Guia de ondas

Um guia de ondas é uma forma especial de linha de transmissão que consiste em um tubo oco de metal. A parede do tubo fornece indutância distribuída, enquanto o espaço vazio entre as paredes do tubo fornece capacitância distribuída.

Guias de onda conduzem energia de micro-ondas com menor perda do que cabos coaxiais.

Os guias de ondas são práticos apenas para sinais de frequência extremamente alta, onde o comprimento de onda se aproxima das dimensões da seção transversal do guia de ondas. Abaixo dessas frequências, os guias de onda são inúteis como linhas de transmissão elétrica.

Uso de guias de ondas como uma linha de transmissão

Quando funcionam como linhas de transmissão, no entanto, os guias de onda são consideravelmente mais simples do que cabos de dois condutores - especialmente cabos coaxiais - em sua fabricação e manutenção.

Com apenas um único condutor (a "concha" do guia de ondas), não há preocupações com o espaçamento adequado de condutor a condutor ou com a consistência do material dielétrico, uma vez que o único dielétrico em um guia de ondas é o ar.

A umidade não é um problema tão grave nos guias de ondas quanto dentro dos cabos coaxiais e, portanto, os guias de ondas geralmente são poupados da necessidade de “enchimento” de gás.

Os guias de ondas podem ser considerados conduítes para energia eletromagnética, o próprio guia de ondas agindo como nada mais do que um "diretor" da energia, em vez de um condutor de sinal no sentido normal da palavra.

De certo modo, todas as linhas de transmissão funcionam como condutos de energia eletromagnética ao transportar pulsos ou ondas de alta frequência, direcionando as ondas como as margens de um rio direcionam uma onda gigantesca.

No entanto, como os guias de ondas são elementos de condutor único, a propagação de energia elétrica por um guia de ondas é de natureza muito diferente do que a propagação de energia elétrica por uma linha de transmissão de dois condutores.

O que é propagação de ondas elétricas e magnéticas transversais (TEM)?

Todas as ondas eletromagnéticas consistem em campos elétricos e magnéticos que se propagam na mesma direção de viagem, mas perpendiculares entre si. Ao longo do comprimento de uma linha de transmissão normal, os campos elétrico e magnético são perpendiculares (transversais) à direção de viagem das ondas.

Isso é conhecido como o modo principal , ou TEM ( T ransverse E elétrico e M modo agnético). Este modo de propagação de onda pode existir apenas onde há dois condutores, e é o modo dominante de propagação de onda onde as dimensões da seção transversal da linha de transmissão são pequenas em comparação com o comprimento de onda do sinal.

Propagação da linha de transmissão do condutor duplo:modo TEM.

No microondas frequências de sinal (entre 100 MHz e 300 GHz), linhas de transmissão de dois condutores de qualquer comprimento substancial operando no modo TEM padrão tornam-se impraticáveis.

Linhas pequenas o suficiente na dimensão transversal para manter a propagação do sinal do modo TEM para sinais de micro-ondas tendem a ter classificações de baixa voltagem e sofrem grandes perdas de energia parasitas devido à “pele” do condutor e efeitos dielétricos.

Felizmente, porém, nesses comprimentos de onda curtos existem outros modos de propagação que não são tão “com perdas”, se um tubo condutor for usado em vez de dois condutores paralelos. É nessas altas frequências que os guias de onda se tornam práticos.

Quando uma onda eletromagnética se propaga por um tubo oco, apenas um dos campos - seja elétrico ou magnético - será realmente transversal à direção de viagem da onda.

O outro campo fará um “loop” longitudinalmente à direção de viagem, mas ainda será perpendicular ao outro campo. Qualquer campo que permaneça transversal à direção de viagem determina se a onda se propaga em TE modo ( T ransverse E lectric) ou TM ( T ransverse M modo agnético).

Modos elétrico transversal de guia de onda (TE) e magnético transversal (TM).

Existem muitas variações de cada modo para um determinado guia de ondas, e uma discussão completa sobre o assunto está além do escopo deste livro.

Como os sinais são introduzidos e extraídos de guias de ondas?

