Trabajo Final Parte EscritaMedios De Transmisin

Guas Conductoras De Seccin Circular

Universidad Latina De Costa Rica

Escuela De Ingeniera En Telemtica

EstudiantesCelso Araya SilesMichael Marin Rodriguez.Jorge Luis Espinoza.Jose Ral Gonzlez Soto

ProfesorGuillermo Rivero Gonzlez

San Jos, Diciembre 2014

ContenidoIntroduccin3OBJETIVO DE LA INVETSIGACIN4GUAS DE ONDA5GUAS DE SECCIN CIRCULAR7Propiedades:8Aplicaciones10Anlisis11Modos de Propagacin11Desarrollo matemtico12Modos TE y TM13Ventajas y desventajas de una gua de onda14Conclusiones15

Introduccin

Una gua de onda est hecha de uno o ms materiales de propiedades electromagnticas intrnsecas diferentes y consiste, en general, en una estructura con gran desarrollo longitudinal y una seccin transversal uniforme.

Una gua de onda puede tener la forma de una caera, hecha de material conductor, rellena de aire, o vaca, como es el caso de una gua de onda rectangular o de una gua de onda circular; o podra consistir en dos regiones cilndricas concntricas hechas de materiales dielctricos con distintos ndices de refraccin, como es el caso de la fibra ptica o de un par de conductores cilndricos formando lo que se conoce como una lnea bifilar. Existen otras estructuras de guiado, como el cable coaxial, la microcinta

OBJETIVO DE LA INVETSIGACINEl objetivo de este proyecto es tener un mejor entendimiento y comprensin sobre el funcionamiento, caractersticas y ventajas de las Guas Conductoras de Seccin Circular.

HISTORIALa primera gua de onda fue propuesta por Joseph John Thomson en 1893 y experimentalmente verificada por O.J. Lodge en 1894.El anlisis matemtico de los modos de propagacin de un cilindro metlico hueco fue realizado por primera vez por Lord Rayleigh en 1897.

Figura 1

GUAS DE ONDA

Las guas de onda se basan en el confinamiento de la luz, efecto que se logra mediante el uso de dos medios con ndice de refraccin diferente. El medio con ndice de refraccin menor (ncleo) se embebe en el medio con ndice de refraccin mayor (revestimiento o cubierta); la luz queda confinada en el medio el ncleo debido a reflexin total interna.Algunos sistemas de telecomunicaciones utilizan la propagacin de ondas en el espacio libre, sin embargo tambin se puede transmitir informacin mediante el confinamiento de las ondas en cables o guas.El nombre gua de onda, 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 la ley 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.Una gua de onda puede ser definida como una estructura destinada a la propagacin dirigida y acotada de radiacin electromagntica. Las guas de onda se emplean para transmitir ondas electromagnticas punto a punto de una forma eficiente. Por lo general se trata de seales de informacin de alta frecuencia que no podra ser transmitidas por otros mtodos, debido a que la transmisin no sera eficiente, como es el caso de las seales pticas (que se transmiten perfectamente por fibra a grandes distancias, y no a travs de la atmosfera), o bien por que produciran interferencias en otros equipos.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.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.

Son estructuras que consisten de un solo conductor. Sus prdidas son menores que las de lneas de tx en las frecuencias usadas (arriba de 3 GHz); y tambin son capaces de transportar mayores potencias que una lnea coaxial de las mismas dimensiones.El tamao mnimo de la gua para transmitir una cierta frecuencia es proporcional a lade esa frecuencia.Dicha proporcionalidad depende tanto de la forma de la gua como de la distribucin de los campos (modos de transmisin) dentro de ella. En cualquier caso, hay una frecuencia mnima que puede ser transmitida, denominada frecuencia de corte del modo principal.

Figura 2

GUAS DE SECCIN CIRCULAR

Una gua de onda circular es cualquier estructura fsica circular o tubo conductor hueco que dirige ondas electromagnticas, propagndose dentro del mismo.La transmisin de seales por guas de onda circular reduce la disipacin de energa; esta seal va a lo largo de la gua y limitada en sus fronteras circulares.La gua de onda circular es por mucho la ms comn, pero esta es utilizada para la conexin de equipos tales como: Radares y Microondas.En guas de onda se utilizan cuando es necesario o ventajoso propagar tanto ondas polarizadas verticales como horizontales en la misma gua de onda.El comportamiento de las ondas electromagnticas en la gua de onda circular es el mismo que en las guas de onda rectangular. Pero debido a la diferente geometra, algunos de los clculos se realizan diferentes.La gua de onda circular es ms fcil de construir que una gua de onda rectangular y ms fcil de unir. Una de las desventajas es que una gua de onda circular tiene un rea mucho ms grande que una gua de onda rectangular y ambas llevan la misma seal.

