Radiación de ondas electromagnéticas

Radiación de ondas electromagnéticas

De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, los campos electromagnéticos son producidos o creados por fuentes que varían con el tiempo, como las corrientes y las cargas. Si estos campos son producidos por fuentes que varían con el tiempo y se limitan a propagarse como una onda dentro de una guía de ondas oa lo largo de una línea de transmisión, entonces la onda generalmente se denomina onda guiada.

Un sistema de radiación se forma cuando estas fuentes, de tamaño finito crean una onda que luego se propaga lejos de ellas (sin conexión a las fuentes) en un medio ilimitado. Este proceso de formación colectiva de radiación se denomina radiación de ondas electromagnéticas.

La figura siguiente muestra que el espectro electromagnético varía desde una longitud de onda de 10 a 0.1 μm y se indican sus rangos de frecuencia correspondientes.

Espectro Electromagnético

Depende de la frecuencia de operación y las longitudes de onda, estas ondas electromagnéticas se transportan a través de diferentes medios tales como cables coaxiales, guías de onda, fibras ópticas, etc. Con un ancho de banda mayor, podemos transmitir más información y, por lo tanto, la frecuencia de las ondas en general aumentado a niveles más altos.

Para aplicaciones de baja frecuencia (como en transmisiones y líneas telefónicas), las ondas electromagnéticas se transmiten a través de cables coaxiales que tienen pérdidas moderadas y baja interferencia electromagnética.

Pero para aplicaciones muy altas, el conductor central del cable coaxial tiene pérdidas suficientes y, por lo tanto, se reduce el área de superficie conductora. Para reducir este efecto, se utilizan guías de onda que son básicamente tubos huecos dentro de los cuales se propagan las ondas electromagnéticas.

Las tuberías de metal huecas, los cables coaxiales y los cables de fibra óptica son ejemplos de guías de onda. Y para transmitir o recibir la energía electromagnética en forma de radiación generalmente usamos antenas.

 

Introducción a las guías de onda

Cualquier sistema de conductores e insul El controlador que se utiliza para transmitir la onda electromagnética se denomina guía de ondas. Es un medio o tubo conductor hueco que transmite ondas electromagnéticas de alta frecuencia desde la fuente hasta el destino.

Se utilizan tubos de metaloides huecos especialmente diseñados como guías de onda. Tales guías de onda construidas proporcionan una atenuación de la línea de transmisión para transmitir la energía eléctrica a frecuencias de microondas. Dentro de una guía de ondas, cualquier configuración de campos eléctricos y mecánicos debe tener una solución de ecuaciones de campo de Maxwell.

Además, las condiciones de contorno impuestas por las paredes de las guías deben ser satisfechas por estos campos. Existen diferentes modos según los cuales las configuraciones de campo cumplen los requisitos. Estos modos incluyen modos transversales eléctricos o TE o modos H.

En tales modos, el campo eléctrico es transversal al eje de la guía y no tiene ningún componente en la dirección de la guía, excepto en la ubicación de los asociados. campo magnético.

En otro caso particular, el campo magnético está en todas partes transversal al eje de la guía y en algunos lugares el campo eléctrico tiene componentes en la dirección de propagación. Este tipo de modo se denomina TM o modo magnético transversal o modo E.

Clasificación de guías de onda

Generalmente, las guías de onda se clasifican en dos tipos principales: guías de onda de metal y guías de onda dieléctrica.

Guías de onda de metal

Estas guías de onda tienen la forma de una tubería de metal cerrada. Por la reflexión de las paredes conductoras, la propagación de la onda se caracteriza dentro de la guía de ondas de metal.

Se utilizan en hornos de microondas, enlaces de radio por microondas, comunicaciones por satélite, conjuntos de radar, etc. como línea de transmisión en microondas frecuencias para conectar receptores de microondas y transmisores a sus antenas.

Guías de onda dieléctrica

Estas guías de onda están compuestas solo por dieléctricos. Para propagar la onda electromagnética a lo largo de la guía de onda, emplea la reflexión de las interfaces dieléctricas.

En lugar de tener una tubería hueca, la guía de onda dieléctrica emplea una barra dieléctrica sólida. En la práctica, una fibra óptica es una guía de onda dieléctrica diseñada para trabajar en las frecuencias ópticas.

