Guias de onda (Leonel Arguelles)

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Introducción
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 trasmisión y los cables coaxiales presentan atenuaciones muy elevadas por lo que impiden que la trasmisión de la información sea la adecuada, son imprácticas para aplicaciones 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.
A continuación, en este trabajo hablaremos sobre las guías de onda, los tipos de guías, modos transversales etc.
Guías de onda
Para que una guía pueda trasmitir una señal de una determinada frecuencia, el tamaño mínimo de la guía es proporcional a la de esa frecuencia. 
Esta proporcionalidad está en función de la forma de la guía como de los 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:
La onda electromagnética plana 
En la física de propagación de ondas (especialmente ondas electromagnéticas), una onda plana o también llamada onda mono dimensional, es una onda de frecuencia constante cuyos frentes de onda (superficies con fase constante) son planos paralelos de amplitud constante normales al vector velocidad de fase. Es decir, son aquellas ondas que se propagan en una sola dirección a lo largo del espacio, como por ejemplo las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de ondas son planos paralelos.
Por extensión, el termino es también utilizado para describir ondas que son aproximadamente planas en una región localizada del espacio. Por ejemplo, una fuente de ondas electromagnéticas como una antena produce un campo que es aproximadamente plano en una región de campo lejano. Es decir que, a una distancia muy alejada de la fuente, las ondas emitidas son aproximadamente y pueden considerarse como tal. 
Modos transversales 
En el vacío y en medios ilimitados, las soluciones de las ecuaciones de Maxwell son ondas electromagnéticas transversales, es decir, los campos E y H son perpendiculares a la dirección de propagación (y perpendiculares entre sí). Esta situación es una consecuencia matemática de las ecuaciones de la divergencia nula
(∇• E = ∇•H = 0) para campos que dependen de una única coordenada (ondas elementales).
En la propagación en recintos limitados no es posible describir los campos como funciones de una única coordenada por la existencia de condiciones de contorno que imponen las fronteras del recinto y entonces existen otras posibilidades, en las cuales uno (o los dos) campos tienen componentes en la dirección de propagación.
Convencionalmente se llama modo TEM a la situación donde los campos son ambos transversales a la dirección de propagación, modo TE cuando sólo el campo eléctrico es transversal y modo TM cuando sólo el campo magnético es transversal.
Se puede demostrar que cualquier tipo de propagación se puede resolver como la superposición de un modo TE y un modo TM.
Las ondas electromagnéticas viajan a través de las guías por medio de diversas configuraciones a las que llamamos nodos de propagación. 
Un modo es la manera en la que la energía se puede propagar a lo largo de la guía de onda, cabe aclarar que todos modos deben satisfacer ciertas condiciones de frontera para que se puedan dar.
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 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.
Velocidades de los modos TE y TM
Claramente, es una función lineal de , lo cual convierte a v en una constante independiente de la frecuencia. Sin embargo, existen casos, tales como la propagación en un dieléctrico con pérdidas muy altas o dentro de una guía de ondas, en que no es una función lineal de . Esto quiere decir que ondas de diferente frecuencia se propagan con distintas velocidades de fase.
Impedancias de los modos TE y TM
La impedancia de onda para los modos TE y la impedancia de onda para los modos TM:
En términos de la frecuencia de corte del modo mn* y de la impedancia intrínseca del medio de propagación, las ecuaciones anteriores toman la siguiente forma:
 
Para frecuencias inferiores a la frecuencia de corte, las impedancias de onda correspondientes para los modos TE y TM son reactivas puras (no se muestran en la gráfica), por lo que no puede haber flujo de potencia ni propagación. A esta región se le llama evanescente.
Guías de ondas rectangulares
Las guías de onda rectangulares son las formas más comunes de guías de onda. La energía electromagnética se propaga a través del espacio libre como ondas electromagnéticas transversales (TEM) con un campo magnético, un campo eléctrico, y una dirección de propagación que son mutuamente perpendiculares.
Una onda no puede viajar directamente hacia debajo de una guía onda sin reflejarse a los lados, por lo que el campo eléctrico tendría que existir junto a una pared conductiva.
Si eso sucediera, el campo eléctrico haría un corto circuito por las paredes en sí. Para propagar una onda TEM exitosamente a través de una guía de onda, la onda debe propagarse a lo largo de la guía en forma de zig-zag, con el campo eléctrico máximo en el centro de la guía y cero en la superficie de las paredes.
