¿Cómo lograr la adaptación de impedancia de las guías de onda? De la teoría de líneas de transmisión en la teoría de antenas microstrip, sabemos que se pueden seleccionar líneas de transmisión adecuadas en serie o en paralelo para lograr la adaptación de impedancia entre líneas de transmisión o entre líneas de transmisión y cargas para lograr la máxima transmisión de potencia y la mínima pérdida por reflexión. El mismo principio de adaptación de impedancia en líneas microstrip se aplica a la adaptación de impedancia en guías de onda. Las reflexiones en los sistemas de guías de onda pueden provocar desajustes de impedancia. Cuando se produce un deterioro de la impedancia, la solución es la misma que para las líneas de transmisión, es decir, cambiar el valor requerido. La impedancia concentrada se coloca en puntos precalculados en la guía de onda para superar el desajuste, eliminando así los efectos de las reflexiones. Mientras que las líneas de transmisión utilizan impedancias concentradas o stubs, las guías de onda utilizan bloques metálicos de diversas formas.
Figura 1: Iris de guía de ondas y circuito equivalente, (a) Capacitivo; (b) Inductivo; (c) Resonante.
La Figura 1 muestra los diferentes tipos de adaptación de impedancia, que pueden adoptar cualquiera de las formas mostradas y ser capacitivos, inductivos o resonantes. El análisis matemático es complejo, pero la explicación física no lo es. Considerando la primera tira metálica capacitiva de la figura, se puede observar que el potencial que existía entre las paredes superior e inferior de la guía de ondas (en el modo dominante) ahora existe entre las dos superficies metálicas más próximas, por lo que la capacitancia aumenta en ese punto. Por el contrario, el bloque metálico de la Figura 1b permite que la corriente fluya donde antes no fluía. Habrá flujo de corriente en el plano del campo eléctrico previamente mejorado debido a la adición del bloque metálico. Por lo tanto, se produce almacenamiento de energía en el campo magnético y aumenta la inductancia en ese punto de la guía de ondas. Además, si la forma y la posición del anillo metálico de la Figura c se diseñan razonablemente, la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva introducidas serán iguales, y la apertura será una resonancia paralela. Esto significa que la adaptación de impedancia y la sintonización del modo principal son muy buenas, y el efecto de derivación de este modo será insignificante. Sin embargo, otros modos o frecuencias se atenuarán, por lo que el anillo metálico resonante actúa como filtro paso banda y filtro modal.
Figura 2: (a) postes de guía de ondas; (b) acoplador de dos tornillos
Otra forma de sintonización se muestra arriba: un poste metálico cilíndrico se extiende desde uno de los lados anchos hacia la guía de ondas, lo que produce el mismo efecto que una tira metálica al proporcionar reactancia concentrada en ese punto. El poste metálico puede ser capacitivo o inductivo, según su penetración en la guía de ondas. En esencia, este método de adaptación consiste en que, al extenderse ligeramente dentro de la guía de ondas, dicho poste metálico proporciona una susceptancia capacitiva en ese punto, que aumenta hasta alcanzar una penetración de aproximadamente un cuarto de longitud de onda. En este punto, se produce resonancia en serie. Una mayor penetración del poste metálico genera una susceptancia inductiva que disminuye a medida que la inserción se completa. La intensidad de resonancia en la instalación del punto medio es inversamente proporcional al diámetro de la columna y puede utilizarse como filtro; sin embargo, en este caso se utiliza como filtro de banda eliminada para transmitir modos de orden superior. En comparación con el aumento de impedancia de las tiras metálicas, una importante ventaja de los postes metálicos es su fácil ajuste. Por ejemplo, se pueden utilizar dos tornillos como dispositivos de sintonización para lograr una adaptación eficiente de la guía de ondas.
Cargas resistivas y atenuadores:
Como cualquier otro sistema de transmisión, las guías de onda a veces requieren una adaptación de impedancia perfecta y cargas sintonizadas para absorber completamente las ondas entrantes sin reflexión y ser insensibles a la frecuencia. Una aplicación de estos terminales es realizar diversas mediciones de potencia en el sistema sin radiar potencia.
Figura 3 Carga de resistencia de guía de ondas (a) cono simple (b) cono doble
La terminación resistiva más común es una sección de dieléctrico con pérdidas instalada en el extremo de la guía de onda y ahusada (con la punta orientada hacia la onda entrante) para evitar reflexiones. Este medio con pérdidas puede ocupar todo el ancho de la guía de onda o solo el centro del extremo, como se muestra en la Figura 3. La conicidad puede ser simple o doble y suele tener una longitud de λp/2, con una longitud total de aproximadamente dos longitudes de onda. Generalmente está hecha de placas dieléctricas, como vidrio, recubiertas con película de carbono o vidrio soluble en el exterior. Para aplicaciones de alta potencia, estos terminales pueden tener disipadores de calor añadidos al exterior de la guía de onda, y la potencia suministrada al terminal puede disiparse a través del disipador o mediante refrigeración por aire forzado.
