thumb|Una sección de una guía de ondas flexible con una brida presurizable. thumb|right|alt=(animación) Campo eléctrico Ex componente del modo TE31 dentro de una guía de onda metálica hueca para banda x. Una sección transversal de la guía de ondas permite observar el campo en su interior.|Campo eléctrico Ex componente del modo TE31 dentro de una guía de onda metálica hueca para banda x. En el ámbito del electromagnetismo y en telecomunicación, una guía de ondas es cualquier estructura física que guía ondas electromagnéticas o sonido, con una pérdida mínima de energía al restringir la transmisión de energía en una dirección. Sin la restricción física de una guía de ondas, las intensidades de onda disminuyen de acuerdo con la ley del cuadrado inverso a medida que se expanden en un espacio tridimensional.
Existen diferentes tipos de guías de ondas para diferentes tipos de ondas. El significado original y más comúnInstitute of Electrical and Electronics Engineers, “The IEEE standard dictionary of electrical and electronics terms”; 6th ed. New York, N.Y., Institute of Electrical and Electronics Engineers, c1997. IEEE Std 100-1996. [ed. Standards Coordinating Committee 10, Terms and Definitions; Jane Radatz, (chair)] es un tubo metálico conductor hueco que se usa para transportar ondas de radio de alta frecuencia, particularmente microondas. Estas guías se basan en la anulación del campo eléctrico en el conductor. Sin embargo existen guías de ondas basadas en otros principios, como la refracción en dieléctricos. Las guías de ondas dieléctricas se utilizan a frecuencias de radio más altas, y las guías de ondas dieléctricas transparentes y las fibras ópticas sirven como guías de ondas para la luz. En acústica, los conductos de aire y las bocinas se utilizan como guías de ondas para el sonido en instrumentos musicales y altavoces, y varillas de metal de forma especial conducen ondas ultrasónicas en el mecanizado ultrasónico.
La geometría de una guía de ondas refleja su función; además de los tipos más comunes que canalizan la onda en una dimensión, existen guías de ondas de placa bidimensional que limitan las ondas a dos dimensiones. La frecuencia de la onda transmitida también dicta el tamaño de una guía de ondas: cada guía de ondas tiene una longitud de onda de corte determinada por su tamaño y no conducirá ondas de mayor longitud de onda; una fibra óptica que guía la luz no transmitirá microondas que tienen una longitud de onda mucho mayor. Algunas estructuras naturales también pueden actuar como guías de ondas. La capa del canal SOFAR en el océano puede guiar el sonido del canto de las ballenas a través de enormes distancias.ORIENTATION BY MEANS OF LONG RANGE ACOUSTIC SIGNALING IN BALEEN WHALES, R. Payne, D. Webb, in Annals NY Acad. Sci., 188:110-41 (1971) Cualquier forma de sección transversal de la guía de ondas puede soportar ondas EM. Las formas irregulares son difíciles de analizar. Las guías de ondas de uso común son de forma rectangular y circular.
Principio de funcionamiento thumb|Ejemplo de guías de ondas y diplexor en un radar de control de tráfico aéreo. Las ondas se propagan en todas direcciones en el espacio abierto como ondas esféricas (si bien, estrictamente, no existe tal cosa como un emisor isotrópico de radiación electromagnética). La potencia de la onda cae con la distancia R desde la fuente como el cuadrado de la distancia (ley del cuadrado inverso). Una guía de ondas confina la onda para que se propague en una dimensión, de modo que, en condiciones ideales, la onda no pierde potencia mientras se propaga. Debido a la reflexión total en las paredes, las ondas se limitan al interior de una guía de ondas.
Historia La primera guía de onda fue propuesta por Joseph John Thomson en 1893 quien sugirió propagar ondas electromagnéticas dentro de una cavidad metálica cilíndrica. Experimentalmente, este hecho fue verificado por el físico británico Oliver Lodge en 1894. El análisis matemático de los modos de propagación de un cilindro metálico hueco fue realizado por primera vez por el también físico británico Lord Rayleigh en 1897.N. W. McLachlan, Theory and Applications of Mathieu Functions, p. 8 (1947) (reprinted by Dover: New York, 1964). Para ondas sonoras Lord Rayleigh publicó un análisis matemático completo de los modos de propagación en su obra fundamental, "La teoría del sonido".The Theory of Sound, by J. W. S. Rayleigh, (1894) Jagadish Chandra Bose investigó longitudes de onda milimétricas utilizando guías de onda, y en 1897 describió a la Royal Institution de Londres su investigación llevada a cabo en Calcuta. reprinted in Igor Grigorov, Ed., Antentop, Vol. 2, No.3, pp. 87–96.
El estudio de las guías de ondas dieléctricas (como las fibras ópticas, ver más abajo) comenzó ya en la década de 1920 por varias personas, las más famosas de las cuales son Rayleigh, Sommerfeld y Debye.Advanced Engineering Electromagnetics , by C. A. Balanis, John Wiley & Sons (1989). La fibra óptica comenzó a recibir una atención especial en la década de 1960 debido a su importancia para la industria de las comunicaciones.
