Ingeniería de microondas: guías de ondas
Generalmente, si la frecuencia de una señal o de una banda particular de señales es alta, la utilización del ancho de banda es alta ya que la señal proporciona más espacio para que se acumulen otras señales. Sin embargo, las señales de alta frecuencia no pueden viajar distancias más largas sin atenuarse. Hemos estudiado que las líneas de transmisión ayudan a que las señales viajen distancias más largas.
Las microondas se propagan a través de circuitos, componentes y dispositivos de microondas, que actúan como parte de las líneas de transmisión de microondas, en general llamadas guías de ondas.
Un tubo metálico hueco de sección transversal uniforme para transmitir ondas electromagnéticas por reflexiones sucesivas de las paredes internas del tubo se denomina como Waveguide.
La siguiente figura muestra un ejemplo de una guía de ondas.
Generalmente, se prefiere una guía de ondas en las comunicaciones por microondas. Waveguide es una forma especial de línea de transmisión, que es un tubo metálico hueco. A diferencia de una línea de transmisión, una guía de ondas no tiene un conductor central.
Las principales características de una guía de ondas son:
La pared del tubo proporciona inductancia distribuida.
El espacio vacío entre las paredes del tubo proporciona capacitancia distribuida.
Son voluminosos y costosos.
Ventajas de las guías de ondas
A continuación se presentan algunas ventajas de las guías de ondas.
Las guías de ondas son fáciles de fabricar.
Pueden manejar una potencia muy grande (en kilovatios).
La pérdida de potencia es muy insignificante en las guías de ondas.
Ofrecen una pérdida muy baja (bajo valor de atenuación alfa).
Cuando la energía de microondas viaja a través de la guía de ondas, experimenta menores pérdidas que un cable coaxial.
Tipos de guías de ondas
Hay cinco tipos de guías de ondas.
- Guía de ondas rectangular
- Guía de ondas circular
- Guía de ondas elípticas
- Guía de ondas de un solo surco
- Guía de ondas de doble surco
Las siguientes figuras muestran los tipos de guías de ondas.
Los tipos de guías de ondas que se muestran arriba son huecos en el centro y están formados por paredes de cobre. Estos tienen un revestimiento delgado de Au o Ag en la superficie interna.
Comparemos ahora las líneas de transmisión y las guías de ondas.
Líneas de transmisión Vs guías de onda
La principal diferencia entre una línea de transmisión y una guía de ondas es:
UN two conductor structure que puede soportar una onda TEM es una línea de transmisión.
UN one conductor structure que puede soportar una onda TE o una onda TM pero no una onda TEM se denomina guía de ondas.
La siguiente tabla muestra las diferencias entre las líneas de transmisión y las guías de ondas.
Lineas de transmisión | Guías de ondas |
---|---|
Soporta onda TEM | No es compatible con la onda TEM |
Todas las frecuencias pueden pasar | Solo las frecuencias que son mayores que la frecuencia de corte pueden pasar |
Transmisión de dos conductores | Transmisión de un conductor |
Los reflejos son menos | Una onda viaja a través de los reflejos de las paredes de la guía de ondas. |
Tiene una impedancia característica | Tiene impedancia de onda |
La propagación de ondas se realiza según la "teoría de circuitos" | La propagación de ondas se realiza según la "teoría de campos". |
Tiene un conductor de retorno a tierra | No se requiere conductor de retorno ya que el cuerpo de la guía de ondas actúa como tierra |
El ancho de banda no está limitado | El ancho de banda es limitado |
Las olas no se dispersan | Las olas se dispersan |
Velocidad de fase
La velocidad de fase es la velocidad a la que la onda cambia su fase para experimentar un cambio de fase de 2πradianes. Puede entenderse como el cambio en la velocidad de los componentes de onda de una onda sinusoidal, cuando se modula.
Derivemos una ecuación para la velocidad de fase.
Según la definición, la tasa de cambio de fase en 2π Se deben considerar radianes.
Lo que significa, $λ$ / $T$ por lo tanto,
$$ V = \ frac {\ lambda} {T} $$
Dónde,
$ λ $ = longitud de onda y $ T $ = tiempo
$$ V = \ frac {\ lambda} {T} = \ lambda f $$
Dado que $ f = \ frac {1} {T} $
Si multiplicamos el numerador y el denominador por 2π entonces tenemos
$$ V = \ lambda f = \ frac {2 \ pi \ lambda f} {2 \ pi} $$
Sabemos que $ \ omega = 2 \ pi f $ and $ \ beta = \ frac {2 \ pi} {f} $
La ecuación anterior se puede escribir como,
$$ V = \ frac {2 \ pi f} {\ frac {2 \ pi} {\ lambda}} = \ frac {\ omega} {\ beta} $$
Por lo tanto, la ecuación para la velocidad de fase se representa como
$$ V_p = \ frac {\ omega} {\ beta} $$
Velocidad de grupo
La velocidad de grupo se puede definir como la velocidad a la que la onda se propaga a través de la guía de ondas. Esto puede entenderse como la velocidad a la que viaja una envolvente modulada en comparación con el portador solo. Esta onda modulada viaja a través de la guía de ondas.
La ecuación de velocidad de grupo se representa como
$$ V_g = \ frac {d \ omega} {d \ beta} $$
La velocidad de la envolvente modulada suele ser más lenta que la señal portadora.