con una cubierta metálica el dieléctrico era superfluo y la atención se centró en las guías de onda metálicas.

Barrow se interesó en las altas frecuencias en 1930 mientras estudiaba con Arnold Sommerfeld en Alemania. ^{[ 4 ]} En el MIT, a partir de 1932, trabajó en antenas de alta frecuencia para generar haces estrechos de ondas de radio para localizar aeronaves en la niebla. Inventó una antena de bocina y se le ocurrió la idea de usar un tubo hueco como línea de alimentación para alimentar las ondas de radio a la antena. ^{[ 4 ]} Para marzo de 1936, había derivado los modos de propagación y la frecuencia de corte en una guía de ondas rectangular. ^{[ 11 ]} La fuente que estaba usando tenía una gran longitud de onda de 40  cm, por lo que para sus primeros experimentos exitosos con guías de ondas usó una sección de 16 pies de conducto de aire, 18 pulgadas de diámetro. ^{[ 4 ]}

Barrow y Southworth se enteraron del trabajo del otro unas semanas antes de que ambos tuvieran programado presentar trabajos sobre guías de onda en una reunión conjunta de la Sociedad Estadounidense de Física y el Instituto de Ingenieros de Radio en mayo de 1936. ^{[ 4 ] [ 11 ]} Acordaron amistosamente compartir el crédito y los acuerdos de 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 lugar al primer uso generalizado de las guías de onda. ^{[ 11 ]} Se fabricaron componentes estándar de guía de onda con forma de tuberías, con bridas en los extremos que podían atornillarse entre sí. En la década de 1960, las guías de onda se hicieron comunes en los sistemas comerciales de microondas, como los radares de aeropuertos y las redes de retransmisión de microondas construidas para transmitir llamadas telefónicas y programas de televisión entre ciudades.

En la región de microondas del espectro electromagnético , una guía de ondas normalmente consiste en un conductor metálico hueco. Estas guías de ondas pueden adoptar la forma de conductores simples con o sin recubrimiento dieléctrico, como por ejemplo las guías de ondas helicoidales y de línea de Goubau . Las guías de ondas huecas deben tener un diámetro de media longitud de onda o más para poder soportar uno o más modos de onda transversales.

Las guías de onda pueden llenarse con gas a presión para inhibir la formación de arcos eléctricos y evitar la multipacción , lo que permite una mayor transmisión de potencia. Por el contrario, en algunos sistemas al vacío (por ejemplo, sistemas de haz de electrones), puede ser necesario evacuar las guías de onda.

Generalmente, se utiliza una guía de ondas ranurada en radares y otras aplicaciones similares. La guía de ondas actúa como vía de alimentación, y cada ranura es un radiador independiente, formando así una antena. Esta estructura permite generar un patrón de radiación para dirigir 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 conductoras de electricidad, (c) que puede ser hueca o rellena con un material dieléctrico, (d) que puede soportar una gran cantidad de modos de propagación discretos, aunque solo unos pocos pueden ser prácticos, (e) en la que cada modo discreto define la constante de propagación para ese modo, (f) en la que el campo en cualquier punto se puede describir en términos de los modos soportados, (g) en la que no hay campo de radiación , y (h) en la que las discontinuidades y las curvas pueden causar conversión de modo pero no radiación.

Las dimensiones de una guía de ondas metálica hueca determinan las longitudes de onda que puede soportar y los modos en que opera. Normalmente, la guía de ondas funciona con un solo modo. Generalmente se selecciona el modo de orden más bajo posible. Las frecuencias inferiores a la frecuencia de corte de la guía no se propagan. Si bien es posible operar guías de ondas con modos de orden superior o con múltiples modos presentes, esto suele ser poco práctico.

