Ondas guiadas. Guía de onda rectangular

Supongamos que el medio en el que se propaga la onda electromagnética es isótropo, lineal y homogéneo, no conductor. La onda electromagnética se propaga a lo largo del eje Z.

E → = E x i ^ + E y j ^ + E z k ^ , { E x = E 0x exp( i( kz−ωt ) ) E y = E 0y exp( i( kz−ωt ) ) E z = E 0z exp( i( kz−ωt ) ) B → = B x i ^ + B y j ^ + B z k ^ , { B x = B 0x exp( i( kz−ωt ) ) B y = B 0y exp( i( kz−ωt ) ) B z = B 0z exp( i( kz−ωt ) )

Las amplitudes E0x, E0y, E0z, B0x, B0y, B0z son funciones de x e y, que por ahora no conocemos, la dependencia con z y t aparece en la función exponencial. La onda electromagnética no es transversal ya que tiene una compoenete Ez a lo largo de la dirección de propagación

Apicamos la ley de Faraday en forma diferencial

∇ → × E → =− ∂ B → ∂t ( ∂ E z ∂y − ∂ E y ∂z ) i ^ +( ∂ E x ∂z − ∂ E z ∂x ) j ^ +( ∂ E y ∂x − ∂ E x ∂y ) k ^ =− ∂ ∂t ( B x i ^ + B y j ^ + B z k ^ ) { ∂ E 0z ∂y e i(kz−ωt) −ik E 0y e i(kz−ωt) =iω B 0x e i(kz−ωt) ik E 0x e i(kz−ωt) − ∂ E 0z ∂x e i(kz−ωt) =iω B 0y e i(kz−ωt) ∂ E 0y ∂x e i(kz−ωt) − ∂ E 0x ∂y e i(kz−ωt) =iω B 0z e i(kz−ωt) { ∂ E 0z ∂y −ik E 0y =iω B 0x ik E 0x − ∂ E 0z ∂x =iω B 0y ∂ E 0y ∂x − ∂ E 0x ∂y =iω B 0z

La ley de Ampère-Maxwell, sin corrientes

∇ → × B → − 1 c 2 ∂ E → ∂t =0 ( ∂ B z ∂y − ∂ B y ∂z ) i ^ +( ∂ B x ∂z − ∂ B z ∂x ) j ^ +( ∂ B y ∂x − ∂ B x ∂y ) k ^ − 1 c 2 ∂ ∂t ( E x i ^ + E y j ^ + E z k ^ )=0 { ∂ B 0z ∂y −ik B 0y + 1 c 2 iω E 0x =0 ik B 0x − ∂ B 0z ∂x + 1 c 2 iω E 0y =0 ∂ B 0y ∂x − ∂ B 0x ∂y + 1 c 2 iω E 0z =0

Las cuatro componentes transversales E0x, E0y, B0x, B0y se pueden deducir de las componentes longitudinales, E0z, B0z del siguiente modo

Las ecuaciones de propagación de las ondas electromagnéticas son

{ ∇ 2 E → − ε 0 μ 0 ∂ 2 E → ∂ t 2 =0 ∇ 2 B → − ε 0 μ 0 ∂ 2 B → ∂ t 2 =0

La onda electromagnética se propaga a lo largo del eje Z

( ∂ 2 E 0z ∂ x 2 + ∂ 2 E 0z ∂ y 2 ) e i( kz−ωt ) − k 2 E 0z e i( kz−ωt ) + ω 2 c 2 E 0z e i( kz−ωt ) =0 ∂ 2 E 0z ∂ x 2 + ∂ 2 E 0z ∂ y 2 +( ω 2 c 2 − k 2 ) E 0z =0 ∂ 2 E 0z ∂ x 2 + ∂ 2 E 0z ∂ y 2 + γ 2 E 0z =0

De modo similar

∂ 2 B 0z ∂ x 2 + ∂ 2 B 0z ∂ y 2 + γ 2 B 0z =0

Los valores del número de onda k son discretos y vienen determinados por la frecuencia ω de la onda electromagnética y por la geometría y características del medio en el que se propaga ε, μ (no conductor)

Resolvemos la ecuación diferencial utilizando el procedimiento de variables separadas

B z ( x,y,t )=X(x)Y(y)exp( i( kz−ωt ) )

