Guias de ondas (2)

asignatura de microondas

1. ESPECIALIZACION PROFESIONAL TECNICA POR ORIENTACION DE MISILES (COT 10) ASIGNATURA DOCENTE: T1 COT(10) NICOLÁS CUYA MOTTA MICROONDAS 2014

2. GUIAS DE ONDAS Y COMPONENTES

3. Líneas de transmisión.- La transmisión de energía entre 2 puntos distantes requiere la utilización de un medio transmisor al que se llama generalmente línea de transmisión. La transmisión en algunos casos tiene lugar directamente a través del espacio (BROADCASTING) “comunicación de radio comercial”; en otros casos es necesaria una estructura física que conduzca la onda electromagnética. El desarrollo de las líneas de transmisión comenzó a partir de la utilización del cable de alimentación eléctrico de 2 conductores, para transportar grandes cantidades de energía entre el generador y la carga .

4. Tipos de líneas de transmisión.- Las exigencias de los sistemas de comunicación han forzado el pulso de frecuencia cada vez más elevadas y por lo tanto la modificación y aparición de otros tipos de líneas de transmisión. Las líneas de transmisión de radiofrecuencias tienen que ser especiales ya que los objetos ubicados en los alrededores, modifican los patrones de radiación y reducen la efectividad de la transmisión. Las líneas de transmisión se pueden dividir en: Líneas de constantes repartidas. Líneas de constantes localizadas.

5. Las líneas de constantes localizadas .- Se llaman así porque sus constantes eléctricas tales como resistencia, inductancia y capacidad, pueden considerarse ubicadas a intervalos (localizadas) a lo largo de la línea. Las líneas de constantes repartidas .- E n las cuales se consideran estas constantes eléctricas uniformente distribuidas por toda la línea. En la práctica la mayor parte de líneas utilizadas son del tipo constantes repartidas ya que son más fáciles de construir y presentan mejores características que las constantes localizadas. Las líneas más utilizadas son: Línea aérea de 2 conductores, línea coaxial, la de placas paralelas o línea de cinta o la guía de onda.

6. Línea aérea de 2 conductores Consiste esencialmente de 2 conductores situados a una cierta distancia uno del otro. Se usa extensamente en sistemas de transmisión de energía como telegrafía, telefonía y en ciertas áreas de radio transmisión. Se utiliza fundamentalmente en aplicaciones de baja frecuencia y son de fabricación sencilla. El parámetro principal de estas líneas es su resistencia por unidad de longitud, mientras que su inductancia y capacidad por unidad de longitud son pequeñas. La propagación de la energía es en la forma TEM (Transversal Eléctrica y Magnética), en la que los campos transportan la energía mientras que los conductores sirven para guiar la onda tal como indica la figura.

7. Línea coaxial.- Para evitar pérdidas elevadas por radiación, es necesaria que las líneas de fuerza de campos sean cerradas, para lograr esto se dispone de un conductor interno rodeado por una envoltura cilíndrica exterior; este conjunto recibe el nombre de línea coaxial. Se tiene la ventaja que los campos quedan confinados dentro del conductor interno, eliminándose así interferencias exteriores. El medio de separación entre ambos conductores puede ser el aire u otro material dieléctrico.

8. La disposición clásica en cable coaxial de aire es un conductor central de cobre sostenido mediante discos de polietileno, y rodeado de una o mas capas de cinta de acero que apantalla y dan solidez al conjunto. También se utilizan cables flexibles, con polietileno como dieléctrico y una envoltura de cobre trenzado para conseguir la flexibilidad.

9. En el campo de las comunicaciones la atenuación y distorsión a las secuencias de trabajo, son los factores principales que se deben considerar mientras que la potencia pasa a ser una característica secundaria. Los cables coaxiales tienen una banda pasante muy ancha que va desde la continua hasta la gama de microondas; la atenuación aumenta con la frecuencia, debido a ello los cables coaxiales se diseñan especialmente para cada aplicación. La propagación en los cables coaxiales suelen ser normalmente del tipo TEM (Transversal Eléctrica y Magnética) para garantizar la no existencia de otra forma de propagación hay que reducir el tamaño del cable a medida que se aumenta la frecuencia, disminuyendo así el valor máximo de la potencia transmitida.

10. Línea de cinta.- Una línea de transmisión con muy pocas pérdidas es llamada líneas de placas paralelas infinitas que propaga una onda en el modo TEM. No obstante el sistema es poco práctico debido a su tamaño infinito y a la dificultad de mantener la posición de las placas. Una línea que ha ido cobrando importancia es la línea plana o línea de cinta de la cual existen 2 tipos, la línea triplaca y la microtira.