Figura 3

Propiedades:

Figura 4

Esto se debe analizar utilizando un Sistema de coordenadas cilndricas cuyo radio interno es a y transmite potencia en direccin de z.De las ecuaciones generales de TE y TM se desarrollaron estas frmulas.

Figura 5

Luego de trabajar las ecuaciones en coordenadas polares aplicar condiciones de frontera correspondientes a la geometra circular se obtienen las distribuciones de campo en el interior de la gua.

Figura 6

A diferencia de la onda rectangular el modo dominante es 1,1.Ventajas y desventajas: Propagan tanto ondas polarizadas verticales como horizontales en la misma gua de onda. Blindaje total, eliminando perdidas por radiacin. No hay prdidas en el dielctrico, pues no hay aisladores dentro. Son capaces de transportar mayores potencias que una lnea coaxial de las mismas dimensiones. Construccin ms simple que un coaxial.Desventajas Se deben usar soportes especiales debido a la dilatacin y contraccin de la temperatura.

Figura 7

Comportamiento: el comportamiento de las ondas electromagneticas es el mismo como en la gua de onda rectangular.AplicacionesLas guas de onda son muy adecuadas para transmitir seales debido a sus 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, circulares y otros.Su construccin es de material metlico por lo que no se puede decir que sea un cable. Las aplicaciones tpicas de este medio es en las centrales telefnicas para bajar/subir seales provenientes de antenas de satlite o estaciones terrenas de microondas.No todas las guas de onda son duras, tambin existen guas de onda ms flexibles, existe un tipo de gua de onda que fabrica una compaa que se llama ANDREW, y a este tipo de gua de onda flexible se le conoce como Heliax.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.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.Las guas de onda tambin pueden tener dimensiones de pocoscentmetros. Un ejemplo puede ser aquellas utilizadas por lossatlitesdeEHFy por losradares.

AnlisisLas guas de onda electromagnticas se analizan resolviendo lasecuaciones de Maxwell. Estas ecuaciones tienen soluciones mltiples, omodos, que son el auto funciones del sistema de ecuaciones. Cada modo es pues caracterizado por unauto valor, que corresponde a la velocidad de propagacin axial de la onda en la gua.Figura 8Modos de PropagacinLos 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.

Figura 9En guas de onda circulares es el TE1,1.El ancho de banda de una gua de onda viene limitado por la aparicin de modos superiores. Para aumentar dicho ancho de banda se utilizan otros tipos de gua, como la llamada "Doubl Ridge", con seccin en forma de "H".Desarrollo matemticoEl anlisis de esta gua de onda circular es anlogo al que se realiza en el caso de la gua de onda rectangular con la diferencia que debido a su geometra es conveniente estudiar la gua circular en coordenadas cilndricas.Suponiendo una gua en la direccin z, siendo una onda monocromtica (nico y 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 componente longitudinal obteniendo:

La funcinEzoBzque 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,BzoEz(cuyo desarrollo sera idntico) han de cumplir unas ciertas condiciones de contorno.

Ventajas y desventajas de una gua de onda

Las guas de onda presentan las siguientes ventajas y desventajas con respecto a otras lneas de transmisin y una lnea coaxial.Ventajasa) Blindaje total, eliminando prdidas por radiacinb) No hay prdidas en el dielctrico, pues no hay aisladores dentroc) Las prdidas por conductor son menores, pues solo se emplea un conductord) Mayor capacidad en el manejo de potenciae) Construccin ms simple que un coaxial

Desventajas.a) La instalacin y la operacin de un sistema de son ms complejas.b) Considerando la dilatacin y contraccin con la temperatura, se debe sujetar mediante soportes especialesc) Se debe mantener sujeta a presurizacin para mantener las condiciones de uniformidad del medio interior.

Conclusiones

Una vez estudiado el tema de gua de ondas de seccin circular podemos darnos cuenta que existen varios tipos de guas de onda, las cuales cuentan con distintas propiedades a las antes mencionadas entre estas se encuentran:

Gua de onda rectangular (circular,elptica) Son aquellas cuya seccin transversal es rectangular (circular, elptica).

Gua de onda de hazGua de Ondaconstituida por una sucesin de lentes o espejos, capaz de guiar una onda electromagntica.

Gua de onda tabica 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 rectangular: Que 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.

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