Una vez más, estas guías de onda se clasifican en dos tipos: guía de onda rectangular y guía de onda circular.

In waveguid rectangular e, el campo eléctrico varía con el tiempo y tiene el máximo en el centro, mientras que las líneas magnéticas son tangenciales a las paredes.

Ambas son curvas y pasan a través de la guía. El área de esta guía de onda está en forma rectangular. Estos se utilizan a frecuencias ultraelevadas como alternativa a la línea de transmisión para la transmisión de energía eléctrica.

Circular Waveguide tiene la sección transversal circular uniforme a lo largo de su longitud. Estos se utilizan como una alternativa a las guías de onda rectangulares. Estos se utilizan a menudo para alimentar los cuernos cónicos y la sección transversal redonda hace que sea fácil de mecanizar. Estas guías de onda admiten modos transversales magnéticos (TM) y eléctricos transversales (TE).

 Clasificación de guías de onda

Modos de propagación de guía de onda

Considere una fuente de radiación electromagnética que varía con el tiempo, la propagación de ondas electromagnéticas asociadas con ambos y los campos magnéticos a través de un medio caracterizado por la permeabilidad μ y la permitividad є deben satisfacer las ecuaciones de Maxwell sin fuente. Y se dan como

∇ × E ̅ =-jwμ H ̅

∇ × H ̅ = jw є E ̅

Para obtener los campos eléctricos y magnéticos, estas ecuaciones de Maxwell se pueden manipular en ecuaciones de onda como

∇2 E ̅ + K2 E ̅ = 0

∇2 H ̅ + K2 H ̅ = 0

Donde K = w √μє que es un valor real para medios sin pérdida y es un valor complejo para un medio con pérdida.

Los campos de una onda (eléctrica y magnética) que se propagan en dirección del plano z en forma no guiada (en caso de onda plana) o la propagación de ondas guiadas (transmisión o guía de ondas) a través de un medio arbitrario con constante de propagación ɣ se caracteriza por una dependencia z de e-ɣz.

Estos campos de una onda en coordenadas rectangulares pueden escribirse como

E ̅ (x, y, z) = e ̅ (x, y) e-ɣz

H ̅ (x, y, z) = h ̅ (x, y) e-ɣz

Donde ɣ = α + j β y α es la constante de atenuación de onda y β es la constante de fase de onda. Cuando la onda viaja a través del medio puro o de pérdida menos, entonces la constante de propagación es puramente imaginaria, mientras que en el caso del medio con pérdida, es un valor complejo.

Las derivadas de los campos transversales con respecto a z son

∂ E ̅ x/∂z =-ɣ E ̅x y ∂ E ̅ y/∂z =-ɣ E ̅y

Del mismo modo ∂ H ̅ x/∂z =-ɣ H ̅x y ∂ H/y = =z =-ɣ H ̅y

Si equiparamos los componentes del vector en cada lado de las dos ecuaciones de rizo de Maxwell, obtenemos

jw є E ̅ x = (∂ H ̅ z/∂y) + ɣ H ̅ y………………… (1a)

jw є y =-ɣ H ̅ x-(∂ H ̅ z/∂x)………………… (1b)

jw є E ̅ z = ∂ H ̅ y/∂x-(∂ H ̅ x/∂y)………………… (1c)

-jw μ H ̅ x = (∂ E ̅ z/∂y) + ɣ E ̅ y………………… (2a)

-jw μ H ̅ y =-ɣ E ̅ x-(∂ E ̅ z/∂x)………………… (2b)

-jw μ H ̅ z = ∂ E ̅ y/∂ x-(∂ E ̅ x/∂y)………………… (2c)

Para obtener los componentes de los campos longitudinales podemos resolver las ecuaciones 1 y 2 en términos de los componentes del campo magnético transversal.

Resolviendo

E x = (1/h2) [(-ɣ ̅ E ̅ z/∂x)-(jw μ ∂ H ̅ z/∂y)]

E ̅ y = ( 1/h2) [(-ɣ ̅ E ̅ z/∂y) + (jw μ ∂ H/zx)]

H ̅ x = (1/h2 ) [(jw є ̅ E ̅ z/∂y)-(ɣ ̅ H/zx)]

H ̅ y = (1/h2) [(-jw є ∂ E ̅ z/∂x)-(ɣ ̅ H ̅ z/∂y)]

Donde h es la constante y está definida por

h2 = ɣ2 + w2 μ є = ɣ2 + K2

ɣ = √ (h2-K2)

Es importante tener en cuenta que en las ecuaciones anteriores, todas las componentes transversales de E ̅ y H ̅ se pueden determinar a partir de las únicas componentes axiales de E ̅ z y H ̅ z.