Os sinais são tipicamente introduzidos e extraídos dos guias de ondas por meio de pequenos dispositivos de acoplamento semelhantes a antenas inseridos no guia de ondas. Às vezes, esses elementos de acoplamento assumem a forma de um dipolo, que nada mais é do que dois fios de ponta abertos de comprimento apropriado.

Outras vezes, o acoplador é um único stub (um meio dipolo, semelhante em princípio a uma antena "chicote", 1 / 4λ em comprimento físico), ou um pequeno laço de fio terminado na superfície interna do guia de ondas.

Stub e acoplamento de loop ao guia de onda.

Em alguns casos, como uma classe de dispositivos de tubo de vácuo chamados tubos de saída indutiva (o chamado klystron tubo se enquadra nesta categoria), uma “cavidade” formada de material condutor pode interceptar energia eletromagnética de um feixe modulado de elétrons, não tendo contato com o próprio feixe.

Tubo de saída indutiva Klystron.

O que é um ressonador de cavidade?

Assim como as linhas de transmissão são capazes de funcionar como elementos ressonantes em um circuito, especialmente quando terminadas por um curto-circuito ou um circuito aberto, um guia de ondas sem saída também pode ressoar em frequências específicas.

Quando usado como tal, o dispositivo é chamado de ressonador de cavidade . Os tubos de saída indutiva usam ressonadores de cavidade em forma de toróide para maximizar a eficiência de transferência de energia entre o feixe de elétrons e o cabo de saída.

A frequência de ressonância de uma cavidade pode ser alterada mudando suas dimensões físicas. Para este fim, cavidades com placas móveis, parafusos e outros elementos mecânicos para ajuste são fabricados para fornecer um ajuste grosso da frequência de ressonância.

Se uma cavidade ressonante for aberta em uma extremidade, ela funcionará como uma antena unidirecional.

A fotografia a seguir mostra um guia de ondas feito em casa formado a partir de uma lata, usado como uma antena para um sinal de 2,4 GHz em uma rede de comunicação de computador “802.11b”.

O elemento de acoplamento é um esboço de um quarto de onda:nada mais do que um pedaço de fio de cobre sólido com cerca de 1-1 / 4 polegadas de comprimento estendendo-se do centro de um conector de cabo coaxial que penetra na lateral da lata.

Can-tenna ilustra o acoplamento de stub ao guia de onda.

Mais algumas antenas de lata podem ser vistas ao fundo, uma delas uma lata de batata frita “Pringles”. Embora esta lata seja feita de papelão (papel), seu revestimento interno metálico fornece a condutividade necessária para funcionar como um guia de ondas.

Algumas das latas no fundo ainda têm as tampas de plástico no lugar. O plástico, sendo não condutor, não interfere no sinal de RF, mas funciona como uma barreira física para evitar que chuva, neve, poeira e outros contaminantes físicos entrem no guia de ondas.

Antenas de guia de onda “reais” usam barreiras semelhantes para envolver fisicamente o tubo, mas permitem que a energia eletromagnética passe desimpedida.



REVER:

• Guias de onda são tubos de metal que funcionam como “conduítes” para transportar ondas eletromagnéticas. Eles são práticos apenas para sinais de frequência extremamente alta, onde o comprimento de onda do sinal se aproxima das dimensões da seção transversal do guia de ondas.
• A propagação de ondas através de um guia de ondas pode ser classificada em duas categorias amplas: TE (Elétrico transversal) ou TM (Magnético transversal), dependendo de qual campo (elétrico ou magnético) é perpendicular (transversal) à direção do curso da onda. A viagem das ondas ao longo de uma linha de transmissão padrão de dois condutores é do TEM Modo (elétrico transversal e magnético), em que ambos os campos são orientados perpendicularmente à direção de deslocamento. O modo TEM só é possível com dois condutores e não pode existir em um guia de ondas.
• Um guia de ondas sem saída que serve como um elemento ressonante em um circuito de micro-ondas é chamado de ressonador de cavidade .
• Um ressonador de cavidade com uma extremidade aberta funciona como uma antena unidirecional, enviando ou recebendo energia de RF de / para a direção da extremidade aberta.