Las guías de onda están hechas casi exclusivamente de metal y son estructuras mayormente rígidas. Existen ciertos tipos de guías de onda "corrugadas" que tienen la capacidad de flexionarse y doblarse, pero solo se usan donde es esencial, ya que degradan las propiedades de propagación. Debido a que la energía se propaga principalmente en el aire o el espacio dentro de la guía de onda, es uno de los tipos de línea de transmisión con menor pérdida y es muy preferido para aplicaciones de alta frecuencia donde la mayoría de los otros tipos de estructuras de transmisión introducen grandes pérdidas. Debido al efecto pelicular a altas frecuencias, la corriente eléctrica a lo largo de las paredes penetra típicamente solo unos pocos micrómetros en el metal de la superficie interior. Dado que es aquí 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 onda están chapadas con cobre , plata u oro .

Las mediciones de la relación de onda estacionaria de voltaje ( VSWR ) se pueden realizar para asegurar que una guía de ondas sea continua y no tenga fugas ni curvas pronunciadas. Si existen tales curvas u orificios en la superficie de la guía de ondas, esto puede disminuir el rendimiento tanto del equipo transmisor como del receptor conectados en cualquiera de los extremos. La transmisión deficiente a través de la guía de ondas también puede ocurrir como resultado de la acumulación de humedad, que corroe y degrada la conductividad de las superficies internas, lo cual es crucial para una propagación con bajas pérdidas. Por esta razón, las guías de ondas están equipadas nominalmente con ventanas de microondas en el extremo exterior que no interfieren con la propagación pero mantienen los elementos fuera. La humedad también puede causar la acumulación de hongos o arcos eléctricos en sistemas de alta potencia, como transmisores de radio o radar. La humedad en las guías de ondas generalmente se puede prevenir con gel de sílice , un desecante o una ligera presurización de las cavidades de la guía de ondas con nitrógeno o argón secos . Los recipientes de gel de sílice desecante pueden conectarse con boquillas roscadas y los sistemas de mayor potencia tendrán tanques presurizados para mantener la presión, incluyendo monitores de fugas. También puede producirse un arco eléctrico si hay un agujero, desgarro o protuberancia en las paredes conductoras, si se transmite a alta potencia (generalmente 200 vatios o más) . La tubería de la guía de ondas ^{[ 13 ]} es crucial para el correcto funcionamiento de la guía de ondas. Las ondas estacionarias de voltaje se producen cuando los desajustes de impedancia en la guía de ondas hacen que la energía se refleje en la dirección opuesta a la propagación. Además de limitar la transferencia efectiva de energía, estas reflexiones pueden causar voltajes más altos en la guía de ondas y dañar el equipo.

Tramo corto de guía de onda rectangular (WG17 con bridas de conexión UBR120 )

Sección de la guía de ondas flexible

Guía de ondas (pieza de tobillo de 900 MHz)

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

Con guías de onda circulares, el ancho de banda máximo posible que permite la propagación de un solo modo es de tan solo 1,3601:1. ^{[ 14 ]}

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

• una banda comienza donde termina otra banda, con otra banda que se superpone a las dos bandas ^{[ 15 ]}
• El borde inferior de la banda es aproximadamente un 25% más alto que la frecuencia de corte de la guía de ondas.
• El borde superior de la banda es aproximadamente un 5% inferior a la frecuencia de corte del siguiente modo de orden superior.
• La altura de la guía de ondas es la mitad del ancho de la guía de ondas.

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

A continuación se muestra una tabla de guías de onda estándar. La sigla WR significa guía de onda rectangular , y el número indica el ancho de la dimensión interna de la guía de onda en centésimas de pulgada (0,01  pulgadas = 0,254  mm), redondeado a la centésima de pulgada más cercana.

^* Comité de estandarización de componentes de radio

^** Las dimensiones internas de las guías de onda difieren ligeramente de las de las guías de onda WM y R correspondientes. ^{[ 16 ]}

^† Por razones históricas, las dimensiones exteriores de estas guías de onda, en lugar de las interiores, 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)) ^{[ 17 ]}

Para las frecuencias indicadas en la tabla anterior, la principal ventaja de las guías de onda sobre los cables coaxiales radica en que permiten una propagación con menores pérdidas. Para frecuencias bajas, las dimensiones de la guía de onda resultan excesivamente grandes, mientras que para frecuencias altas, resultan excesivamente pequeñas (la tolerancia de fabricación representa una parte significativa del tamaño de la guía de onda).