Así la las ecuaciones para los campos transversales en términos de los campos longitudinales describen los diferentes modos posibles para las ondas guiadas y no guiadas. Hay varias configuraciones de campo o patrones de campo o modos que incluyen TEM, TE, TM e híbridos (modos EH o HE).

Modos TEM

En modos electromagnéticos transversales (TEM) E ̅ z = 0 y H ̅ z = 0. Por lo tanto, ambos campos E ̅ y H ̅ son transversales a la dirección de propagación de la onda. Con E ̅ z = 0 y H ̅ z = 0, la única forma para que los campos transversales sean distintos de cero es para h = 0, que proporciona

ɣ = √ (0-K2)

= jK = α + j β

β = K

Esto implica que la constante de atenuación es cero (α = 0) para una onda TEM. Esto significa que una onda TEM se propaga sin atenuación entre los dos planos perfectamente conductores para todas las frecuencias superiores a cero.

Por lo tanto, para ondas TEM no guiadas que se propagan a través de un medio sin pérdidas o ondas TEM guiadas que se propagan a través de una línea de transmisión, tiene la constante de propagación ɣ = j β. Las guías de onda rectangulares no pueden soportar los modos TEM porque todos los campos en las ecuaciones son cero como E ̅ z y H ̅ z = 0.

Modos TE y TM

En modos eléctricos transversales (TE) E ̅ z = 0 y H ̅ z ≠ 0 mientras que en los modos transversales magnéticos (TM) E ̅ z ≠ 0 y H ̅ z = 0. En los modos TE, E ̅ x y E ̅ y del campo eléctrico son transversales a la dirección de propagación de la onda. Campos en el modo TE

En el modo magnético transversal (TM), el campo H ̅ es transversal (o normal) a la dirección de propagación de la onda.

 Campos en modo TM

Estos dos modos se llaman como guía de onda modos. Para estos modos, h no puede ser cero, ya que daría resultados ilimitados para los campos transversales. Por lo tanto, para las guías de onda ɣ ≠ j β. La constante de propagación de la guía de ondas se puede obtener como

ɣ = √ (h2-K2)

= √ (-K2 (1-h2/K2))

= jK √ (1-(h/K) 2)

Por lo tanto, en modos TE o TM o modos de guía de onda, la constante de propagación de una onda tiene características diferentes a la constante de propagación en el modo TEM. La relación de h/K en la ecuación de constante de propagación anterior del modo de guía de ondas se puede escribir en términos de frecuencia de corte fc y se da como

h/K = h/(w√ μ є) = h/(2πf√ μ є)

h/K = fc/f

Donde fc es la frecuencia de corte de la guía de onda es igual a h/(2π√ μ є)

Por lo tanto, en términos de frecuencia de corte, la constante de propagación de la guía de onda se da como

ɣ = jK √ (1-(fc/f) 2)

De la ecuación de la constante de propagación anterior podemos decir que si la frecuencia es menor que la frecuencia de corte, entonces la constante de propagación es puramente un valor real, es decir, ɣ = α y, por lo tanto, e-ɣ z = e-α z. Esto implica que las ondas se atenúan cuando la frecuencia es menor que la frecuencia de corte en los modos de guía de ondas.

Aunque el ángulo de fase permanecerá constante, las amplitudes del campo disminuirán muy rápidamente con la distancia z basada en el exponencial decaimiento de e-ɣ z.

Además, si la frecuencia es mayor que la frecuencia de corte, el valor de la constante de propagación es un valor puramente imaginario, es decir, ɣ = j β y por lo tanto e-ɣ z = e-j β z. Entonces la onda se propaga sin ninguna atenuación y, por lo tanto, estos modos se llaman modos de propagación a esta frecuencia. Sin embargo, habrá una cierta atenuación de la onda en la práctica debido a la conductividad de los aviones.

Finalmente, podemos concluir que la fuente debe operar a una frecuencia mayor que la frecuencia de corte para propagar una onda a través de ella. una guía de onda para ese modo particular.

