Com aconseguir l'adaptació d'impedància de les guies d'ones? A partir de la teoria de línies de transmissió en la teoria d'antenes microstrip, sabem que es poden seleccionar línies de transmissió en sèrie o paral·lel adequades per aconseguir l'adaptació d'impedància entre línies de transmissió o entre línies de transmissió i càrregues per aconseguir la màxima transmissió de potència i la mínima pèrdua per reflexió. El mateix principi d'adaptació d'impedància en línies microstrip s'aplica a l'adaptació d'impedància en guies d'ones. Les reflexions en sistemes de guies d'ones poden provocar desajustos d'impedància. Quan es produeix un deteriorament de la impedància, la solució és la mateixa que per a les línies de transmissió, és a dir, canviar el valor requerit. La impedància global es col·loca en punts precalculats a la guia d'ones per superar el desajust, eliminant així els efectes de les reflexions. Mentre que les línies de transmissió utilitzen impedàncies o stubs globals, les guies d'ones utilitzen blocs metàl·lics de diverses formes.
figura 1: Iris de guia d'ones i circuit equivalent, (a) capacitiu; (b) inductiu; (c) ressonant.
La figura 1 mostra els diferents tipus d'adaptació d'impedància, que prenen qualsevol de les formes mostrades i poden ser capacitiva, inductiva o ressonant. L'anàlisi matemàtica és complexa, però l'explicació física no ho és. Considerant la primera tira metàl·lica capacitiva de la figura, es pot veure que el potencial que existia entre les parets superior i inferior de la guia d'ones (en el mode dominant) ara existeix entre les dues superfícies metàl·liques més properes, de manera que la capacitància és El punt augmenta. En canvi, el bloc metàl·lic de la figura 1b permet que el corrent flueixi on abans no fluïa. Hi haurà flux de corrent en el pla de camp elèctric prèviament millorat a causa de l'addició del bloc metàl·lic. Per tant, l'emmagatzematge d'energia es produeix en el camp magnètic i la inductància en aquest punt de la guia d'ones augmenta. A més, si la forma i la posició de l'anell metàl·lic de la figura c es dissenyen raonablement, la reactància inductiva i la reactància capacitiva introduïdes seran iguals, i l'obertura serà de ressonància paral·lela. Això significa que l'adaptació i l'afinació d'impedància del mode principal és molt bona, i l'efecte de derivació d'aquest mode serà insignificant. Tanmateix, altres modes o freqüències s'atenuaran, de manera que l'anell metàl·lic ressonant actua com a filtre passa-banda i com a filtre de mode.
figura 2: (a) pals de guia d'ones; (b) adaptador de dos cargols
Una altra manera d'afinar es mostra a dalt, on un pal metàl·lic cilíndric s'estén des d'un dels costats amples cap a la guia d'ones, tenint el mateix efecte que una tira metàl·lica pel que fa a proporcionar reactància concentrada en aquest punt. El pal metàl·lic pot ser capacitiu o inductiu, depenent de fins a quin punt s'estén cap a la guia d'ones. Essencialment, aquest mètode d'adaptació és que quan aquest pilar metàl·lic s'estén lleugerament cap a la guia d'ones, proporciona una susceptància capacitiva en aquest punt, i la susceptància capacitiva augmenta fins que la penetració és aproximadament un quart de longitud d'ona. En aquest punt, es produeix una ressonància en sèrie. Una major penetració del pal metàl·lic resulta en una susceptància inductiva que disminueix a mesura que la inserció es completa. La intensitat de ressonància al punt mitjà de la instal·lació és inversament proporcional al diàmetre de la columna i es pot utilitzar com a filtre, però, en aquest cas s'utilitza com a filtre de parada de banda per transmetre modes d'ordre superior. En comparació amb l'augment de la impedància de les tires metàl·liques, un avantatge important d'utilitzar pals metàl·lics és que són fàcils d'ajustar. Per exemple, es poden utilitzar dos cargols com a dispositius d'afinació per aconseguir una adaptació eficient de la guia d'ones.
Càrregues resistives i atenuadors:
Com qualsevol altre sistema de transmissió, les guies d'ones de vegades requereixen una adaptació d'impedància perfecta i càrregues sintonitzades per absorbir completament les ones entrants sense reflexió i per ser insensibles a la freqüència. Una aplicació per a aquests terminals és fer diverses mesures de potència al sistema sense radiar realment cap potència.
figura 3 càrrega de resistència de guia d'ones (a) conicitat simple (b) conicitat doble
La terminació resistiva més comuna és una secció de dielèctric amb pèrdues instal·lada a l'extrem de la guia d'ones i cònica (amb la punta apuntant cap a l'ona entrant) per tal de no causar reflexions. Aquest medi amb pèrdues pot ocupar tota l'amplada de la guia d'ones, o pot ocupar només el centre de l'extrem de la guia d'ones, com es mostra a la Figura 3. La cònica pot ser de cònica simple o doble i normalment té una longitud de λp/2, amb una longitud total d'aproximadament dues longituds d'ona. Normalment està fet de plaques dielèctriques com ara vidre, recobertes amb pel·lícula de carboni o vidre soluble a l'exterior. Per a aplicacions d'alta potència, aquests terminals poden tenir dissipadors de calor afegits a l'exterior de la guia d'ones, i la potència subministrada al terminal es pot dissipar a través del dissipador de calor o mitjançant refredament per aire forçat.
