Guide d`onda e cavità risonanti

Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f
Guide d’onda e cavità risonanti
Sono state studiate le proprietà caratteristiche delle onde
elettromagnetiche trasversali guidate da linee di trasmissione.
Una delle proprietà importanti delle onde guidate TEM
attraverso le linee di conduttori con resistenza trascurabile è che
la velocità di propagazione dell’onda a qualsiasi frequenza è la
stessa come nei mezzi dielettrici illimitati.
M. Usai
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Per guida d’onda si intende un tubo metallico in cui si fa avvenire la
propagazione di onde elettromagnetiche in impianti di
telecomunicazioni a microonde.
Possono avere sezione rettangolare ( più comunemente usato),
circolare o ellittica.
La propagazione delle onde è possibile solo se la lunghezza d’onda
è inferiore ad un certo valore λt (lunghezza d’onda di taglio), ossia
se la frequenza è superiore ad un valore minimo dipendente dalla
forma e dalle dimensioni della sezione della guida.
Per sezione
Rettangolare λt =2a
(a=dimensione maggiore del rettangolo);
Circolare
λt =1.73 r (r=raggio)
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La velocità v con cui si propaga l’energia associata all’onda
elettromagnetica è inferiore alla velocità dell’onda nello spazio
libero.
Nella propagazione nelle guide d’onda si ha una dissipazione di
energia nelle pareti dovuta al fatto che questa non sono
perfettamente conduttrici.
Le guide d’onda vengono usate per frequenze superiori a 1000 Hz
(λ< 30 cm). Per dimensioni più basse le dimensioni richieste
sarebbero proibitive.
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Le onde TEM non rappresentano l’unico modo di onde guidate
che possono propagarsi lungo linee di trasmissione e i tre tipi di
linee di trasmissione esaminate non sono le uniche strutture
possibili per le onde guidate.
Si è visto come la costante di attenuazione per linee con
conduttività finita aumenta con R ( resistenza per unità di
lunghezza) che a sua volta è proporzionale alla f .
Quindi l’attenuazione delle onde TEM tende ad aumentare
monotonicamente con la frequenza con l’inconveniente che
quest’ultima dovrebbe essere proibitivamente alta nel campo
delle microonde.
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Dall’esame delle equazioni che sono alla base della
trasmissione con guida d’onda, si vede che insieme alle onde
elettromagnetiche (TEM) trasversali, che non presentano
alcuna componente del campo nella direzione di
propagazione, possono anche esistere :
• onde magnetiche trasversali (TM) con componente
longitudinale del campo elettrico e
• onde trasversali elettriche (TE) con componente
longitudinale del campo magnetico.
Entrambe le onde sono caratterizzate dalle frequenze di taglio
per cui le onde con frequenza minore della frequenza di
taglio, non possono essere trasmesse e la trasmissione di
potenza o segnali può avvenire solo per frequenza superiori
superiori alla frequenza di taglio.
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Quindi le guide d’onda che operano in modalità TM e TE si
comportano come filtri passa-alto.
Riesaminando le caratteristiche d’onda e di campo per onde
guida realizzate con linee piatte in modalità di trasmissione TM
e TE si dimostra che tutte le componenti trasversali del campo
possono essere espresse:
•in funzione di Ez per le onde TM e
•in funzione di Hz per le onde TE,
essendo z la direzione di propagazione.
La costante di attenuazione per muri conduttori imperfetti,
dipende, in modo complicato, dalla modalità di propagazione
dell’onda e dalla frequenza.
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Per alcune modalità di trasmissione l’attenuazione può diminuire
all’aumentare della frequenza e per altre può presentare un
minimo quando la frequenza supera la frequenza di taglio di
una certa quantità.
Le onde elettromagnetiche possono propagarsi attraverso
conduttori metallici cavi con sezione trasversale arbitraria
come le guide d’onda cave rettangolari e circolari.
Per esse è possibile esaminare in dettaglio:
• i campi, le correnti, le distribuzioni di carica e
• le caratteristiche di propagazione e attenuazione.
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Le onde elettromagnetiche possono essere trasmesse anche
attraverso guide d’onda di piastre dielettriche aperte ( open
dielectric-slab ).
I campi sono sono presenti solo all’interno del dielettrico e
diminuiscono rapidamente allontanandosi dalla superficie della
piastra nel piano trasversale. Per questo motivo le onde
trasportate da piastre dielettriche sono chiamate onde
superficiali (surface waves).
Le fibre ottiche cilindriche rappresentano un’altra modalità di
realizzazione di una guida d’onda.
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Le frequenze delle microonde , elementi a parametri concentrati
ordinari( induttanze e capacità) connesse attraverso fili non sono
praticamente più lunghe degli elementi del circuito dei circuiti
risonanti perché le dimensioni degli elementi dovrebbero essere
estremamente piccoli, perché le resistenze dei circuiti filiformi
diventano molto alte a causa dell’effetto pelle e per le radiazioni.
I box walls forniscono ampie aree per il flusso di corrente e le
perdite sono molto piccole. Conseguentemente una box è
essenzialmente una guida d’onda con face alle estremità chiuse , è
chiamato cavity resonator.
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Il risonatore a cavità o cavità risonante, nella tecnica delle
microonde è una cavità a pareti conduttrici di forma cilindrica ,
sferica o prismatica, sede di oscillazioni elettromagnetiche: se la
lunghezza d’onda della oscillazione è legata alle dimensioni
geometriche della cavità in modo opportuno, si hanno fenomeni di
risonanza , cioè l’ampiezza di tali oscillazioni diventa molto
grande.
Queste cavità risonanti vengono utilizzati al posto di quelli a
parametri concentrati, per frequenze alte per la semplicità di
costruzione e per l’alto coefficiente di risonanza.
Essa può risonare a molte frequenze e la più bassa, detta
fondamentale, è quella alla quale si opera.
Vengono collegate ad altri circuiti mediante un elettrodo o una
spira immersi nella cavità collegandole direttamente alle guide
d’onda.
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Le cavità risonanti possono variare la frequenza di risonanza
modificando le dimensioni della cavità ( per esempio nelle
cilindriche o prismatiche spostando una delle pareti di base) o
introducendovi un pistoncino conduttore.
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