Guia de onda

Son estructuras que consisten de un solo conductor. Hay dos tipos usados comúnmente: de sección rectangular y de sección circular. También hay elípticas y flexibles.

Sus pérdidas son menores que las de líneas de tx en las frecuencias usadas (arriba de 3 GHz); y también son capaces de transportar mayores potencias que una línea coaxial de las mismas dimensiones.

Ventajas.-

• Blindaje total, eliminando pérdidas por radiación.
• No hay pérdidas en el dieléctrico, pues no hay aisladores dentro.
• Las pérdidas por conductor son menores, pues solo se emplea un conductor.
• Mayor capacidad en el manejo de potencia.
• Construcción más simple que un coaxial

Desventajas.-

• La instalación y la operación de un sistema de GO son más complejas. Por ejemplo:
  • Los radios de curvatura deben ser mayores a una l para evitar atenuación.
  • Considerando la dilatación y contracción con la temperatura, se debe sujetar mediante soportes especiales.
  • Se debe mantener sujeta a presurización para mantener las condiciones de uniformidad del medio interior.

El tamaño mínimo de la guía para transmitir una cierta frecuencia es proporcional a la l de esa frecuencia.

Dicha proporcionalidad depende tanto de la forma de la guía como de la distribución de los campos (modos de transmisión) dentro de ella. En cualquier caso, hay una frecuencia mínima que puede ser transmitida, denominada frecuencia de corte del modo principal.

Por ejemplo para una guía de onda rectangular, la dimensión mayor de la sección rectangular se designa con la letra A, y la mínima requerida se da en la siguiente tabla para distintas frecuencias:

frecuencia	Dimensión A
3 GHz	5 cm.
300 MHz	50 cm. !
30 MHz	5 m. !!

Como se observa, los dos últimos casos no son prácticos.

La Dimensión A equivale a una media longitud de onda de la frecuencia correspondiente en la tabla anterior. Con una determinada dimensión A, se podrá propagar dicha frecuencia y frecuencias mayores.

Modos de Operación.-

Una GO puede propagar, en teoría, un número infinito de tipos distintos de onda electromagnética. Cada uno de estos tipos o modos presenta una configuración distinta de campos eléctrico y magnético, y la denominación de cada modo obedece a esa configuración.

Cada modo tiene una frecuencia crítica, debajo de la cual no se propagará.

Para un tamaño particular de GO, el modo correspondiente a la menor frecuencia de corte se denomina modo principal. Este será el único modo propagado si la frecuencia es mayor a la 1ª frecuencia de corte, pero menor a la frecuencia de corte del segundo modo.

La longitud de onda de corte del modo principal para una GO con aire en su interior es igual a dos veces la dimensión mayor (rectangular), o de 1.71 veces el diámetro (circular).

En general son posibles dos modos, que se denominan en consideración al campo que sea siempre transversal a la dirección de propagación: Transversal Eléctrico (TE) y Transversal Magnético (TM).

La longitud de onda de operación (l_g) para cualquier modo está dada por:

donde:

l = longitud de onda en el espacio libre.
l_c = longitud de onda para un modo particular de operación.
e_r = Constante dieléctrica relativa. (Aire = 1)

La ecuación anterior se puede también expresar como:

Guías Rectangulares.-

El modo principal para éstas es el TE₁₀, en el cual el campo eléctrico varía senoidalmente visto desde A, y es uniforme respecto a B, como se observa en la figura siguiente (línea contínua). El campo magnético presenta líneas siempre perpendiculares a las líneas de campo E, formando lazos (línea punteada). Su frecuencia de corte se presenta cuando l_c = 2A.

 l_c = 2A
Modo TE₁₀ 
Designación de los modos.-

Esta se hace mediante los subíndices m y n, los cuales son números enteros. El primero se refiere al número de medios ciclos de variación de campo a lo largo de la dimensión A, y el segundo se refiere al número de medios ciclos de variación de campo a lo largo de B.

De esta manera se tienen, por ejemplo:

 l_c = 2B
Modo TE₀₁ 

 l_c = A
Modo TE₂₀ 

Para propagar solamente el modo principal (TE₁₀), las dimensiones de la guía deben cumplir: 2A>l, l >A, y l>2B. La primera condición permite el modo principal, la segunda evita el modo TE₂₀, y la tercera evita el modo TE₀₁.

En general, para las guías rectangulares la longitud de onda de corte está dada por:

(Se debe multiplicar por la raíz de la constante dieléctrica relativa en caso diferente de aire en el interior)

De la ecuación anterior, expresando la frecuencia de corte:

(Dividir entre la raíz de la constante dieléctrica relativa del medio, si es diferente de aire en el interior).

El factor de fase b, se establece de la siguiente manera:

donde f es la frecuencia transmitida en la línea.

Al igual que en el caso de líneas de transmisión, la velocidad de fase es igual a v_p = w / b .

Algunos otros modos se muestran:

Ejemplo.-

Una Guía de Onda rectangular con aire en su interior tiene dimensiones de 10 x 5 cm. y transporta una señal senoidal de 4.5GHz. Encuentre cuántos modos TE diferentes se propagan en la guía, así como el factor de fase, velocidad de fase y longitud de onda en la guía.

Respuestas:

modo.	f corte. [GHz]	b [rad/m]	velocidad de fase. [x 10 8 m/seg]	l en la guía [cm]
1 0	1.5	88.86	3.18	7.07
0 1	3	70.25	4.02	8.94
1 1	3.35	62.93	4.49	9.98
2 0	3	70.25	4.02	8.94
0 2	6
2 1	4.24	31.57	8.95	19.9
1 2	6.18
2 2	6.7

Guías Circulares.-

En la designación de los modos, m indica el número de ciclos completos de variación de campo alrededor de la circunferencia; n indica el número de medios ciclos de variación que existen a lo largo del diámetro.

Su modo principal es el TE₁₁, y l_c = 1.71 d, donde d es el diámetro interior. El siguiente modo es TM₀₁, (l_c =1.31 d) y el tercer modo de una GO circular es el TE₂₁.( l_c=1.03 d).
Éstos se muestran:

Para que una GO circular propague solo el modo principal (TE₁₁), se debe cumplir: 1.71d>l>1.31d.