El desarrollo de la comunicación por radio se produjo inicialmente en las frecuencias más bajas porque estas podían propagarse más fácilmente a grandes distancias. Las longitudes de onda largas hicieron que estas frecuencias no fueran adecuadas para su uso en guías de ondas metálicas huecas debido a los tubos de diámetro impracticablemente grandes requeridos. En consecuencia, la investigación sobre guías de ondas de metal hueco se estancó y el trabajo de Lord Rayleigh fue olvidado por un tiempo y tuvo que ser redescubierto por otros. Investigaciones prácticas reanudadas en la década de 1930 por George C. Southworth en Bell Labs y Wilmer L. Barrow en el MIT. Southworth al principio tomó la teoría de artículos sobre ondas en varillas dieléctricas porque desconocía el trabajo de Lord Rayleigh. Esto lo engañó un poco; algunos de sus experimentos fallaron porque no era consciente del fenómeno de la frecuencia de corte de la guía de ondas que ya se encontraba en el trabajo de Lord Rayleigh. John R. Carson y Sallie P. Mead retomaron un trabajo teórico serio. Este trabajo condujo al descubrimiento de que para el modo TE 01 en la guía de ondas circular las pérdidas disminuyen con la frecuencia y en un momento esto fue un serio competidor para el formato de telecomunicaciones de larga distancia.Oliner, pp. 544-548
La importancia del radar en la Segunda Guerra Mundial dio un gran impulso a la investigación de guías de ondas, al menos en el lado aliado. El magnetrón, desarrollado en 1940 por John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, proporcionó una buena fuente de energía e hizo factibles los radares de microondas. El centro de investigación más importante de los EE.UU. estaba en el Laboratorio de Radiación (Rad Lab) del MIT, pero muchos otros participaron en los EE.UU. y en el Reino Unido, como el Establecimiento de Investigación de Telecomunicaciones. El jefe del Grupo de Desarrollo Fundamental en Rad Lab fue Edward Mills Purcell. Sus investigadores incluyeron a Julian Schwinger, Nathan Marcuvitz, Carol Gray Montgomery y Robert H. Dicke. Gran parte del trabajo de Rad Lab se concentró en encontrar modelos de elementos agrupados de estructuras de guías de ondas para que los componentes de las guías de ondas pudieran analizarse con la teoría de circuitos estándar. Hans Bethe también estuvo brevemente en Rad Lab, pero mientras estuvo allí produjo su teoría de la pequeña apertura que resultó importante para los filtros de cavidad de guía de ondas, desarrollada por primera vez en Rad Lab. La parte alemana, por otro lado, ignoró en gran medida el potencial de las guías de ondas en el radar hasta muy tarde en la guerra. Tanto es así que cuando se enviaron piezas de radar de un avión británico derribado a Siemens & Halske para el análisis, aunque fueron reconocidos como componentes de microondas, no se pudo identificar su propósito.
"En ese momento, las técnicas de microondas estaban muy desatendidas en Alemania. En general, se creía que no era de utilidad para la guerra electrónica, y aquellos que querían realizar trabajos de investigación en este campo no estaban autorizados a hacerlo."
- H. Mayer, vicepresidente en tiempo de guerra de Siemens & Halske
Incluso se permitió a los académicos alemanes continuar publicando sus investigaciones en este campo porque no se consideraba importante.
Inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial, la guía de ondas fue la tecnología elegida en el campo de las microondas. Sin embargo, tiene algunos problemas; es voluminoso, caro de producir y el efecto de la frecuencia de corte dificulta la producción de dispositivos de banda ancha. La guía de ondas estriada puede aumentar el ancho de banda más allá de una octava, pero una mejor solución es utilizar una tecnología que funcione en modo TEM (es decir, sin guía de ondas) como los conductores coaxiales, ya que TEM no tiene una frecuencia de corte. También se puede utilizar un conductor rectangular blindado, que tiene ciertas ventajas de fabricación sobre el cable coaxial y puede considerarse el precursor de las tecnologías planas (stripline y microstrip). Sin embargo, las tecnologías planas realmente comenzaron a despegar cuando se introdujeron los circuitos impresos. Estos métodos son significativamente más baratos que la guía de ondas y han ocupado su lugar en la mayoría de las bandas. Sin embargo, la guía de ondas todavía se ve favorecida en las bandas de microondas más altas desde alrededor de la banda Ku hacia arriba.
Introducción Algunos sistemas de telecomunicaciones utilizan la propagación de ondas electromagnéticas en el espacio libre, sin embargo también se puede transmitir información mediante el confinamiento de estas ondas en cables o guías. En SHF, banda de frecuencia donde se encuentran las microondas, las líneas de transmisión y los cables coaxiales presentan atenuaciones muy elevadas por lo que introducen mucha pérdida al voltaje y corriente de superalta frecuencia que viaja por ellos, impidiendo que la microonda llegue a su destino con un nivel de potencia apropiado para que la información que transporta pueda ser extraída sin errores.
Mientras que en las líneas de transmisión (coaxiales por ejemplo) lo que viaja por ellos es un voltaje y una corriente de alta o muy alta frecuencia, por las guías de onda lo que viaja es un campo electromagnético cuya longitud de onda se encuentra en el orden de las 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.
Principios de operación