Come si ottiene l'adattamento di impedenza nelle guide d'onda? Dalla teoria delle linee di trasmissione applicata alle antenne a microstriscia, sappiamo che è possibile selezionare opportune linee di trasmissione in serie o in parallelo per ottenere l'adattamento di impedenza tra le linee di trasmissione o tra le linee di trasmissione e i carichi, al fine di massimizzare la trasmissione di potenza e minimizzare le perdite per riflessione. Lo stesso principio di adattamento di impedenza nelle linee a microstriscia si applica anche alle guide d'onda. Le riflessioni nei sistemi a guida d'onda possono causare disadattamenti di impedenza. Quando si verifica un deterioramento dell'impedenza, la soluzione è la stessa delle linee di trasmissione, ovvero modificare il valore richiesto. L'impedenza concentrata viene posizionata in punti precalcolati della guida d'onda per compensare il disadattamento, eliminando così gli effetti delle riflessioni. Mentre le linee di trasmissione utilizzano impedenze concentrate o stub, le guide d'onda utilizzano blocchi metallici di varie forme.
Figura 1: Diaframmi della guida d'onda e circuito equivalente, (a) capacitivo; (b) induttivo; (c) risonante.
La Figura 1 mostra i diversi tipi di adattamento di impedenza, che possono assumere una qualsiasi delle forme illustrate e possono essere capacitivi, induttivi o risonanti. L'analisi matematica è complessa, ma la spiegazione fisica non lo è. Considerando la prima striscia metallica capacitiva nella figura, si può notare che il potenziale che esisteva tra le pareti superiore e inferiore della guida d'onda (nel modo dominante) ora esiste tra le due superfici metalliche più vicine, quindi la capacità in quel punto aumenta. Al contrario, il blocco metallico nella Figura 1b permette il flusso di corrente dove prima non scorreva. Ci sarà un flusso di corrente nel piano del campo elettrico precedentemente amplificato grazie all'aggiunta del blocco metallico. Pertanto, si verifica un accumulo di energia nel campo magnetico e l'induttanza in quel punto della guida d'onda aumenta. Inoltre, se la forma e la posizione dell'anello metallico nella Figura c sono progettate in modo appropriato, la reattanza induttiva e la reattanza capacitiva introdotte saranno uguali e l'apertura sarà in risonanza parallela. Ciò significa che l'adattamento di impedenza e la sintonizzazione del modo principale sono molto buoni e l'effetto di shunt di questo modo sarà trascurabile. Tuttavia, altre modalità o frequenze verranno attenuate, quindi l'anello metallico risonante funge sia da filtro passa-banda che da filtro di modo.
Figura 2: (a) montanti della guida d'onda; (b) adattatore a due viti
Un altro metodo di sintonizzazione è illustrato sopra, dove un pilastro metallico cilindrico si estende da uno dei lati più larghi all'interno della guida d'onda, avendo lo stesso effetto di una striscia metallica in termini di reattanza concentrata in quel punto. Il pilastro metallico può essere capacitivo o induttivo, a seconda di quanto si estende all'interno della guida d'onda. In sostanza, questo metodo di adattamento si basa sul fatto che quando tale pilastro metallico si estende leggermente all'interno della guida d'onda, fornisce una suscettanza capacitiva in quel punto, e la suscettanza capacitiva aumenta fino a quando la penetrazione non raggiunge circa un quarto di lunghezza d'onda. A questo punto, si verifica la risonanza in serie. Un'ulteriore penetrazione del pilastro metallico determina una suscettanza induttiva che diminuisce man mano che l'inserimento diventa più completo. L'intensità di risonanza nel punto di installazione intermedio è inversamente proporzionale al diametro del pilastro e può essere utilizzata come filtro; tuttavia, in questo caso viene utilizzata come filtro elimina-banda per trasmettere modi di ordine superiore. Rispetto all'aumento dell'impedenza delle strisce metalliche, un vantaggio principale dell'utilizzo di pilastri metallici è la loro facilità di regolazione. Ad esempio, due viti possono essere utilizzate come dispositivi di regolazione per ottenere un adattamento efficiente della guida d'onda.
Carichi resistivi e attenuatori:
Come qualsiasi altro sistema di trasmissione, le guide d'onda a volte richiedono un perfetto adattamento di impedenza e carichi sintonizzati per assorbire completamente le onde in ingresso senza riflessioni ed essere insensibili alla frequenza. Un'applicazione per tali terminali è quella di effettuare varie misurazioni di potenza sul sistema senza irradiare effettivamente alcuna potenza.
figura 3 carico di resistenza della guida d'onda (a) cono singolo (b) doppio cono
La terminazione resistiva più comune è costituita da una sezione di dielettrico dissipativo installata all'estremità della guida d'onda e rastremata (con la punta rivolta verso l'onda incidente) in modo da non causare riflessioni. Questo mezzo dissipativo può occupare l'intera larghezza della guida d'onda, oppure solo la parte centrale dell'estremità, come mostrato in Figura 3. La rastrematura può essere singola o doppia e in genere ha una lunghezza di λp/2, con una lunghezza totale di circa due lunghezze d'onda. Solitamente è realizzata con piastre dielettriche come il vetro, rivestite esternamente con una pellicola di carbonio o silicato di sodio. Per applicazioni ad alta potenza, a tali terminali possono essere aggiunti dissipatori di calore all'esterno della guida d'onda, e la potenza erogata al terminale può essere dissipata attraverso il dissipatore di calore o mediante raffreddamento ad aria forzata.
