¿Cómo lograr la adaptación de impedancia en guías de onda? Según la teoría de líneas de transmisión en antenas de microcinta, se pueden seleccionar líneas de transmisión en serie o en paralelo para lograr la adaptación de impedancia entre líneas de transmisión o entre líneas de transmisión y cargas, con el fin de obtener la máxima transmisión de potencia y la mínima pérdida por reflexión. El mismo principio de adaptación de impedancia en líneas de microcinta 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: cambiar el valor requerido. La impedancia concentrada se coloca en puntos precalculados de 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: Diafragmas 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 capacitivas, inductivas o resonantes. El análisis matemático es complejo, pero la explicación física no lo es. Considerando la primera tira metálica capacitiva de la figura, se observa 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 en ese punto aumenta. En contraste, el bloque metálico de la Figura 1b permite que fluya corriente donde antes no fluía. Habrá flujo de corriente en el plano del campo eléctrico previamente intensificado debido a la adición del bloque metálico. Por lo tanto, se produce un almacenamiento de energía en el campo magnético y la inductancia en ese punto de la guía de ondas aumenta. Además, si la forma y la posición del anillo metálico de la Figura 1c se diseñan adecuadamente, la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva introducidas serán iguales, y la apertura estará en resonancia paralela. Esto significa que la adaptación de impedancia y la sintonización del modo principal son excelentes, 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 de paso de banda y filtro de modo.
Figura 2: (a) postes de guía de ondas; (b) acoplador de dos tornillos
Otra forma de sintonización se muestra arriba, donde un poste metálico cilíndrico se extiende desde uno de los lados anchos hacia la guía de ondas, teniendo el mismo efecto que una tira metálica en términos de proporcionar reactancia concentrada en ese punto. El poste metálico puede ser capacitivo o inductivo, dependiendo de cuánto se extienda dentro de la guía de ondas. Esencialmente, este método de adaptación consiste en que cuando dicho pilar metálico se extiende ligeramente dentro de la guía de ondas, proporciona una susceptancia capacitiva en ese punto, y la susceptancia capacitiva aumenta hasta que la penetración es aproximadamente un cuarto de longitud de onda. En este punto, se produce la resonancia en serie. Una mayor penetración del poste metálico da como resultado 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 usarse como filtro; sin embargo, en este caso se usa como filtro de rechazo de banda para transmitir modos de orden superior. En comparación con el aumento de la impedancia de las tiras metálicas, una gran ventaja de usar postes metálicos es que son fáciles de ajustar. Por ejemplo, se pueden utilizar dos tornillos como dispositivos de ajuste 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 perfecta adaptación de impedancia y cargas sintonizadas para absorber completamente las ondas incidentes sin reflexión y para ser insensibles a la frecuencia. Una aplicación de estos terminales es realizar diversas mediciones de potencia en el sistema sin irradiar potencia alguna.
Figura 3 Carga de resistencia de guía de onda (a) cono simple (b) cono doble
La terminación resistiva más común consiste en una sección de dieléctrico con pérdidas instalada al final de la guía de ondas y con forma cónica (con la punta apuntando hacia la onda incidente) para evitar reflexiones. Este medio con pérdidas puede ocupar todo el ancho de la guía de ondas 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 aproximada de dos longitudes de onda. Generalmente está hecha de placas dieléctricas, como vidrio, recubiertas con una película de carbono o silicato de sodio en el exterior. Para aplicaciones de alta potencia, se pueden añadir disipadores de calor a la parte exterior de la guía de ondas, y la potencia suministrada al terminal se puede disipar a través del disipador o mediante refrigeración por aire forzado.
Figura 4. Atenuador de paletas móviles.
Los atenuadores dieléctricos pueden ser extraíbles, como se muestra en la Figura 4. Colocados en el centro de la guía de ondas, pueden moverse lateralmente desde el centro, donde proporcionarán la mayor atenuación, hasta los bordes, donde la atenuación se reduce considerablemente ya que la intensidad del campo eléctrico del modo dominante es mucho menor.
Atenuación en la guía de ondas:
La atenuación de energía de las guías de onda incluye principalmente los siguientes aspectos:
1. Reflexiones debidas a discontinuidades internas de la guía de ondas o a secciones de la guía de ondas desalineadas.
2. Pérdidas causadas por la corriente que fluye en las paredes de la guía de ondas.
3. Pérdidas dieléctricas en guías de onda 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, el dieléctrico utilizado y la frecuencia (debido al efecto piel). Para conductos de latón, el rango es de 4 dB/100 m a 5 GHz a 12 dB/100 m a 10 GHz, pero para conductos de aluminio, el rango es menor. Para guías de onda recubiertas 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 ha señalado, la guía de ondas actúa como un filtro de paso alto. Si bien la guía de ondas en sí misma prácticamente no presenta pérdidas, las frecuencias inferiores a la frecuencia de corte se atenúan considerablemente. Esta atenuación se debe a la reflexión en la entrada de la guía de ondas, y no a la propagación.
Acoplamiento de guía de ondas:
El acoplamiento de guías de onda generalmente se realiza mediante bridas cuando se unen piezas o componentes de la guía de onda. La función de esta brida 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 onda se utilizan ampliamente en comunicaciones por microondas, sistemas de radar, comunicaciones por satélite, sistemas de antenas y equipos de laboratorio para la investigación científica. Se emplean para conectar diferentes secciones de guía de onda, evitar fugas e interferencias y mantener una alineación precisa de la guía de onda para garantizar una transmisión altamente fiable y un posicionamiento preciso de las ondas electromagnéticas de frecuencia variable. Una guía de onda típica tiene una brida en cada extremo, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5 (a) brida simple; (b) acoplamiento de brida.
A bajas frecuencias, la brida se une mediante soldadura fuerte o blanda a la guía de ondas, 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 correctamente los componentes con algunos ajustes, por lo que las guías de ondas más pequeñas a veces se equipan 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 ondas disminuye naturalmente, y la discontinuidad del acoplamiento se vuelve mayor en proporción a la longitud de onda de la señal y al tamaño de la guía de ondas. Por lo tanto, las discontinuidades a frecuencias más altas se vuelven más problemáticas.
Figura 6 (a) Sección transversal del acoplamiento de estrangulamiento; (b) Vista frontal de la brida de estrangulamiento
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 estrangulamiento consta de una brida común y una brida de estrangulamiento conectadas entre sí. Para compensar posibles discontinuidades, se utiliza un anillo de estrangulamiento circular con sección transversal en forma de L en la brida de estrangulamiento para lograr una conexión más ajustada. A diferencia de las bridas comunes, las bridas de estrangulamiento 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.
Fecha de publicación: 15 de enero de 2024
