Como obter o casamento de impedância de guias de onda? A partir da teoria da linha de transmissão na teoria da antena microstrip, sabemos que linhas de transmissão em série ou paralelas apropriadas podem ser selecionadas para obter o casamento de impedância entre linhas de transmissão ou entre linhas de transmissão e cargas para atingir a transmissão de potência máxima e a perda de reflexão mínima. O mesmo princípio de casamento de impedância em linhas microstrip se aplica ao casamento de impedância em guias de onda. Reflexões em sistemas de guia de onda podem levar a incompatibilidades 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 superar a incompatibilidade, eliminando assim os efeitos das reflexões. Enquanto as linhas de transmissão usam impedâncias concentradas ou stubs, os guias de onda usam blocos de metal de vários formatos.
figura 1: Íris de guia de ondas e circuito equivalente, (a) capacitivo; (b) indutivo; (c) ressonante.
A Figura 1 mostra os diferentes tipos de casamento de impedância, que podem assumir qualquer uma das formas mostradas e ser capacitivos, indutivos ou ressonantes. A análise matemática é complexa, mas a explicação física não é. Considerando a primeira tira de metal capacitiva na figura, pode-se ver 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 em maior proximidade, de modo que a capacitância é O ponto aumenta. Em contraste, o bloco de metal na Figura 1b permite que a corrente flua onde não fluía antes. Haverá fluxo de corrente no plano do campo elétrico previamente aprimorado devido à adição do bloco de metal. Portanto, o armazenamento de energia ocorre no campo magnético e a indutância naquele ponto do guia de ondas aumenta. Além disso, se o formato e a posição do anel de metal na Figura c forem projetados razoavelmente, a reatância indutiva e a reatância capacitiva introduzidas serão iguais, e a abertura será ressonância paralela. Isso significa que o casamento de impedância e a sintonia do modo principal são muito bons, e o efeito de desvio deste modo será insignificante. 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 onda; (b) combinador de dois parafusos
Outra maneira de sintonizar é mostrada acima, onde um poste de metal cilíndrico se estende de um dos lados largos para dentro do guia de ondas, tendo o mesmo efeito que uma tira de metal em termos de fornecer reatância concentrada naquele ponto. O poste de metal pode ser capacitivo ou indutivo, dependendo de quão longe ele se estende no guia de ondas. Essencialmente, este método de correspondência é que quando tal pilar de metal 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 de um comprimento de onda. Neste ponto, ocorre a ressonância em série. A penetração adicional do poste de metal resulta em uma susceptância indutiva sendo fornecida, que diminui à medida que a inserção se torna mais completa. A intensidade de 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 usada como um filtro de corte de banda para transmitir modos de ordem superior. Comparado com o aumento da impedância das tiras de metal, uma grande vantagem do uso de postes de metal é que eles são fáceis de ajustar. Por exemplo, dois parafusos podem ser usados como dispositivos de ajuste para obter uma correspondência eficiente do guia de ondas.
Cargas resistivas e atenuadores:
Como qualquer outro sistema de transmissão, os guias de onda às vezes exigem casamento perfeito de impedância e cargas sintonizadas para absorver completamente as ondas incidentes sem reflexão e serem insensíveis à frequência. Uma aplicação para esses terminais é realizar diversas medições de potência no sistema sem irradiar potência.
figura 3 carga de resistência do guia de onda (a) cone simples (b) cone duplo
A terminação resistiva mais comum é uma seção de dielétrico com perdas instalada na extremidade do guia de ondas e afunilada (com a ponta apontada para a onda incidente) para não causar 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. A afunilação pode ser simples ou dupla e normalmente tem um comprimento de λp/2, com um comprimento total de aproximadamente dois comprimentos de onda. Geralmente feita de placas dielétricas, como vidro, revestidas com filme de carbono ou vidro d'água na parte externa. Para aplicações de alta potência, tais terminais podem ter dissipadores de calor adicionados à parte externa do guia de ondas, e a potência fornecida ao terminal pode ser dissipada através do dissipador de calor ou por meio de resfriamento por ar forçado.
figura 4 Atenuador de palheta móvel
Atenuadores dielétricos podem ser removíveis, conforme mostrado na Figura 4. Colocados no meio do guia de ondas, eles podem ser movidos lateralmente do centro do guia de ondas, onde fornecerão a maior atenuação, para as bordas, onde a atenuação é bastante reduzida, já que a intensidade do campo elétrico do modo dominante é muito menor.
Atenuação no guia de ondas:
A atenuação de energia dos guias de ondas inclui principalmente os seguintes aspectos:
1. Reflexões de descontinuidades internas do guia de ondas ou seções desalinhadas do guia de ondas
2. Perdas causadas pela corrente que flui nas paredes do guia de ondas
3. Perdas dielétricas em guias de onda preenchidos
Os dois últimos são semelhantes às perdas correspondentes em linhas coaxiais e ambos são relativamente pequenos. Essa perda depende do material da parede e de sua rugosidade, do dielétrico utilizado e da frequência (devido ao efeito pelicular). Para conduítes de latão, a faixa é de 4 dB/100 m a 5 GHz a 12 dB/100 m a 10 GHz, mas para conduítes de alumínio, a faixa é menor. Para guias de onda revestidos de prata, as perdas são tipicamente de 8 dB/100 m a 35 GHz, 30 dB/100 m a 70 GHz e próximas a 500 dB/100 m 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 mencionado, o guia de ondas atua como um filtro passa-alta. Embora o guia de ondas em si seja praticamente isento de perdas, frequências abaixo da frequência de corte são severamente atenuadas. Essa atenuação se deve à reflexão na boca do guia de ondas, e não à propagação.
Acoplamento de guia de onda:
O acoplamento do guia de ondas geralmente ocorre por meio de flanges, quando peças ou componentes do guia de ondas são unidos. A função desse flange é garantir uma conexão mecânica suave e propriedades elétricas adequadas, em particular baixa radiação externa e baixa reflexão interna.
Flange:
Flanges de guia de onda são amplamente utilizadas em comunicações por micro-ondas, sistemas de radar, comunicações via satélite, sistemas de antenas e equipamentos de laboratório em pesquisas científicas. Elas são usadas para conectar diferentes seções do guia de onda, garantir a prevenção de vazamentos e interferências e manter o alinhamento preciso do guia de onda para garantir a transmissão de alta confiabilidade e o posicionamento preciso das ondas eletromagnéticas de frequência. Um guia de onda típico 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 será soldado ou brasado ao guia de ondas, enquanto em frequências mais altas, um flange plano de topo mais plano é usado. Quando duas peças são unidas, os flanges são parafusados, mas as extremidades devem ter acabamento liso para evitar descontinuidades na conexão. Obviamente, é mais fácil alinhar os componentes corretamente com alguns ajustes, então guias de ondas menores às vezes são equipados com flanges roscados que podem ser parafusados com uma porca de anel. À medida que a frequência aumenta, o tamanho do acoplamento do guia de ondas diminui naturalmente, e a descontinuidade do acoplamento torna-se maior em proporção ao comprimento de onda do sinal e ao tamanho do guia de ondas. Portanto, descontinuidades em frequências mais altas tornam-se mais problemáticas.
figura 6 (a) Seção transversal do acoplamento do estrangulamento; (b) vista final do flange do estrangulamento
Para resolver esse problema, pode-se deixar uma pequena folga 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 L é usado no flange de estrangulamento para obter uma conexão mais firme. 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.
Horário da publicação: 15/01/2024