Si la frecuencia de la fuente de la guía de ondas es menor que la frecuencia de corte, entonces la onda se atenúa rápidamente en las proximidades de la fuente para ese modo en particular. Estos modos también se pueden derivar para el tipo de guía de onda rectangular y circular.

Teoría de la antena

Como hemos discutido en la introducción, la radiación de la inducción electromagnética se forma cuando las fuentes de tiempo varían crea una ola que se propaga lejos de ellos en un medio ilimitado. Por lo tanto, en forma de ondas electromagnéticas, las antenas transmiten o reciben señales.

Estas antenas son alimentadas por la línea de transmisión. La potencia radiada por la línea de transmisión que opera a 50 o 60 Hz de frecuencia es pequeña y, por lo tanto, no se considera un sistema de radiación. Pero la función de la línea de transmisión es guiar los campos de onda a lo largo de la línea y no está diseñada para servir como antena.

Esa es la razón para usar cables coaxiales en la línea de transmisión a altas frecuencias desde no irradian ninguna frecuencia.

Las ondas electromagnéticas se mantienen dentro de la línea de transmisión a través de la antena debido a las cargas, pero tan pronto como ingresan al espacio libre forman bucles cerrados y se irradian como se muestra en figura.

 Radiación desde una antena

Transmisión de antenas

El dispositivo wh ich que se coloca al final del sistema de radiación se denomina antena transmisora. Se irradia la parte de la energía recibida de una fuente (que es principalmente un oscilador) en forma de una onda electromagnética libre. Prácticamente, las líneas de transmisión alimentan las antenas desde la fuente.

La fuente alimenta la antena con un voltaje variable en el tiempo de modo que la fuente ve la antena transmisora ​​como una impedancia compleja Z en el dominio complejo como se muestra en la figura. Esta impedancia se conoce como impedancia de antena transmisora, que es la función de la frecuencia de operación.

Bajo negligencia de la condición de pérdida en la antena, la potencia promedio entregada a la antena es igual a la potencia radiada, Io2 RRad donde Io es el valor RMS de la corriente a través de la antena y RRad es la parte real de la impedancia de la antena.

 Transmisión de antenas

Por lo general, las antenas transmisoras tienen propiedades de radiación específicas que no irradian por igual en todas las direcciones. De modo que depende de la aplicación, irradian ondas electromagnéticas en direcciones específicas.

El patrón de radiación de la antena y su directividad son las dos magnitudes básicas que determinan las propiedades direccionales de las antenas. La onda o energía electromagnética radiada de la antena lleva una señal específica que consiste en información que se transmitirá a uno o más receptores.

Recepción de antenas

En el extremo receptor se extrae la energía y la señal de la onda electromagnética. Una antena se utiliza para capturar la energía radiada se conoce como una antena de recepción.

Por lo tanto, a partir de la onda electromagnética incidente, una antena receptora transfiere una parte de la energía en forma de voltaje (entre terminales de antena) a la carga. En notación compleja y en el dominio de la frecuencia, una antena receptora actúa como un generador de voltaje con impedancia interna.

La representación simbólica de la antena receptora puede describirse como el equivalente de Thevenin como se muestra en la figura. La impedancia interna de la antena transmisora ​​(generador de Thevenin) es igual a la impedancia de la antena cuando se transmite si no hay presencia de fem en sus terminales.

Por lo tanto, las propiedades de una antena receptora se pueden evaluar mediante qué propiedades puede contener la misma antena cuando está transmitiendo. Con mayor frecuencia, la misma antena se puede usar tanto para recibir como para transmitir, por ejemplo, en el caso de teléfonos móviles, la misma antena utilizada para las comunicaciones bidireccionales.

Thevenin emf en los terminales de una antena receptora depende de la forma de la antena y la dirección de la onda electromagnética incidente que la excita.

La dirección y polarización de la onda incidente influyen enormemente en la fem inducida en la antena receptora, aunque la impedancia de la antena receptora depende de las características de la antena. Por lo tanto, la antena receptora también tiene propiedades direccionales que son las mismas que cuando se utiliza para la transmisión.

 Antenas receptoras

Diferentes tipos de antenas

Una amplia variedad de antenas utilizadas para diferentes propósitos que están clasificadas en diferentes frecuencias. Las antenas pueden clasificarse en varios tipos basados ​​en factores como banda de frecuencia, diseño electromagnético, estructura física, etc., y esta clasificación se proporciona a continuación.