Introducimos en la ecuación diferencial

∂ 2 B 0z ∂ x 2 + ∂ 2 B 0z ∂ y 2 + γ 2 B 0z =0 ( Y d 2 X d x 2 +X d 2 Y d y 2 + γ 2 XY )exp( i( kz−ωt ) )=0 1 X(x) d 2 X(x) d x 2 + 1 Y(y) d 2 Y(y) d y 2 + γ 2 =0

El primer término, es solamente función de x el segundo solamente de y. Convertimos así, una ecuación diferencial en un sistema de dos ecuaciones diferenciales cuya solución es sencilla

{ 1 X(x) d 2 X(x) d x 2 =− α 2 1 Y(y) d 2 Y(y) d y 2 =− β 2 γ 2 = α 2 + β 2

La solución de las ecuaciones diferenciales son

{ d 2 X d x 2 + α 2 X=0, X(x)= C 1 sin( αx )+ C 2 cos( αx ) d 2 Y d y 2 + β 2 Y=0, Y(y)= C 3 sin( βy )+ C 4 cos( βy )

La expresión de la amplitud B0z del campo magnético es

B 0z =( C 1 sin( αx )+ C 2 cos( αx ) )( C 3 sin( βy )+ C 4 cos( βy ) )

Sus derivadas resopecto de x e y son

∂ B 0z ∂x =α( C 1 cos( αx )− C 2 sin( αx ) )( C 3 sin( βy )+ C 4 cos( βy ) ) ∂ B 0z ∂y =β( C 1 sin( αx )+ C 2 cos( αx ) )( C 3 cos( βy )− C 4 sin( βy ) )

TE, ondas transversales eléctricas

Las ondas transversales eléctricas están caracterizadas por que Ez=0

El caso más sencillo, es una guía rectangular de dimensiones a y b que se extiende a lo largo del eje Z

La condición de contorno es ∂ B z ∂n | pared =0 , donde el símbolo n indica derivada en la dirección normal a la superficie metálica evaluada en la posición de dicha superficie de la guía. Estas condiciones son equivalentes a las siguientes

En las proximidades de los planos conductores el campo eléctrico tiene dirección perpendicular a los mismos

Los coeficientes C1, C2, C3 y C4 se determinan a partir de las condiciones de contorno

Obtenemos valores discretos de α y β

{ sin( αa )=0, αa=mπ, m=0,1,2,3... sin( βb )=0, βb=nπ, n=0,1,2,3... γ m,n 2 = α 2 + β 2 = ( mπ a ) 2 + ( nπ b ) 2

Amplitudes

La amplitud B0z de la componente Bz del campo magnético vale

B 0z = C 2 cos( mπ a x ) C 4 cos( nπ b y ) B 0z = B 0 cos( mπ a x )cos( nπ b y )

Donde el nuevo coeficiente B0=C2C4

La componente Bz del campo magnético vale

B z =Re{ B 0z exp( i( kz−ωt ) ) }= B 0 cos( mπ a x )cos( nπ b y )cos( kz−ωt )

Conocido B0z y E0z=0, determinamos las otras amplitudes de las componentes del campo eléctrico y magnético

Resumiendo, las componentes del campo eléctrico E → y del campo magnético B → , son

E → ={ E x = ω γ 2 nπ b B 0 cos( mπ a x )sin( nπ b y )sin( kz−ωt ) E y =− ω γ 2 mπ a B 0 sin( mπ a x )cos( nπ b y )sin( kz−ωt ) E z =0 B → ={ B x = k γ 2 mπ a B 0 sin( mπ a x )cos( nπ b y )sin( kz−ωt ) B y = k γ 2 nπ b B 0 cos( mπ a x )sin( nπ b y )sin( kz−ωt ) B z = B 0 cos( mπ a x )cos( nπ b y )cos( kz−ωt )

Energía por unidad de tiempo

El vector de Poynting es el producto vectorial

S → = E → × H → = 1 μ 0 | i ^ j ^ k ^ E x E y 0 B x B y B z |=( E y B z ) i ^ −( E x B z ) j ^ +( E x B y − E y B x )

Teniendo en cuenta que el valor medio de una función periódica

〈 f(t) 〉= 1 P ∫ 0 P f(t)dt 〈 cos 2 ( kz−ωt ) 〉=〈 sin 2 ( kz−ωt ) 〉= 1 2 〈 cos( kz−ωt )sin( kz−ωt ) 〉=0