Las guías de onda electromagnéticas se analizan resolviendo las ecuaciones de Maxwell , o su forma reducida, la ecuación de onda electromagnética , con condiciones de contorno determinadas por las propiedades de los materiales y sus interfaces. Estas ecuaciones tienen múltiples soluciones, o modos, que son autofunciones 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 onda dependen de la longitud de onda y la polarización de operación , así como de la forma y el tamaño de la guía. El modo longitudinal de una guía de onda 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 (transversales eléctricos) no tienen campo eléctrico en la dirección de propagación.
• Los modos TM (transversales magnéticos) no tienen campo magnético en la dirección de propagación.
• Los modos TEM (electromagnéticos transversales) no tienen campo eléctrico ni magnético en la dirección de propagación.
• Los modos híbridos presentan componentes de campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación.

Las guías de onda con ciertas simetrías pueden resolverse utilizando el método de separación de variables . Las guías de onda rectangulares pueden resolverse en coordenadas rectangulares. ^{[ 18 ] : 143} Las guías de onda redondas pueden resolverse en coordenadas cilíndricas. ^{[ 18 ] : 198}

En guías de onda 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 hilo paralelo y línea de tira , en las que el modo TEM es posible. Además, los modos de propagación (es decir, TE y TM) dentro de la guía de onda pueden expresarse matemáticamente como la superposición de dos ondas TEM. ^{[ 19 ]}

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 modo que solo este modo pueda existir en la banda de frecuencia de operación. En las guías de onda rectangulares y circulares (de tubo hueco), los modos dominantes se designan como modo TE _1,0 y modo TE _1,1, respectivamente. ^{[ 20 ]}

• 
  Modo TE _1,1 de una guía de ondas metálica hueca circular.

Una guía de onda 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 la microcinta , la guía de onda coplanar , la línea de transmisión o el cable coaxial, también pueden considerarse guías de onda.

Las guías de onda dieléctricas en forma de varilla y placa se utilizan para conducir ondas de radio, principalmente en frecuencias de ondas milimétricas y superiores. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Estas confinan las ondas de radio por reflexión interna total debido al cambio en el índice de refracción causado por la variación de la constante dieléctrica en la superficie del material. ^{[ 23 ]} En frecuencias de ondas milimétricas y superiores, el metal no es un buen conductor, por lo que las guías de onda metálicas pueden presentar una atenuación creciente. En estas longitudes de onda, las guías de onda dieléctricas pueden tener pérdidas menores que las guías de onda metálicas. La fibra óptica es una forma de guía de onda dieléctrica utilizada en longitudes de onda ópticas.

Una diferencia entre las guías de onda dieléctricas y metálicas es que, en una superficie metálica, las ondas electromagnéticas están fuertemente confinadas; a altas frecuencias, los campos eléctricos y magnéticos penetran una distancia muy corta en el metal. En cambio, la superficie de la guía de onda dieléctrica es una interfaz entre dos dieléctricos, por lo que los campos de la onda penetran fuera del dieléctrico en forma de onda evanescente (no propagante). ^{[ 23 ]}

• Este artículo se basa en parte en material de la norma federal 1037C y de MIL-STD-188 y ATIS.
• JJ Thomson, Investigaciones recientes (1893).
• OJ Lodge, Proc. Roy. Inst. 14 , p.  321 (1894).
• Lord Rayleigh, Phil. Mag. 43 , pág.  125 (1897).
• NW McLachlan, Teoría y aplicaciones de las funciones de Mathieu , pág.  8 (1947) (reimpreso por Dover: Nueva York, 1964).

• George Clark Southworth , « Principios y aplicaciones de la transmisión por guía de ondas ». Nueva York, Van Nostrand [1950], xi, 689 p. il. 24  cm. Serie de los Laboratorios Bell Telephone. LCCN 50009834

• Las Lecciones de Física de Feynman, Vol. II, Cap. 24: Guías de onda
• Derivación de campos dentro de una guía de ondas rectangular antenna-theory.com