Figura 4 Atenuador de paletas móviles
Los atenuadores dieléctricos pueden hacerse desmontables como se muestra en la Figura 4. Colocados en el medio de la guía de ondas, se pueden mover lateralmente desde el centro de la guía de ondas, donde proporcionarán la mayor atenuación, hasta los bordes, donde la atenuación se reduce en gran medida ya que la intensidad del campo eléctrico del modo dominante es mucho menor.
Atenuación en guía de ondas:
La atenuación energética de las guías de ondas incluye principalmente los siguientes aspectos:
1. Reflexiones de discontinuidades internas de la guía de ondas o secciones desalineadas de la guía de ondas
2. Pérdidas causadas por la corriente que fluye en las paredes de la guía de ondas
3. Pérdidas dieléctricas en guías de ondas rellenas
Las dos últimas son similares a las pérdidas correspondientes en líneas coaxiales y ambas son relativamente pequeñas. Esta pérdida depende del material de la pared y su rugosidad, del dieléctrico utilizado y de la frecuencia (debido al efecto pelicular). Para conductos de latón, el rango oscila entre 4 dB/100 m a 5 GHz y 12 dB/100 m a 10 GHz, pero para conductos de aluminio, el rango es menor. Para guías de onda revestidas de plata, las pérdidas suelen ser de 8 dB/100 m a 35 GHz, 30 dB/100 m a 70 GHz y cerca de 500 dB/100 m a 200 GHz. Para reducir las pérdidas, especialmente en las frecuencias más altas, las guías de onda a veces se recubren internamente con oro o platino.
Como ya se mencionó, la guía de ondas actúa como un filtro paso alto. Aunque la guía de ondas en sí misma es prácticamente sin pérdidas, las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte se atenúan considerablemente. Esta atenuación se debe a la reflexión en la entrada de la guía de ondas, más que a la propagación.
Acoplamiento de guía de ondas:
El acoplamiento de guías de onda suele realizarse mediante bridas al unir piezas o componentes de guías de onda. La función de estas bridas es garantizar una conexión mecánica fluida y propiedades eléctricas adecuadas, en particular baja radiación externa y baja reflexión interna.
Brida:
Las bridas de guía de ondas se utilizan ampliamente en comunicaciones por microondas, sistemas de radar, comunicaciones satelitales, sistemas de antenas y equipos de laboratorio para la investigación científica. Sirven para conectar diferentes secciones de la guía de ondas, evitar fugas e interferencias y mantener una alineación precisa de la guía de ondas para garantizar una transmisión fiable y un posicionamiento preciso de las ondas electromagnéticas de alta frecuencia. Una guía de ondas típica tiene una brida en cada extremo, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5 (a) brida lisa; (b) acoplamiento de brida.
A frecuencias más bajas, la brida se soldará a la guía de onda, mientras que a frecuencias más altas se utiliza una brida plana a tope. Al unir dos piezas, las bridas se atornillan, pero los extremos deben tener un acabado liso para evitar discontinuidades en la conexión. Obviamente, es más fácil alinear los componentes correctamente con algunos ajustes, por lo que las guías de onda más pequeñas a veces están equipadas con bridas roscadas que se pueden atornillar con una tuerca anular. A medida que aumenta la frecuencia, el tamaño del acoplamiento de la guía de onda disminuye naturalmente, y la discontinuidad del acoplamiento aumenta en proporción a la longitud de onda de la señal y al tamaño de la guía de onda. Por lo tanto, las discontinuidades a frecuencias más altas se vuelven más problemáticas.
Figura 6 (a) Sección transversal del acoplamiento del estrangulador; (b) Vista del extremo de la brida del estrangulador
Para solucionar este problema, se puede dejar un pequeño espacio entre las guías de onda, como se muestra en la Figura 6. Un acoplamiento de estrangulación consta de una brida convencional y una brida de estrangulación conectadas entre sí. Para compensar posibles discontinuidades, se utiliza un anillo de estrangulación circular con sección transversal en L en la brida de estrangulación para lograr una conexión más ajustada. A diferencia de las bridas convencionales, las bridas de estrangulación son sensibles a la frecuencia, pero un diseño optimizado puede garantizar un ancho de banda razonable (quizás el 10 % de la frecuencia central) en el que la ROE no supere 1,05.
Hora de publicación: 15 de enero de 2024
