Como conseguir a adaptación de impedancias das guías de onda? Da teoría das liñas de transmisión na teoría das antenas de microstrip, sabemos que se poden seleccionar liñas de transmisión en serie ou en paralelo axeitadas para conseguir a adaptación de impedancias entre liñas de transmisión ou entre liñas de transmisión e cargas para conseguir a máxima transmisión de potencia e a mínima perda por reflexión. O mesmo principio de adaptación de impedancias nas liñas de microstrip aplícase á adaptación de impedancias nas guías de onda. As reflexións nos sistemas de guías de onda poden levar a desaxustes de impedancia. Cando se produce un deterioro da impedancia, a solución é a mesma que para as liñas de transmisión, é dicir, cambiar o valor requirido. A impedancia global colócase en puntos precalculados na guía de onda para superar o desaxuste, eliminando así os efectos das reflexións. Mentres que as liñas de transmisión usan impedancias ou stubs globalizados, as guías de onda usan bloques metálicos de varias formas.
figura 1: Iris de guía de ondas e circuíto equivalente, (a) capacitivo; (b) indutivo; (c) resonante.
A figura 1 mostra os diferentes tipos de adaptación de impedancias, que poden adoptar calquera das formas mostradas e poden ser capacitiva, indutiva ou resonante. A análise matemática é complexa, pero a explicación física non o é. Considerando a primeira tira metálica capacitiva da figura, pódese ver que o potencial que existía entre as paredes superior e inferior da guía de ondas (no modo dominante) agora existe entre as dúas superficies metálicas máis próximas, polo que a capacitancia é O punto aumenta. En contraste, o bloque metálico da figura 1b permite que a corrente flúa onde antes non fluía. Haberá fluxo de corrente no plano do campo eléctrico previamente mellorado debido á adición do bloque metálico. Polo tanto, o almacenamento de enerxía ocorre no campo magnético e a inductancia nese punto da guía de ondas aumenta. Ademais, se a forma e a posición do anel metálico da figura c se deseñan razoablemente, a reactancia indutiva e a reactancia capacitiva introducidas serán iguais, e a apertura será de resonancia paralela. Isto significa que a adaptación e o axuste de impedancias do modo principal son moi bos, e o efecto de derivación deste modo será insignificante. Non obstante, outros modos ou frecuencias serán atenuados, polo que o anel metálico resonante actúa como filtro de paso de banda e como filtro de modo.
figura 2: (a) postes de guía de ondas; (b) adaptador de dous parafusos
Outra forma de axuste móstrase arriba, onde un poste metálico cilíndrico se estende desde un dos lados anchos cara á guía de ondas, tendo o mesmo efecto que unha tira metálica en termos de proporcionar reactancia agrupada nese punto. O poste metálico pode ser capacitivo ou indutivo, dependendo de canto se estenda cara á guía de ondas. Esencialmente, este método de adaptación consiste en que cando un piar metálico deste tipo se estende lixeiramente cara á guía de ondas, proporciona unha susceptancia capacitiva nese punto, e a susceptancia capacitiva aumenta ata que a penetración é de aproximadamente un cuarto de lonxitude de onda. Neste punto, prodúcese a resonancia en serie. Unha maior penetración do poste metálico resulta nunha susceptancia indutiva que diminúe a medida que a inserción se completa. A intensidade de resonancia no punto medio da instalación é inversamente proporcional ao diámetro da columna e pódese usar como filtro; con todo, neste caso úsase como filtro de parada de banda para transmitir modos de orde superior. En comparación co aumento da impedancia das tiras metálicas, unha das principais vantaxes de usar postes metálicos é que son fáciles de axustar. Por exemplo, pódense usar dous parafusos como dispositivos de axuste para lograr unha adaptación eficiente da guía de ondas.
Cargas resistivas e atenuadores:
Como calquera outro sistema de transmisión, as guías de onda ás veces requiren unha adaptación de impedancia perfecta e cargas sintonizadas para absorber completamente as ondas entrantes sen reflexión e para ser insensibles á frecuencia. Unha aplicación para estes terminais é realizar varias medicións de potencia no sistema sen radiar realmente ningunha potencia.
figura 3 carga de resistencia da guía de ondas (a) conicidade simple (b) conicidade dobre
A terminación resistiva máis común é unha sección de dieléctrico con perdas instalada no extremo da guía de ondas e cónica (coa punta apuntando cara á onda entrante) para non causar reflexións. Este medio con perdas pode ocupar toda a anchura da guía de ondas ou pode ocupar só o centro do extremo da guía de ondas, como se mostra na Figura 3. A cónica pode ser de cónica simple ou dobre e normalmente ten unha lonxitude de λp/2, cunha lonxitude total de aproximadamente dúas lonxitudes de onda. Normalmente está feita de placas dieléctricas como o vidro, recubertas cunha película de carbono ou vidro de auga no exterior. Para aplicacións de alta potencia, estes terminais poden ter disipadores de calor engadidos no exterior da guía de ondas, e a potencia subministrada ao terminal pode disiparse a través do disipador de calor ou mediante arrefriamento por aire forzado.
