Como obter a adaptação de impedância em guias de onda? A partir da teoria de linhas de transmissão em antenas microstrip, sabemos que linhas de transmissão em série ou em paralelo adequadas podem ser selecionadas para obter a adaptação de impedância entre as linhas de transmissão ou entre as linhas de transmissão e as cargas, visando maximizar a transmissão de potência e minimizar as perdas por reflexão. O mesmo princípio de adaptação de impedância em linhas microstrip se aplica à adaptação de impedância em guias de onda. Reflexões em sistemas de guias de onda podem levar a desajustes de impedância. Quando ocorre deterioração da impedância, a solução é a mesma que para linhas de transmissão, ou seja, alterar o valor necessário. A impedância concentrada é colocada em pontos pré-calculados no guia de onda para compensar o desajuste, eliminando assim os efeitos das reflexões. Enquanto as linhas de transmissão utilizam impedâncias concentradas ou derivações, os guias de onda utilizam blocos metálicos de diversos formatos.
Figura 1: Diafragmas de guia de ondas e circuito equivalente, (a) Capacitivo; (b) indutivo; (c) ressonante.
A Figura 1 mostra os diferentes tipos de adaptação de impedância, que podem assumir qualquer uma das formas apresentadas e ser capacitivas, indutivas ou ressonantes. A análise matemática é complexa, mas a explicação física não. Considerando a primeira faixa metálica capacitiva na figura, observa-se que o potencial que existia entre as paredes superior e inferior do guia de ondas (no modo dominante) agora existe entre as duas superfícies metálicas mais próximas, aumentando assim a capacitância. Em contraste, o bloco metálico na Figura 1b permite a passagem de corrente onde antes não havia fluxo. Haverá fluxo de corrente no plano do campo elétrico previamente intensificado devido à adição do bloco metálico. Portanto, ocorre armazenamento de energia no campo magnético e a indutância nesse ponto do guia de ondas aumenta. Além disso, se a forma e a posição do anel metálico na Figura 1c forem projetadas adequadamente, a reatância indutiva e a reatância capacitiva introduzidas serão iguais, e a abertura entrará em ressonância paralela. Isso significa que a adaptação de impedância e a sintonia do modo principal são muito boas, e o efeito de derivação desse modo será desprezível. No entanto, outros modos ou frequências serão atenuados, de modo que o anel metálico ressonante atua tanto como um filtro passa-banda quanto como um filtro de modo.
Figura 2: (a) postes de guia de ondas; (b) acoplador de dois parafusos
Outra forma de ajuste é mostrada acima, onde um poste metálico cilíndrico se estende de um dos lados mais largos para dentro do guia de ondas, tendo o mesmo efeito que uma tira metálica em termos de fornecer reatância concentrada naquele ponto. O poste metálico pode ser capacitivo ou indutivo, dependendo de quão longe ele se estende no guia de ondas. Essencialmente, este método de adaptação consiste em que, quando tal pilar metálico se estende ligeiramente para dentro do guia de ondas, ele fornece uma susceptância capacitiva naquele ponto, e a susceptância capacitiva aumenta até que a penetração seja de cerca de um quarto do comprimento de onda. Nesse ponto, ocorre a ressonância em série. Uma penetração maior do poste metálico resulta em uma susceptância indutiva, que diminui à medida que a inserção se torna mais completa. A intensidade da ressonância no ponto médio da instalação é inversamente proporcional ao diâmetro da coluna e pode ser usada como um filtro; no entanto, neste caso, é usado como um filtro de rejeição de banda para transmitir modos de ordem superior. Comparado com o aumento da impedância de tiras metálicas, uma grande vantagem do uso de postes metálicos é a facilidade de ajuste. Por exemplo, dois parafusos podem ser usados como dispositivos de ajuste para obter uma adaptação eficiente da guia de ondas.
Cargas resistivas e atenuadores:
Assim como qualquer outro sistema de transmissão, os guias de onda às vezes exigem casamento de impedância perfeito e cargas sintonizadas para absorver completamente as ondas incidentes sem reflexão e para serem insensíveis à frequência. Uma aplicação para esses terminais é realizar diversas medições de potência no sistema sem irradiar energia.
Figura 3: Carga resistiva de guia de ondas (a) conicidade simples (b) conicidade dupla
A terminação resistiva mais comum consiste em uma seção de dielétrico com perdas instalada na extremidade do guia de ondas e afilada (com a ponta voltada para a onda incidente) para evitar reflexões. Esse meio com perdas pode ocupar toda a largura do guia de ondas ou apenas o centro da extremidade, como mostrado na Figura 3. O afilamento pode ser simples ou duplo e tipicamente tem um comprimento de λp/2, com um comprimento total de aproximadamente dois comprimentos de onda. Geralmente é feito de placas dielétricas, como vidro, revestidas externamente com filme de carbono ou silicato de sódio. Para aplicações de alta potência, dissipadores de calor podem ser adicionados à parte externa do guia de ondas, e a potência fornecida ao terminal pode ser dissipada através do dissipador de calor ou por resfriamento forçado por ar.