>> syms k z w t;
>> w*int(sin(k*z-w*t)^2,t,0,pi/w)/pi
 ans =1/2
>> w*int(cos(k*z-w*t)^2,t,0,pi/w)/pi
 ans =1/2
>> w*int(cos(k*z-w*t)*sin(k*z-w*t),t,0,pi/w)/pi
 ans =0

El valor medio de <Sx>=<Sy>0, es nulo ya que son productos del seno por el coseno, solamente queda el valor medio a lo largo del eje Z, <Sz>

S z = 1 μ 0 ( ω γ 2 nπ b B 0 cos( mπ a x )sin( nπ b y )sin( kz−ωt ) k γ 2 nπ b B 0 cos( mπ a x )sin( nπ b y )sin( kz−ωt )+ ω γ 2 mπ a B 0 sin( mπ a x )cos( nπ b y )sin( kz−ωt ) k γ 2 mπ a B 0 sin( mπ a x )cos( nπ b y )sin( kz−ωt ) ) 〈 S z 〉= 1 μ 0 kω γ 4 B 0 2 ( ( nπ b ) 2 cos 2 ( mπ a x ) sin 2 ( nπ b y )+ ( mπ a ) 2 sin 2 ( mπ a x ) cos 2 ( nπ b y ) )〈 sin 2 ( kz−ωt ) 〉 〈 S z 〉= kω 2 μ 0 π 2 a 4 b 4 ( m 2 b 2 + n 2 a 2 ) 2 B 0 2 ( ( n b ) 2 cos 2 ( mπ a x ) sin 2 ( nπ b y )+ ( m a ) 2 sin 2 ( mπ a x ) cos 2 ( nπ b y ) )

se ha tenido en cuenta que γ2=α2+β2

La energía por unidad de tiempo (potencia) es

P= ∫ 0 b ∫ 0 a 〈 S z 〉dx·dy = kω 2 μ 0 π 2 a 4 b 4 ( m 2 b 2 + n 2 a 2 ) 2 B 0 2 ( ( n b ) 2 ∫ 0 b ∫ 0 a cos 2 ( mπ a x ) sin 2 ( nπ b y )dx·dy + ( m a ) 2 ∫ 0 b ∫ 0 a sin 2 ( mπ a x ) cos 2 ( nπ b y )dx·dy )

Teniendo en cuenta los resultados de las integrales

∫ cos 2 x·dx = ∫ 1+cos( 2x ) 2 dx= 1 2 ( x+ 1 2 sin( 2x ) ) ∫ sin 2 x·dx = ∫ 1−cos( 2x ) 2 dx= 1 2 ( x− 1 2 sin( 2x ) )

La potencia es

P= kω 2 μ 0 π 2 a 4 b 4 ( m 2 b 2 + n 2 a 2 ) 2 B 0 2 { ( n b ) 2 a mπ 1 2 ( mπ+ 1 2 sin( 2mπ ) ) b nπ 1 2 ( nπ− 1 2 sin( 2nπ ) )+ ( m a ) 2 a mπ 1 2 ( mπ− 1 2 sin( 2mπ ) ) b nπ 1 2 ( nπ+ 1 2 sin( 2nπ ) ) } P= kω 8 μ 0 π 2 a 5 b 5 ( m 2 b 2 + n 2 a 2 ) 2 B 0 2 { ( n b ) 2 ( 1+ sin( 2mπ ) 2mπ )( 1− sin( 2nπ ) 2nπ )+ ( m a ) 2 ( 1− sin( 2mπ ) 2mπ )( 1+ sin( 2nπ ) 2nπ ) }

Cuando n o m son cero, tenemos la indeterminación 0/0 que es 1

lim x→0 sinx x =1

>> syms x;
>> limit(sin(x)/x,x,0)
ans =1

Velocidad de fase y de grupo

La velocidad de fase es v=ω/k

La velocidad de grupo es

γ 2 = ω 2 c 2 − k 2 ω=c γ 2 + k 2 v g = dω dk =c 2k 2 γ 2 + k 2 = k c 2 ω =c 1− c 2 γ 2 ω 2

El producto vg·v=c2. La velocidad de fase es mayor que la velocidad de la luz

Ejemplo

Sea una guía rectangular de cobre de lados a=3 cm y b=1 cm,

γ 2 = ω m,n 2 c 2 = ( mπ a ) 2 + ( nπ b ) 2

m y n no pueden ser cualquier número entero ya que γ2=(ω/c)2-k2. Dado ω, k2 no puede ser negativo.