figura 4 Atenuador de paleta móbil
Os atenuadores dieléctricos pódense facer extraíbles como se mostra na Figura 4. Colocados no medio da guía de ondas, pódense mover lateralmente desde o centro da guía de ondas, onde proporcionarán a maior atenuación, ata os bordos, onde a atenuación se reduce considerablemente xa que a intensidade do campo eléctrico do modo dominante é moito menor.
Atenuación na guía de ondas:
A atenuación enerxética das guías de onda inclúe principalmente os seguintes aspectos:
1. Reflexións procedentes de descontinuidades internas da guía de ondas ou seccións desalineadas da guía de ondas
2. Perdas causadas pola corrente que flúe nas paredes das guías de ondas
3. Perdas dieléctricas en guías de onda cheas
As dúas últimas son similares ás perdas correspondentes nas liñas coaxiais e ambas son relativamente pequenas. Esta perda depende do material da parede e da súa rugosidade, do dieléctrico empregado e da frecuencia (debido ao efecto pelicular). Para os condutos de latón, o rango é de 4 dB/100 m a 5 GHz a 12 dB/100 m a 10 GHz, pero para os condutos de aluminio, o rango é menor. Para as guías de onda revestidas de prata, as perdas adoitan ser de 8 dB/100 m a 35 GHz, 30 dB/100 m a 70 GHz e preto de 500 dB/100 m a 200 GHz. Para reducir as perdas, especialmente nas frecuencias máis altas, as guías de onda ás veces cáptanse (internamente) con ouro ou platino.
Como xa se indicou, a guía de ondas actúa como un filtro de paso alto. Aínda que a propia guía de ondas practicamente non ten perdas, as frecuencias por debaixo da frecuencia de corte aténuanse considerablemente. Esta atenuación débese á reflexión na boca da guía de ondas en lugar de á propagación.
Acoplamento de guía de ondas:
O acoplamento de guías de ondas adoita producirse a través de bridas cando se unen pezas ou compoñentes de guías de ondas. A función desta brida é garantir unha conexión mecánica suave e unhas propiedades eléctricas axeitadas, en particular unha baixa radiación externa e unha baixa reflexión interna.
Brida:
As bridas de guía de ondas úsanse amplamente en comunicacións por microondas, sistemas de radar, comunicacións por satélite, sistemas de antenas e equipos de laboratorio en investigación científica. Úsanse para conectar diferentes seccións de guía de ondas, garantir que se eviten fugas e interferencias e manter unha aliñación precisa da guía de ondas para garantir unha transmisión fiable e un posicionamento preciso das ondas electromagnéticas de frecuencia. Unha guía de ondas típica ten unha brida en cada extremo, como se mostra na Figura 5.
figura 5 (a) brida lisa; (b) acoplamento de brida.
A frecuencias máis baixas, a brida estará soldada á guía de ondas, mentres que a frecuencias máis altas utilízase unha brida plana a tope. Cando se unen dúas pezas, as bridas aparafusanse, pero os extremos deben ter un acabado suave para evitar descontinuidades na conexión. Obviamente, é máis doado aliñar os compoñentes correctamente con algúns axustes, polo que as guías de ondas máis pequenas ás veces están equipadas con bridas roscadas que se poden aparafusar cunha porca anular. A medida que a frecuencia aumenta, o tamaño do acoplamento da guía de ondas diminúe naturalmente e a descontinuidade do acoplamento faise maior en proporción á lonxitude de onda do sinal e ao tamaño da guía de ondas. Polo tanto, as descontinuidades a frecuencias máis altas fanse máis problemáticas.
figura 6 (a) Sección transversal do acoplamento do estrangulador; (b) Vista frontal da brida do estrangulador
Para solucionar este problema, pódese deixar un pequeno espazo entre as guías de onda, como se mostra na Figura 6. Un acoplamento de choque que consiste nunha brida ordinaria e unha brida de choque conectadas entre si. Para compensar as posibles descontinuidades, utilízase un anel de choque circular cunha sección transversal en forma de L na brida de choque para conseguir un axuste máis axustado. A diferenza das bridas ordinarias, as bridas de choque son sensibles á frecuencia, pero un deseño optimizado pode garantir un ancho de banda razoable (quizais o 10 % da frecuencia central) sobre o cal a ROE non supera 1,05.
Data de publicación: 15 de xaneiro de 2024