Guía de onda circular
Las leyes que rigen la propagación de las ondas en las guías son independientes da la forma de la sección transversal de la guía y sus dimensiones, debido a esto el concepto de campos eléctricos y magnéticos, así como la frecuencia de corte y en general todos los parámetros presentados en guías de onda rectangulares se cumplen también para guías de onda circulares exceptuando que los problemas de los modos de transmisión para guías circulares se presentan en coordenadas cilíndricas.
La guía de onda rectangular se utiliza en distancias cortas y debido a su rigidez no se puede doblar, lográndose que la señal se refleje en otra dirección. 
La guía circular es un ducto flexible de unos cuantos centímetros de diámetro, el cual puede doblarse sin excesivas reflexiones. Para que la propagación tenga un lugar en la guía de onda circular, la configuración de campo eléctrico y magnético de las ondas deben satisfacer ciertas condiciones. Hay muchas posibles configuraciones, llamadas modos. Los modos se designan según las direcciones que los campos eléctrico y magnético de la onda electromagnética asumen respecto de la dirección de propagación.
Guía de onda elíptica
En una guía elíptica, la dirección de la polarización ya no puede girar, pues la asimetría de su sección transversal obliga a la polarización a conservar una dirección fija, ya sea paralela al eje mayor o al eje menor de la elipse; en general, se prefiere usar la dirección paralela al eje menor tal como se muestra en la figura. Se nota que la guía elíptica puede ser considerada como el paso intermedio de la transición de una guía circular a una rectangular.
Es la recomendada para la mayoría de los sistemas de antenas en el rango de frecuencia entre 3.4 – 23.6 GHz. Largas, continuas, y flexible, resultamenos costosa y más fácil de instalar comparada con las guías rígidas. El ensamblaje se realiza cortando la guía de onda a la longitud especificada y terminada.
A continuación, una tabla con los tamaños recomendados de las guías de onda:
Comparación entre un cable coaxial y guías de onda 
El cable coaxial y la guía de ondas son líneas de transmisión de radio frecuencia (RF). La frecuencia de la señal de RF transmitida, o transportada, es la principal consideración al elegir el cable coaxial o la guía de ondas para una línea de transmisión. El cable coaxial está diseñado para llevar una banda de señales de RF, y la guía de ondas está diseñada para llevar una banda superior de las señales de RF. Además de la frecuencia de RF, la distancia que las señales deben ser transportadas y el entorno dentro o fuera de las ubicaciones de líneas de transmisión han dado lugar a muchos tipos de cables coaxiales y guías de onda. Las señales de RF, distancia y factores ambientales pueden ayudar a determinar qué línea de transmisión utilizar.
Las señales de RF para cable coaxial y la guía de ondas
Las señales de RF están determinadas por su frecuencia. Las frecuencias de 3 MHz a 300 GHz son señales de radiofrecuencia, y esta banda se denomina espectro de radio. Los cables coaxiales están diseñados típicamente para transportar señales de 50 MHz a 1 GHz, que es el centro de la banda de RF. La guía de ondas está diseñada para manejar frecuencias más altas, de 100 MHz a 300 GHz. La superposición de frecuencias compartidas existe donde el cable coaxial llega a sus límites más altos y comienzan los límites más bajos de la guía de ondas. 
Longitud de la línea de transmisión
La intensidad de la señal se disipa a medida que viaja por una longitud de cable coaxial o a través de una longitud de la guía de ondas. El propósito de una línea de transmisión es mover señales desde el punto A al punto B, y las señales deben llegar al punto B en condiciones de uso. Los diferentes tipos de cable coaxial y la guía de ondas tienen diferentes características de pérdida. Por ejemplo, el cable coaxial de gran diámetro puede transportar señales más allá que el cable coaxial de diámetro pequeño. El tamaño del cable coaxial utilizado está determinado por la distancia que las señales tienen que viajar.
Ambiente
La guía de ondas y el cable coaxial utilizado en interiores tiene un entorno mucho más amigable que la guía de ondas y el cable coaxial utilizado al aire libre. Las aplicaciones normales requieren una más pequeña o ninguna cubierta protectora. Las aplicaciones en exteriores deben soportar cambios de temperatura y las inclemencias del tiempo. El cable coaxial que puede ser enterrado está protegido por una funda blindada.
Tipos de cables coaxiales
El cable coaxial está disponible en muchos diámetros, que se refieren como los tamaños. El cable con un diámetro grande lleva las señales más allá que el cable con un diámetro pequeño. Los cables coaxiales de menor diámetro son comúnmente llamados "cables de acometida". 