11. Línea triplaca.- En la línea triplaca el conductor interno esta situado entre 2 placas externas, la propagación es en forma TEM, si la distancia entre placas es pequeña en comparación con la λ si las perdidas son reducidas, se asegurara entonces la propagación TEM. Dieléctrico Placa h TRIPLACA w

12. Microtira.- El tipo microtira tiene mas perdidas pero su fabricación es mas sencilla y la propagación es algo compleja (no precisamente en TEM); las perdidas pueden reducirse usando materiales con mayor coeficiente dieléctrico. Las características de esta línea dependen de la relación w\h y del coeficiente dieléctrico del sustrato. Su utilización a contribuido al desarrollo de circuitos integrado de microondas, teniendo como acopladores, circuladores, etc. en receptores u otros sistemas complejos. Dieléctrico Placa Tira h w MICROTIRA

13. Guías de onda.- Cualquier sistema de conductores y aisladores para conducir energía de ondas electromagnéticas pueden ser llamados guías de ondas pero comúnmente se da este nombre a conductores metálicos huecos a manera de “cañería”, usado en propósitos similares a las líneas coaxiales, pero usados en frecuencias más altas. Las guías de onda se usan extensamente para minimizar las pérdidas en la transmisión de grandes potencias a frecuencias de microondas . En esencia se trata de un solo conductor metálico en forma de caja rectangular o cilíndrica, a lo largo de la cual se propagan las ondas electromagnéticas. Estas ondas viajan adoptando configuraciones de campo algo diferentes que las consideradas para las otras líneas de transmisión, y se denominan TE si son transversales eléctricas (u ondas H), o TM si son Transversales magnéticas (u ondas E).

14. 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).

15. Aplicaciones.- Debido a que las dimensiones de la sección transversal de una guía de onda deben ser del mismo orden de magnitud que una longitud de onda, sus uso a frecuencias por debajo de los GHz normalmente no se considera a menos que circunstancias especiales lo requieran. Las dimensiones de las guías de onda son convenientes para frecuencias que se encuentran en el rango de 3 a 100 GHz e inconveniente fuera de este rango.

16. Impedancia Característica.- La impedancia característica es igual a la de una línea de transmisión, con relación al acoplamiento de la carga, reflexiones de la señal y ondas estacionarias. La impedancia característica de una guía de onda se expresa matemáticamente como: Zo = 377 / √ 1 – (ƒc / ƒ)2 Donde: Zo : Impedancia característica (Ω) ƒ : frecuencia de operación (Hz) ƒc : frecuencia de corte (Hz) Nota : Zo por lo general es mayor a 377 Ω. En la frecuencia de corte Zo se vuelve infinito, y a una frecuencia igual al doble de la frecuencia de corte (2 ƒc), Zo = 435 Ω

17. Modos de propagación de las guías de ondas.- 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.

18. En guías de onda rectangulares el modo fundamental es el TE 1,0 y en guías de onda circulares es el TE 1,1 . El ancho de banda de una guía de onda viene limitado por la aparición de modos superiores. En una guía rectangular, sería el TE 0,1 . Para aumentar dicho ancho de banda se utilizan otros tipos de guía, como la llamada " Double Ridge ", con sección en forma de "H". Dirección de propagación de la onda H H E Dirección de propagación de la onda E E H MODOS TE MODOS TM

19. Tipos de guías de ondas.- Existen varios tipos de guías de ondas entre las cuales están: Guía de onda rectangular Guía de onda circular Guía de onda acanalada Guía de onda flexible

20. Guía de Onda Rectangular.- 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 abajo de una guía de onda sin reflejarse a los lados, por 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 zigzag, con el campo eléctrico máximo en el centro de la guía y cero en la superficie de las paredes.

21. Guías de Onda Circulares.- La guía de onda circular es por mucho la más común, pero esta es más utilizada para radares y microondas. En guías de onda se utilizan cuando es necesario o ventajoso propagar tanto ondas polarizadas verticales como horizontales en la misma guía de onda. El comportamiento de las ondas electromagnéticas en la guía de onda circular es el mismo como en la guía de onda rectangular. Pero debido a la diferente geometría, algunos de los cálculos se realizan diferentes. La guía de onda circular es más fácil de construir que una guía de onda rectangular y más fácil de unir. Una de las desventajas es que la guía de onda circular tiene un área mucho más grande que una guía de onda rectangular y ambas llevan la misma señal.

22. Guía de Onda Acanalada.- Este tipo de guías permite la operación a frecuencias más bajas para un tamaño determinado. Sin embargo, las guías de onda acanaladas son más costosas de fabricar que la guía de onda rectangular estándar. Una guía de onda acanalada tiene más pérdida por unidad de longitud que la guía de onda rectangular. Por este motivo y el alto costo es que este tipo de guía se limita a utilizarse sólo en aplicaciones especializadas.

23. Guías de Onda Flexibles.- Las guías de onda flexibles consisten de listones envueltos en espiral de latón o cobre. La parte exterior está cubierta con una capa suave dieléctrica por lo general conformada de hule, para mantener la guía de onda hermética contra agua y aire. Pequeños pedazos de guía de onda flexible se utilizan en los sistemas de microondas cuando varios transmisores y receptores están interconectados a una unidad compleja para combinar o separar. La guía de onda flexible también se utiliza extensamente en equipo para pruebas de microondas.

24. Ventajas y desventajas de las guías de ondas.- Las guías de onda presentan las siguientes ventajas y desventajas con respecto a las líneas de “Tx” y una línea coaxial. Ventajas a) Blindaje total, eliminando pérdidas por radiación. b) No hay pérdidas en el dieléctrico, pues no hay aisladores dentro. c) Las pérdidas por conductor son menores, pues solo se emplea un conductor. d) Mayor capacidad en el manejo de potencia. e) Construcción más simple que un coaxial. Desventajas a) La instalación y la operación de un sistema de guía de ondas son más complejas b) Considerando la dilatación y contracción con la temperatura, se debe sujetar mediante soportes especiales. c) Se debe mantener sujeta a presurización para mantener las condiciones de uniformidad del medio interior.