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 Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 1
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 λ t (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 λ t =2a (a=dimensione maggiore del rettangolo); Circolare λ t =1.73 r (r=raggio) M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 2
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. M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 3
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. M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 4
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. M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 5
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 E z per le onde TM e in funzione di H z 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. M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 6
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. M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 7
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. M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 8
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. M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 9
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. M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 10
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. M. Usai Ingegneria dei Sistemi Elettrici_6f 11