Ellos incluyen los cables RG-59 y RG-6, y son los cables de alta pérdida de detrás de un aparato de televisión. Los típicos tamaños de cables de líneas de salida de transmisión son 1/2 pulgada (1,27 cm), 3/4 pulgada (1,91 cm) y 1 pulgada (2,54 cm). Estos cables también se definen por su flexibilidad o radio de curvatura. Los cables más flexibles tienen mayores características de pérdida que los cables más rígidos. Todos estos cables coaxiales pueden ser fabricados para interior, aire limpio, aire libre o bajo tierra.
Tipos de guía de ondas
La guía de onda es más comúnmente utilizada como una línea de transmisión de señales de microondas que se mueven entre transmisores o receptores y antenas. La guía de onda es un tubo hueco, y las señales de microondas se transmiten en el interior del tubo para mover la potencia de RF desde el punto A al punto B. Los técnicos de microondas se refieren a la guía de onda como la plomería.
La guía de ondas flexible se utiliza comúnmente para conectar guías de ondas rígidas a una antena. Las guías de onda flexible se pueden manipular alrededor de las patas de la torre y otros equipos que pueden hacer que la guía de ondas rígidas sea imposible de instalar. Al igual que el cable coaxial, la guía de onda flexible tiene una característica de pérdida superior a la guía de ondas rígidas.
Las guías de ondas rígidas están hechas en dos formas, rectangulares y circulares. La guía de onda rectangular es la guía de ondas más comúnmente usada. La guía de onda circular, que funciona como la guía de onda rectangular, acomoda un tipo diferente de propagación de la señal de microondas. Las guías de ondas flexibles, rectangulares y circulares se fabrican en diferentes tamaños para que coincidan con diferentes frecuencias y proporcionen diferentes características de pérdida.
Onda estacionaria en guía de onda
El resultado de la superposición de ondas armónicas que se propaga por una cuerda en la que ambos extremos están fijos se conoce como ondas estacionarias. Al ejercer una vibración con Movimiento Armonice Simple (MAS) perpendicular a la cuerda, existe una propagación de una onda armónica por la cuerda tendrá lugar la superposición de las ondas que da lugar a la onda estacionaria. Una característica de estas ondas es que la amplitud de la oscilación varia, hay dos puntos en los que no existe oscilación denominadas nodos y otros en los que existe una amplitud máxima (antinodos). Al considerar uno de los extremos fijos de la cuerda, se tendrán dos ondas transversales: una incidente y otra reflejada (una propagándose hacia la izquierda y la otra hacia la derecha), representadas por las ecuaciones siguientes.
El desplazamiento en cualquier punto de la cuerda es el resultado de la interferencia o superposición de estas dos ondas.
Lo que ocurre en los puntos fijos (extremos de la cuerda), es un cambio de fase de la onda incidente igual a π, resultado una onda estacionaria determinada por:
Cuando se observan puntos fijos de la cuerda de cero desplazamientos ocurre la resonancia y aparecen los nodos y en caso contrario antinodos. Como la cuerda esta fija en sus dos extremos las frecuencias para las cuales se observan nodos y antinodos son limitadas. Cada frecuencia posible es una frecuencia resonante y la forma de onda estacionaria correspondiente es un modo de oscilación. La longitud entre cada nodo es igual a media longitud de onda. Por lo que las longitudes de ondas espaciales que pueden propagarse en una cuerda de longitud L fija en sus extremos están limitadas a los valores dados por la ecuación.
Fig.1 Ondas estacionarias en una cuerda
Tabla de armónicos
Donde n es el armónico correspondiente y L la longitud de la cuerda entre los puntos fijos.
, cambiando este valor en (5) se obtiene (7).
 (6)
 (7)
Donde v es la velocidad de propagación de la onda en la cuerda y es el número de armónico. Y donde la velocidad de la onda en la cuerda está representada por (8).
 (8)
F es la tensión en la cuerda ejercida sobre la masa suspendida en el otro extremo del oscilador y es la densidad lineal de la cuerda.
Conclusión
Las guías de ondas a pesar que comparadas con la línea Tx y las líneas coaxiales, tienen un comportamiento ventajoso; también tienen ciertas desventajas, entre las que podemos mencionar que su instalación y operación es más complicada, ya que para evitar la atenuación los radios de curvatura deben ser mayores; además se deben utilizar soportes para sujetarlas debida a la dilatación provocada por la temperatura, etc. 
Por otra parte, anteriormente se hablaba de las ventajas, entre estas podemos mencionar que, por no tener aisladores, no existen pérdidas en el dieléctrico, el blindaje total elimina las pérdidas por radiación; ya se comentaba la mayor capacidad de potencia, así como la construcción más simple que las líneas coaxiales.