Guias de Ondas Explicados: Fundamentos, Modos e Aplicações Práticas

Um guia de ondas é uma linha de transmissão especializada consistindo de um tubo metálico oco. As paredes metálicas fornecem indutância distribuída, enquanto o vão de ar interno fornece capacitância distribuída.

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

Guias de ondas são práticos apenas para sinais em frequência muito alta, onde o comprimento de onda é comparável à seção transversal do guia. Em frequências mais baixas, perdem eficácia como linhas de transmissão.

Uso de Guias de Ondas como Linha de Transmissão

Quando usados como linhas de transmissão, guias de ondas são consideravelmente mais simples de fabricar e manter que cabos de dois condutores, especialmente coaxiais.

Com apenas um único condutor — a carcaça do guia — não há necessidade de controlar espaçamento condutor-a-condutor ou consistência dielétrica; o único dielétrico é o ar.

Umidade é menos problemática em guias de ondas que em cabos coaxiais, então frequentemente omitem enchimento de gás.

Guias de ondas atuam como condutos para energia eletromagnética, direcionando a onda em vez de conduzi-la no sentido convencional.

Todas as linhas de transmissão funcionam como condutos de energia, mas a propagação em guia de ondas de condutor único difere fundamentalmente daquela em linhas de dois condutores.

O que é Propagação de Onda Transversal Elétrica e Magnética (TEM)?

Todas as ondas eletromagnéticas consistem de campos elétrico e magnético que se propagam juntos, perpendiculares entre si. Em uma linha de transmissão padrão, ambos os campos são transversais à direção de viagem.

Este modo transversal, chamado TEM (Transversal Elétrico e Magnético), existe apenas em linhas de dois condutores e domina quando a seção transversal da linha é pequena relativa ao comprimento de onda.

Propagação em linha de transmissão bifilar: modo TEM.

Em frequências de micro-ondas (100 MHz–300 GHz), linhas de dois condutores operando em modo TEM tornam-se impraticáveis sobre comprimentos significativos.

Linhas pequenas o suficiente para manter modo TEM em frequências de micro-ondas sofrem de baixas classificações de tensão e altas perdas parasitas devido a efeito de pele e perda dielétrica.

Felizmente, nestes comprimentos de onda curtos, modos alternativos de propagação estão disponíveis que são menos perdas quando um tubo condutivo é usado em vez de condutores paralelos. É aqui que guias de ondas se tornam vantajosos.

Quando uma onda eletromagnética viaja por um tubo oco, apenas um dos campos — elétrico ou magnético — permanece transversal à direção de propagação. O outro campo faz loops longitudinalmente mas permanece perpendicular ao campo transversal. O campo que permanece transversal determina se a onda propaga em modo TE (Transversal Elétrico) ou TM (Transversal Magnético).

Guia de ondas (TE) transversal elétrico e (TM) transversal magnético.

Cada guia de ondas suporta múltiplas variações de modo, mas discussão abrangente está além do escopo deste artigo.

Como Sinais São Introduzidos e Extraídos de Guias de Ondas?

Sinais são tipicamente acoplados dentro ou fora de um guia de ondas usando pequenos dispositivos semelhantes a antenas inseridos no guia. Esses acopladores podem ser dipolos — duas hastes abertas de comprimento apropriado — ou uma única haste (meio dipolo, similar a antena whip, ¼ λ em comprimento físico), ou um curto loop de fio terminando na superfície interna do guia.

Acoplamento por haste e loop a guia de ondas.

Em alguns dispositivos, como tubos de saída indutiva (ex.: klystron), uma cavidade de material condutivo intercepta energia eletromagnética de um feixe de elétrons modulado sem contato direto.

Tubo de saída indutiva klystron.

O que é um Ressonador de Cavidade?

Como linhas de transmissão, um guia de ondas em extremidade fechada pode ressonar em frequências específicas. Quando usado como tal, o dispositivo é chamado de ressonador de cavidade.

Tubos de saída indutiva empregam ressonadores de cavidade toroidais para maximizar transferência de potência entre feixe de elétrons e guia de ondas de saída.

A frequência ressonante de uma cavidade pode ser sintonizada ajustando suas dimensões físicas. Fabricantes incorporam placas móveis, parafusos e outros elementos mecânicos para fornecer ajuste grosseiro de frequência.

Se um ressonador de cavidade é aberto em uma extremidade, funciona como antena unidirecional.

A foto a seguir mostra um guia de ondas caseiro construído de lata de estanho, usado como antena para sinal Wi-Fi 2,4 GHz (802.11b).

O elemento de acoplamento é haste de quarto de onda: fio de cobre sólido de cerca de 1-1/4 polegadas estendendo-se do centro de conector coaxial para dentro da lata.

Can-tenna ilustra acoplamento por haste a guia de ondas.

Outras antenas de lata no fundo incluem lata estilo Pringles, que, apesar de construção de papelão, tem revestimento interno metálico que fornece condutividade necessária.

Algumas latas ainda têm tampas plásticas. Embora o plástico seja não condutivo e não interfira com sinal RF, serve como barreira física para proteger o guia de intempéries e detritos.

Antenas de guia de ondas reais usam barreiras similares para fechar o tubo enquanto permitem energia eletromagnética passar sem impedimento.

REVISÃO:

• Guias de ondas são tubos metálicos que atuam como condutos para ondas eletromagnéticas, adequados apenas para sinais onde comprimento de onda corresponde à seção transversal do guia.
• Propagação de onda em guia de ondas cai em modos TE (Transversal Elétrico) ou TM (Transversal Magnético), determinado por qual campo é transversal à direção de viagem. O modo TEM (Transversal Elétrico e Magnético) existe apenas em linhas de dois condutores e não pode ser sustentado em guia de ondas.
• Guia de ondas de extremidade fechada funcionando como elemento ressonante é chamado ressonador de cavidade.
• Ressonador de cavidade de extremidade aberta opera como antena unidirecional, radiando ou recebendo energia RF do lado aberto.