Basado en Frecuencia y Tamaño

Si una antena transmite de manera eficiente y recibe el ondas de frecuencias en un rango de frecuencias relativamente estrechas, entonces dicha antena se dice que es banda estrecha. Del mismo modo, si las antenas operan en un rango de frecuencia más amplio, entonces ese tipo de antenas se denominan antenas de banda ancha. Además, las antenas se proporcionan con el rango de frecuencia en el que se usan. Estas son

  • Antenas de baja frecuencia: 30 KHz a 300 KHz
  • Antenas de frecuencia media: 300 KHz a 3 MHz
  • Antenas de alta frecuencia: 3 MHz a 30 MHz
  • Antenas de muy alta frecuencia: 30 MHz a 300 MHz y
  • Antenas de ultra frecuencia: 300 MHz a 3000MHz

Basado en Directividad

Estos se clasifican de nuevo en tres tipos como

Antenas omnidireccionales

Estos tipos de antenas incluyen una antena de cuarto de onda y una antena dipolo de media onda. Este tipo de antenas irradia la misma energía en todas las direcciones alrededor de la antena en caso de transmisión y también en el extremo receptor recoge las señales de todas las direcciones. Mejor será el rendimiento de la antena si es una antena omnidireccional más larga.

Antenas sectoriales

Estas antenas irradian la energía principalmente en un área específica. El haz de antenas sectoriales puede ser tan estrecho como 60 grados y tan ancho como 180 grados. Estos se utilizan para distancias de rango limitado de alrededor de 5 a 6 km. El mejor ejemplo son las redes Wi-Fi en las comunicaciones móviles.

Antenas directivas

Se denominan antenas direccionales o de haz que irradian la potencia en una o más direcciones alrededor de la antena. Estos permiten un mayor rendimiento tanto en la recepción como en la transmisión de señales con una interferencia reducida de fuentes no deseadas.

Estas antenas se utilizan para largas distancias debido a su mayor ganancia. Algunas antenas directivas comunes incluyen antena Yagi-Uda, antena de bocina, antena de Bi-quad, antena de parche, antena helicoidal, antena parabólica y muchas otras.

 Tipos de antenas

Según la aplicación

Según la aplicación, las antenas se clasifican principalmente en dos tipos; a saber, antenas de estaciones base y antenas punto a punto. Las estaciones base se utilizan para el acceso multipunto y para este fin utilizan una antena sectorial (que se centra en un área limitada) o antenas omnidireccionales (que irradian por igual en todas las direcciones).

Las antenas punto a punto son se usa para conectar dos ubicaciones individuales y, en tales casos, se usan antenas directivas.

Basado en Aperture

Las antenas de apertura reciben y transmiten energía desde su apertura. Estos tipos incluyen

Wire Antenna

Es simplemente un cable de longitud l/2 (que es una antena dipolo) y l/4 (que es una antena monopolo), donde l es la longitud de onda de la señal transmitida. Estas antenas pueden ser antenas de bucle como antena de bucle rectangular, antena de bucle circular, etc. El mejor ejemplo de antena de alambre es una antena de látigo.

Antena de bocina

Estas antenas se consideran abiertas o acampanadas. En base a la antorcha, bocina sectorial o cuerno piramidal, o antenas tipo cuerno cónico se forman en las respectivas guías de onda.

Antena reflectora parabólica

Esta antena consiste en una antena primaria como bocina o dipolo situada en el punto focal de un reflector paraboloide. Esta disposición de esta antena implica que el reflector puede enfocar rayos paralelos en el punto focal o en otra mano; puede producir un haz paralelo de radiaciones que se originan en el punto focal.

Antena Cassegrain

En esta antena, en lugar de colocar el radiador primario de alimentación en foco, se coloca alrededor de la abertura cerca del vértice del paraboloide. En comparación con la antena parabólica simple, estas antenas son menos propensas a la dispersión.

Antena de parche Microstrip

Estas son antenas diseñadas especialmente para aplicaciones específicas como aeronaves o aplicaciones de embarcaciones espaciales para cumplir con especificaciones como el tamaño y el rendimiento, peso, instalaciones, etc. Pero las principales desventajas de estas antenas son una baja eficiencia y un ancho de banda muy estrecho.

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