Figura 4: Atenuador de palhetas móveis
Os atenuadores dielétricos podem ser removíveis, como mostrado na Figura 4. Posicionados no meio do guia de ondas, podem ser movidos lateralmente do centro, onde proporcionarão a maior atenuação, até as bordas, onde a atenuação é bastante reduzida, uma vez que a intensidade do campo elétrico do modo dominante é muito menor.
Atenuação em guia de ondas:
A atenuação de energia em guias de onda inclui principalmente os seguintes aspectos:
1. Reflexões provenientes de descontinuidades internas da guia de onda ou seções desalinhadas da guia de onda.
2. Perdas causadas pela corrente que flui nas paredes do guia de ondas
3. Perdas dielétricas em guias de onda preenchidos
As duas últimas perdas são semelhantes às perdas correspondentes em linhas coaxiais e são relativamente pequenas. Essa perda depende do material da parede e de sua rugosidade, do dielétrico utilizado e da frequência (devido ao efeito pelicular). Para eletrodutos de latão, a faixa varia de 4 dB/100m a 5 GHz a 12 dB/100m a 10 GHz, mas para eletrodutos de alumínio, a faixa é menor. Para guias de onda revestidos com prata, as perdas são tipicamente de 8 dB/100m a 35 GHz, 30 dB/100m a 70 GHz e próximas de 500 dB/100m a 200 GHz. Para reduzir as perdas, especialmente nas frequências mais altas, os guias de onda às vezes são revestidos (internamente) com ouro ou platina.
Como já foi mencionado, o guia de ondas atua como um filtro passa-alta. Embora o próprio guia de ondas seja praticamente sem perdas, as frequências abaixo da frequência de corte são severamente atenuadas. Essa atenuação ocorre devido à reflexão na entrada do guia de ondas, e não à propagação.
Acoplamento de guia de ondas:
O acoplamento de guias de onda geralmente ocorre através de flanges quando as peças ou componentes do guia de onda são unidos. A função dessa flange é garantir uma conexão mecânica suave e propriedades elétricas adequadas, em particular baixa radiação externa e baixa reflexão interna.
Flange:
As flanges de guia de ondas são amplamente utilizadas em comunicações por micro-ondas, sistemas de radar, comunicações via satélite, sistemas de antenas e equipamentos de laboratório em pesquisa científica. Elas são usadas para conectar diferentes seções de guia de ondas, garantir a prevenção de vazamentos e interferências e manter o alinhamento preciso da guia de ondas para assegurar a transmissão confiável e o posicionamento preciso de ondas eletromagnéticas de alta frequência. Uma guia de ondas típica possui uma flange em cada extremidade, como mostrado na Figura 5.
Figura 5 (a) flange simples; (b) acoplamento de flange.
Em frequências mais baixas, o flange é brasado ou soldado à guia de ondas, enquanto em frequências mais altas utiliza-se um flange plano. Quando duas peças são unidas, os flanges são parafusados, mas as extremidades devem ter um acabamento liso para evitar descontinuidades na conexão. Obviamente, é mais fácil alinhar os componentes corretamente com alguns ajustes, por isso, guias de ondas menores às vezes são equipadas com flanges roscados que podem ser parafusados com uma porca anelar. À medida que a frequência aumenta, o tamanho do acoplamento da guia de ondas diminui naturalmente e a descontinuidade do acoplamento torna-se maior em proporção ao comprimento de onda do sinal e ao tamanho da guia de ondas. Portanto, as descontinuidades em frequências mais altas tornam-se mais problemáticas.
Figura 6 (a) Corte transversal do acoplamento de estrangulamento; (b) vista da extremidade do flange de estrangulamento
Para resolver esse problema, pode-se deixar um pequeno espaço entre os guias de onda, como mostrado na Figura 6. Um acoplamento de estrangulamento consiste em um flange comum e um flange de estrangulamento conectados entre si. Para compensar possíveis descontinuidades, um anel de estrangulamento circular com seção transversal em forma de L é usado no flange de estrangulamento para obter uma conexão mais precisa. Ao contrário dos flanges comuns, os flanges de estrangulamento são sensíveis à frequência, mas um projeto otimizado pode garantir uma largura de banda razoável (talvez 10% da frequência central) na qual a ROE não exceda 1,05.
Data da publicação: 15 de janeiro de 2024