Como a>b la frecuencia más baja corresponde a m=1, n=0

ω 1,0 2 c 2 = ( π a ) 2 ,  f 1,0 = ω 1,0 2π = c 2a =5· 10 9  Hz=5 GHz

El número de onda k0 de una onda electromagnética de frecuencia 8 GHz en el vacío es

k 0 = ω c = 2π·8· 10 9 3· 10 8 =167.55  m −1 ,  λ 0 = 2π k 0 =0.0375 m

El número de onda k en la guía es

γ 2 = ω 2 c 2 − k 2 k 2 = ω 2 c 2 − ω 1,0 2 c 2 = ( 2π·8· 10 9 ) 2 −( 2π·5· 10 9 ) ( 3· 10 8 ) 2 , k=130.795  m −1 , λ=0.048 m λ λ 0 =1.281

Velocidad de fase y de grupo son

v= ω k = 2π·8· 10 9 130.795 =1.281·c v· v g = c 2 ,  v g =0.781·c

Si el valor máximo del la amplitud del campo eléctrico es 30 kV/cm=3·106 V/m, calcular la amplitud del campo magnético para m=1, n=0

Ex es nulo y la amplitud de Ey es

ω γ 2 mπ a B 0 =3· 10 6 ω ( π a ) 2 1·π a B 0 =3· 10 6 2π·8· 10 9 ·0.03 π B 0 =3· 10 6 ,  B 0 =0.0063 T

Para el modo m=1, n=0, la potencia es

P= kω 8 μ 0 π 2 a 5 b 5 b 4 B 0 2 1 a 2 ( 1− sin( 2π ) 2π )( 1+ sin0 0 )= kω 4 μ 0 π 2 a 3 b· B 0 2 P= 130.795·( 2π·8· 10 9 ) 0.03 3 ·0.01· 0.0063 2 4·4π· 10 −7 π 2 =1.4202· 10 6  W

TM, ondas transversales magnéticas

Las ondas transversales magnéticas están caracterizadas por que Bz=0.

La solución de la ecuación diferencial

∂ 2 E 0z ∂ x 2 + ∂ 2 E 0z ∂ y 2 + γ 2 E 0z =0

es, de modo análogo al primer apartado

E 0z ( x,y )=( C 1 sin( αx )+ C 2 cos( αx ) )( C 3 sin( βy )+ C 4 cos( βy ) ) γ 2 = α 2 + β 2

Las condiciones de contorno son

Obtenemos valores discretos de α y β

{ sin( αa )=0, αa=mπ, m=0,1,2,3... sin( βb )=0, βb=nπ, n=0,1,2,3... γ m,n 2 = α 2 + β 2 = ( mπ a ) 2 + ( nπ b ) 2

Amplitudes

La amplitud E0z de la componente Ez del campo magnético vale

E 0z = C 1 sin( mπ a x ) C 3 sin( nπ b y ) E 0z = E 0 sin( mπ a x )sin( nπ b y )

Donde el nuevo coeficiente E0=C1C3

La componente Ez del campo magnético vale

E z =Re{ E 0z exp( i( kz−ωt ) ) }= E 0 sin( mπ a x )sin( nπ b y )cos( kz−ωt )

Conocido E0z y B0z=0, determinamos las otras amplitudes de las componentes del campo eléctrico y magnético

Resumiendo, las componentes del campo eléctrico y magnéticos son

E → ={ E x =− k γ 2 mπ a E 0 cos( mπ a x )sin( nπ b y )sin( kz−ωt ) E y =− k γ 2 nπ b B 0 sin( mπ a x )cos( nπ b y )sin( kz−ωt ) E z = E 0 sin( mπ a x )sin( nπ b y )cos( kz−ωt ) B → ={ B x = ω c 2 γ 2 nπ b E 0 sin( mπ a x )cos( nπ b y )sin( kz−ωt ) B y =− ω c 2 γ 2 mπ a E 0 cos( mπ a x )sin( nπ b y )sin( kz−ωt ) B z =0

El campo eléctrico es perpendicular a los planos conductores x=0 y x=a, ya que Ez=0, Ey=0

El campo eléctrico es perpendicular a los planos conductores y=0 y y=b, ya que Ez=0, Ex=0

Referencias

J. Pierrus. Solved Problems in Classical Electromagnetism. Analytical and numerical solutions with comments. Oxford University Press (2018). Questions 7.12, 7.13 y 7.15, pp. 358-360, 360-364, 367-368.