Guías de onda y líneas de transmisión

Las estructuras conductoras guían las ondas electromagnéticas, soportando modos discretos por encima de las frecuencias de corte y transportando señales y energía.

Definition

El estudio de las ondas electromagnéticas confinadas y dirigidas por estructuras conductoras o dieléctricas, donde las condiciones de contorno restringen la propagación a un conjunto discreto de modos, cada uno con una frecuencia de corte y un patrón de campo, dispersión e impedancia característicos.

Scope

Este tema abarca la propagación guiada de ondas electromagnéticas en líneas de transmisión y guías de onda huecas o dieléctricas: modos eléctricos transversales, magnéticos transversales y electromagnéticos transversales, frecuencias de corte, dispersión en guías, impedancia característica, ecuaciones del telegrafista, ondas estacionarias y cavidades resonantes. Conecta las condiciones de contorno en los conductores con el transporte práctico de señales y energía.

Core questions

• ¿Cómo seleccionan las condiciones de contorno los modos que puede soportar una guía de onda?
• ¿Por qué una guía de onda hueca tiene una frecuencia de corte?
• ¿Cómo transportan las líneas de transmisión las señales y qué establece su impedancia?

Key concepts

• Modos TE, TM y TEM
• frecuencia de corte
• impedancia característica
• ecuaciones del telegrafista
• relación de onda estacionaria
• cavidad resonante
• dispersión de guía de onda

Key theories

Modos de guía de onda y corte

Las condiciones de contorno en las paredes conductoras restringen los campos a modos eléctricos transversales y magnéticos transversales discretos, cada uno propagándose solo por encima de una frecuencia de corte establecida por la geometría de la guía.

Teoría de la línea de transmisión

Las ecuaciones del telegrafista describen las ondas de voltaje y corriente en una línea en términos de inductancia, capacitancia, resistencia y conductancia distribuidas, definiendo la impedancia característica y la reflexión de cargas desadaptadas.

Clinical relevance

Las guías de onda y las líneas de transmisión dirigen señales y energía en radares, enlaces satelitales y de microondas, sistemas de radiofrecuencia de aceleradores y resonancia magnética, interconexiones de circuitos impresos y dispositivos de calentamiento y ablación por microondas.

History

Heaviside desarrolló la teoría de las líneas de transmisión y las ecuaciones del telegrafista a finales del siglo XIX. Rayleigh analizó la propagación de ondas en guías huecas en 1897, y la tecnología práctica de guías de onda huecas y microondas maduró en las décadas de 1930 y 1940 con el trabajo de Southworth, Barrow y otros.

Key figures

• Oliver Heaviside
• John William Strutt (Lord Rayleigh)
• George Southworth

Seminal works

• jackson1998
• pozar2011

Frequently asked questions

¿Por qué una guía de onda hueca deja de transmitir por debajo de cierta frecuencia?

Las condiciones de contorno obligan al campo a ajustarse a un patrón transversal con una escala espacial mínima; por debajo de la frecuencia de corte correspondiente, la onda no puede satisfacerlas y se atenúa en lugar de propagarse.

¿Qué es la impedancia característica?

Es la relación entre el voltaje y la corriente para una onda que viaja a lo largo de una línea de transmisión, determinada por la geometría y los materiales de la línea; la adaptación de las cargas a ella evita las reflexiones.