martes, 22 de noviembre de 2011

GUIAS DE ONDAS EN LA COMUNICACION


Las Guías de onda

      Una guía de onda es cualquier estructura física que guía ondas electromagnéticas. El medio dieléctrico en el que esta propagación se produce está limitado, ya sea por u material conductor (microondas y radiofrecuencia) o por otro dieléctrico (para frecuencias ópticas).
    La primera guía de onda fue propuesta por Joseph John Thomson en 1893 y experimentalmente verificada por O. J. Lodge en 1894. El análisis matemático de los modos de propagación de un cilindro metálico hueco fue realizado por primera vez por Lord Rayleigh en 1897.
      Dado que la energía se transporta por ondas electromagnéticas, las características de las guías de onda tales como impedancia, potencia y atenuación se expresan tales como campos eléctricos y magnéticos característicos.
   
      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.
      
La guía de onda se puede visualizar de manera simplificada en la figura a continuación, suponiendo que está  formada por dos láminas conductoras  y que el transporte de la energía se lleva a cabo mediante reflexiones continuas y no por medio de corrientes superficiales como en el caso de las líneas de transmisión.



La guía está diseñada fundamentalmente para operar de un solo modo de propagación, con el ancho de banda requerido, atenuando los demás modos de orden superior

Basamento
     Las guías de onda se basan en el confinamiento de la luz, efecto que se logra mediante el uso de dos medios con índice de refracción diferente. El medio con índice de refracción menor (núcleo) se embebe en el medio con índice de refracción mayor (revestimiento o cubierta); la luz queda confinada en el medio el núcleo debido a reflexión total interna. La geometría de las guías de onda puede ser plana (slab, strip) o cilindrica, siendo esta última la   más utilizada (fibras ópticas).

   Dependiendo de la frecuencia, se pueden construir con materiales conductores o dieléctricos. Generalmente, cuanto más baja es la frecuencia, mayor es la guía de onda. Por ejemplo, el espacio entre la superficie terrestre y la ionosfera, la atmósfera, actúa como una guía de onda. Las dimensiones limitadas de la Tierra provocan que esta guía de onda actúe como cavidad resonante para las ondas electromagnéticas en la banda ELF.
     Las guías de onda también pueden tener dimensiones de pocos centímetros. Un ejemplo puede ser aquellas utilizadas por los satélites de EHF y por los radares.

 Tipos de Guías de Onda
Existen muchos tipos de guías de onda, presentándoles aquí las más importantes:
·         Guíade onda rectangular (circular, elíptica): Son aquellas cuya sección transversal es rectangular.
·         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: Guíade 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

Análisis
     Las guías de onda electromagnéticas se analizan resolviendo las ecuaciones de Maxwell. Estas ecuaciones tienen soluciones múltiples, o modos, que son los autofunciones del sistema de ecuaciones. Cada modo es pues caracterizado por un autovalor, que corresponde a la velocidad de propagación axial de la onda en la guía.
     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.
       El ancho de banda de una guía de onda viene limitado por la aparición de modos superiores. En una guía rectangular, sería el TE0,1. Para aumentar dicho ancho de banda se utilizan otros tipos de guía, como la llamada "Double Ridge", con sección en forma de "H".

Desarrollo matemático
       Suponiendo una guía en la dirección z, siendo una onda monocromática (único ω y constante) el campo que se propaga en el interior en la dirección de la guía será de la forma:


Suponiendo que en el interior no hay cargas ni corrientes libres las ecuaciones de Maxwell tomarán la forma:
      
Y la ecuación de ondas aplicando la definición de los campos (el campo magnético tendría una forma análoga):

Definiendo:

Se tiene que las ecuaciones toman la forma de la ecuación de Helmholtz:


Descomponiendo el campo en componente longitudinal y transversal:


Se puede separar de la ecuación de Helmholtz la componenete longitudinal obteniendo:

La función Ez o Bz que cumple unas ciertas condiciones de contorno impuestas por el tipo de guía se denomina potencial de Debye.

Modos TE y TM
     Se tratará el caso de un modo TE, para el caso del modo TM tan solo hay que intercambiar en las expresiones el campo eléctrico y magnético. En un modo TE se tiene que:

También se tiene que:



de modo que:

El campo B longitudinal será la solución de la ecuación de Helmholtz y el campo transversal puede obtenerse a partir de la anterior expresión. El campo eléctrico vendrá dado por las ecuaciones de Maxwell. Dependiendo de la naturaleza de la guía, Bz o Ez (cuyo desarrollo sería idéntico) han de cumplir unas ciertas condiciones de contorno.


Aplicaciones de las Guías

       Las guías de onda son muy adecuadas para transmitir señales debido a su baja pérdida. 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.
    Su construcción es de material metálico por lo que no se puede decir que sea un cable. 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.
      No todas las guias de onda son duras, también existen guías de onda más flexibles, existe un tipo de guía de onda que fabrica una compañía que se llama ANDREW, y a este tipo de guía de onda flexible se le conoce como Heliax.
       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.
A continuación se muestran algunos tipos de guías de onda


ACÁ LES DEJO ALGUNOS VÍDEOS EDUCATIVOS RELACIONADOS CON EL TEMA :)
SALUDOS..!












2 comentarios:

  1. Bueno colocando al de guias de ondas podemos de cir que es otro medio de comunicación muy usado, el cual opera en el rango de las frecuencias comunmente llamadas como microondas que van el el orden de los giga hertz. 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 a el receptor/transmisor de radio frecuencia. tiene aplicaciones en en las centrales telefónicas para bajar y subir señales provenientes de antenas de satélite o estaciones terrenas de microondas.

    Tambien acoto que no todas las guias de onda son duras, también existen guías de onda más flexibles, entre ellas podemos encontrar guías de ondas que fabrican la compañía llamada ANDREW el cual es una guia de onda muy flexible muy conocida como Heliax.

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  2. Se puede decir que el medio de transmisión por guía de onda, aprovecha las características ventajosas de los medios de transmisión por cable( cobre, coaxial, fibra) y de las transmisiones por microondas.
    En este sistema los datos son transmitidos mediante ondas electromagnéticas y con frecuencias elevadas igual que en los sistemas microondas. Y a la vez que esos datos son enviados no en el espacio libre, sino dentro de un tubo, donde las paredes conductoras del tubo confinan la onda en el interior de éste . Como es sabido los medios de transmisión por cable también confinan la señal que pasan por ellas.
    Los medios de transmisión por cable cuando usan frecuencias elevadas, la señal se atenúa drásticamente, en cambio en guías de ondas sí se puede usar frecuencias elevadas.
    Cuando se envía una señal por microondas, si por el mismo espacio pasa otra señal con la misma banda de frecuencias, éstas se interfieren, en cambio eso no pasa en guía de ondas, ya que las paredes conductoras del tubo de la misma forma que confinan la señal que pasa dentro de ella, es la misma manera en la que hacen una barrera impenetrable para las señales externas sin importar que tengan la misma frecuencia.

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