Figura 4 Attenuatore a paletta mobile
Gli attenuatori dielettrici possono essere resi rimovibili come mostrato in Figura 4. Posizionato al centro della guida d'onda, può essere spostato lateralmente dal centro, dove fornirà la massima attenuazione, verso i bordi, dove l'attenuazione è notevolmente ridotta poiché l'intensità del campo elettrico del modo dominante è molto inferiore.
Attenuazione nella guida d'onda:
L'attenuazione dell'energia nelle guide d'onda comprende principalmente i seguenti aspetti:
1. Riflessioni da discontinuità interne della guida d'onda o sezioni di guida d'onda disallineate
2. Perdite causate dalla corrente che scorre nelle pareti della guida d'onda
3. Perdite dielettriche nelle guide d'onda riempite
Gli ultimi due valori sono simili alle perdite corrispondenti nelle linee coassiali e sono entrambi relativamente bassi. Questa perdita dipende dal materiale della parete e dalla sua rugosità, dal dielettrico utilizzato e dalla frequenza (a causa dell'effetto pelle). Per i condotti in ottone, l'intervallo va da 4 dB/100 m a 5 GHz a 12 dB/100 m a 10 GHz, mentre per i condotti in alluminio l'intervallo è inferiore. Per le guide d'onda rivestite in argento, le perdite sono tipicamente di 8 dB/100 m a 35 GHz, 30 dB/100 m a 70 GHz e prossime a 500 dB/100 m a 200 GHz. Per ridurre le perdite, soprattutto alle frequenze più elevate, le guide d'onda vengono talvolta placcate (internamente) con oro o platino.
Come già accennato, la guida d'onda agisce come un filtro passa-alto. Sebbene la guida d'onda in sé sia praticamente priva di perdite, le frequenze al di sotto della frequenza di taglio vengono fortemente attenuate. Questa attenuazione è dovuta alla riflessione all'imboccatura della guida d'onda piuttosto che alla propagazione.
Accoppiamento della guida d'onda:
L'accoppiamento delle guide d'onda avviene solitamente tramite flange quando i vari elementi o componenti della guida d'onda vengono uniti tra loro. La funzione di queste flange è quella di garantire una connessione meccanica stabile e proprietà elettriche adeguate, in particolare una bassa radiazione esterna e una bassa riflessione interna.
Flangia:
Le flange per guide d'onda sono ampiamente utilizzate nelle comunicazioni a microonde, nei sistemi radar, nelle comunicazioni satellitari, nei sistemi di antenne e nelle apparecchiature di laboratorio per la ricerca scientifica. Vengono utilizzate per collegare diverse sezioni di guida d'onda, prevenire perdite e interferenze e mantenere un allineamento preciso della guida d'onda per garantire una trasmissione affidabile e un posizionamento preciso delle onde elettromagnetiche a frequenza elevata. Una tipica guida d'onda presenta una flangia a ciascuna estremità, come mostrato in Figura 5.
figura 5 (a) flangia piana; (b) giunto flangiato.
Alle basse frequenze la flangia viene brasata o saldata alla guida d'onda, mentre alle alte frequenze si utilizza una flangia piatta di testa. Quando due parti vengono unite, le flange vengono imbullonate, ma le estremità devono essere rifinite in modo liscio per evitare discontinuità nella connessione. È ovviamente più facile allineare correttamente i componenti con alcune regolazioni, quindi le guide d'onda più piccole sono talvolta dotate di flange filettate che possono essere avvitate insieme con un dado ad anello. All'aumentare della frequenza, le dimensioni dell'accoppiamento della guida d'onda diminuiscono naturalmente e la discontinuità di accoppiamento diventa maggiore in proporzione alla lunghezza d'onda del segnale e alle dimensioni della guida d'onda. Pertanto, le discontinuità alle alte frequenze diventano più problematiche.
figura 6 (a) Sezione trasversale del raccordo di strozzatura; (b) vista frontale della flangia di strozzatura
Per risolvere questo problema, è possibile lasciare un piccolo spazio tra le guide d'onda, come mostrato in Figura 6. Un accoppiamento a induttore è costituito da una flangia ordinaria e una flangia a induttore collegate tra loro. Per compensare eventuali discontinuità, nella flangia a induttore viene utilizzato un anello di induttore circolare con sezione trasversale a forma di L per ottenere una connessione più aderente. A differenza delle flange ordinarie, le flange a induttore sono sensibili alla frequenza, ma una progettazione ottimizzata può garantire una larghezza di banda ragionevole (forse il 10% della frequenza centrale) su cui il ROS non supera 1,05.
Data di pubblicazione: 15 gennaio 2024