figura 4 Atenuador de paleta mòbil
Els atenuadors dielèctrics es poden fer extraïbles com es mostra a la Figura 4. Col·locats al mig de la guia d'ones, es poden moure lateralment des del centre de la guia d'ones, on proporcionaran la major atenuació, fins a les vores, on l'atenuació es redueix considerablement, ja que la intensitat del camp elèctric del mode dominant és molt menor.
Atenuació a la guia d'ones:
L'atenuació energètica de les guies d'ones inclou principalment els aspectes següents:
1. Reflexions de discontinuitats internes de la guia d'ones o seccions desalineades de la guia d'ones
2. Pèrdues causades pel corrent que flueix a les parets de la guia d'ones
3. Pèrdues dielèctriques en guies d'ona plenes
Les dues últimes són similars a les pèrdues corresponents en línies coaxials i ambdues són relativament petites. Aquesta pèrdua depèn del material de la paret i la seva rugositat, del dielèctric utilitzat i de la freqüència (a causa de l'efecte pelicular). Per a conductes de llautó, el rang és de 4 dB/100 m a 5 GHz a 12 dB/100 m a 10 GHz, però per a conductes d'alumini, el rang és inferior. Per a guies d'ona recobertes de plata, les pèrdues solen ser de 8 dB/100 m a 35 GHz, 30 dB/100 m a 70 GHz i properes a 500 dB/100 m a 200 GHz. Per reduir les pèrdues, especialment a les freqüències més altes, les guies d'ona de vegades es recobreixen (internament) amb or o platí.
Com ja s'ha assenyalat, la guia d'ones actua com un filtre de pas alt. Tot i que la guia d'ones en si mateixa pràcticament no té pèrdues, les freqüències per sota de la freqüència de tall s'atenuen considerablement. Aquesta atenuació es deu a la reflexió a la boca de la guia d'ones en lloc de a la propagació.
Acoblament de guia d'ones:
L'acoblament de la guia d'ones normalment es produeix a través de brides quan s'uneixen peces o components de la guia d'ones. La funció d'aquesta brida és garantir una connexió mecànica suau i unes propietats elèctriques adequades, en particular una baixa radiació externa i una baixa reflexió interna.
Brida:
Les brides de guia d'ones s'utilitzen àmpliament en comunicacions de microones, sistemes de radar, comunicacions per satèl·lit, sistemes d'antenes i equips de laboratori en investigació científica. S'utilitzen per connectar diferents seccions de guia d'ones, garantir que s'evitin fuites i interferències i mantenir un alineament precís de la guia d'ones per garantir una transmissió fiable i un posicionament precís de les ones electromagnètiques de freqüència. Una guia d'ones típica té una brida a cada extrem, com es mostra a la Figura 5.
figura 5 (a) brida plana; (b) acoblament de brida.
A freqüències més baixes, la brida es soldarà a la guia d'ones, mentre que a freqüències més altes s'utilitza una brida plana a topall. Quan s'uneixen dues peces, les brides es cargolen, però els extrems han de tenir un acabat suau per evitar discontinuitats a la connexió. Òbviament, és més fàcil alinear els components correctament amb alguns ajustaments, per la qual cosa les guies d'ones més petites de vegades estan equipades amb brides roscades que es poden cargolar amb una femella circular. A mesura que augmenta la freqüència, la mida de l'acoblament de la guia d'ones disminueix naturalment, i la discontinuïtat de l'acoblament es fa més gran en proporció a la longitud d'ona del senyal i la mida de la guia d'ones. Per tant, les discontinuïtats a freqüències més altes es tornen més problemàtiques.
figura 6 (a) Secció transversal de l'acoblament de l'estrangulador; (b) Vista frontal de la brida de l'estrangulador
Per resoldre aquest problema, es pot deixar un petit espai entre les guies d'ones, tal com es mostra a la Figura 6. Un acoblament d'estrangulació que consisteix en una brida ordinària i una brida d'estrangulació connectades entre si. Per compensar les possibles discontinuitats, s'utilitza un anell d'estrangulació circular amb una secció transversal en forma de L a la brida d'estrangulació per aconseguir una connexió més ajustada. A diferència de les brides ordinàries, les brides d'estrangulació són sensibles a la freqüència, però un disseny optimitzat pot garantir un ample de banda raonable (potser el 10% de la freqüència central) sobre el qual la ROE no supera 1,05.
Data de publicació: 15 de gener de 2024
