Ingegneria a microonde - Guide d'onda
Generalmente, se la frequenza di un segnale o una particolare banda di segnali è elevata, l'utilizzo della larghezza di banda è elevato poiché il segnale fornisce più spazio per accumulare altri segnali. Tuttavia, i segnali ad alta frequenza non possono viaggiare per distanze maggiori senza essere attenuati. Abbiamo studiato che le linee di trasmissione aiutano i segnali a percorrere distanze maggiori.
Le microonde si propagano attraverso circuiti, componenti e dispositivi a microonde, che agiscono come parte delle linee di trasmissione a microonde, chiamate in generale come guide d'onda.
Un tubo metallico cavo di sezione trasversale uniforme per la trasmissione di onde elettromagnetiche mediante riflessioni successive dalle pareti interne del tubo è chiamato come un Waveguide.
La figura seguente mostra un esempio di una guida d'onda.
Una guida d'onda è generalmente preferita nelle comunicazioni a microonde. La guida d'onda è una forma speciale di linea di trasmissione, che è un tubo metallico cavo. A differenza di una linea di trasmissione, una guida d'onda non ha un conduttore centrale.
Le caratteristiche principali di una guida d'onda sono:
La parete del tubo fornisce un'induttanza distribuita.
Lo spazio vuoto tra le pareti del tubo fornisce capacità distribuita.
Questi sono ingombranti e costosi.
Vantaggi delle guide d'onda
Di seguito sono riportati alcuni vantaggi delle guide d'onda.
Le guide d'onda sono facili da produrre.
Possono gestire potenze molto elevate (in kilo watt).
La perdita di potenza è molto trascurabile nelle guide d'onda.
Offrono una perdita molto bassa (basso valore di attenuazione alfa).
Quando l'energia a microonde viaggia attraverso la guida d'onda, subisce perdite inferiori rispetto a un cavo coassiale.
Tipi di guide d'onda
Esistono cinque tipi di guide d'onda.
- Guida d'onda rettangolare
- Guida d'onda circolare
- Guida d'onda ellittica
- Guida d'onda a singola cresta
- Guida d'onda a doppia cresta
Le figure seguenti mostrano i tipi di guide d'onda.
I tipi di guide d'onda mostrati sopra sono cavi al centro e costituiti da pareti di rame. Questi hanno un sottile rivestimento di Au o Ag sulla superficie interna.
Confrontiamo ora le linee di trasmissione e le guide d'onda.
Linee di trasmissione vs guide d'onda
La principale differenza tra una linea di trasmissione e una guida d'onda è:
UN two conductor structure che può supportare un'onda TEM è una linea di trasmissione.
UN one conductor structure che può supportare un'onda TE o un'onda TM ma non un'onda TEM è chiamata guida d'onda.
La tabella seguente evidenzia le differenze tra linee di trasmissione e guide d'onda.
| Linee di trasmissione | Guide d'onda |
|---|---|
| Supporta l'onda TEM | Impossibile supportare l'onda TEM |
| Tutte le frequenze possono passare | Possono passare solo le frequenze maggiori della frequenza di taglio |
| Trasmissione a due conduttori | Trasmissione a un conduttore |
| I riflessi sono meno | Un'onda viaggia attraverso i riflessi dalle pareti della guida d'onda |
| Ha un'impedenza caratteristica | Ha un'impedenza d'onda |
| La propagazione delle onde è secondo la "Teoria dei circuiti" | La propagazione delle onde è secondo la "teoria dei campi" |
| Ha un conduttore di ritorno a terra | Il conduttore di ritorno non è richiesto poiché il corpo della guida d'onda funge da terra |
| La larghezza di banda non è limitata | La larghezza di banda è limitata |
| Le onde non si disperdono | Le onde si disperdono |
Velocità di fase
La velocità di fase è la velocità con cui l'onda cambia la sua fase per subire uno spostamento di fase di 2πradianti. Può essere inteso come il cambiamento di velocità delle componenti d'onda di un'onda sinusoidale, quando modulata.
Deriviamo un'equazione per la velocità di fase.
Secondo la definizione, il tasso di cambiamento di fase a 2π i radianti devono essere considerati.
Che significa, $λ$ / $T$ quindi,
$$ V = \ frac {\ lambda} {T} $$
Dove,
$ λ $ = lunghezza d'onda e $ T $ = tempo
$$ V = \ frac {\ lambda} {T} = \ lambda f $$
Poiché $ f = \ frac {1} {T} $
Se moltiplichiamo il numeratore e il denominatore per 2π Poi abbiamo
$$ V = \ lambda f = \ frac {2 \ pi \ lambda f} {2 \ pi} $$
Sappiamo che $ \ omega = 2 \ pi f $ and $ \ beta = \ frac {2 \ pi} {f} $
L'equazione di cui sopra può essere scritta come,
$$ V = \ frac {2 \ pi f} {\ frac {2 \ pi} {\ lambda}} = \ frac {\ omega} {\ beta} $$
Quindi, l'equazione per la velocità di fase è rappresentata come
$$ V_p = \ frac {\ omega} {\ beta} $$
Velocità di gruppo
La velocità di gruppo può essere definita come la velocità con cui l'onda si propaga attraverso la guida d'onda. Questo può essere inteso come la velocità con cui viaggia un inviluppo modulato rispetto al solo vettore. Questa onda modulata viaggia attraverso la guida d'onda.
L'equazione della velocità di gruppo è rappresentata come
$$ V_g = \ frac {d \ omega} {d \ beta} $$
La velocità dell'inviluppo modulato è solitamente più lenta del segnale portante.