Para que seja possível a propagação de uma onda dentro de uma das possíveis configurações de campo permitidas pela geometria do guia, torna-se necessário o uso de dispositivos que excitem nesse guia o modo desejado, utilizando a energia de microondas produzida por um gerador.
Analisando a distribuição dos campos no guia podemos definir a forma de excitação de um determinado modo.
Existem 3 dispositivos usados para injetar ou remover energia de guias de onda, eles são: 1) pontas de prova (probes), 2) loops e 3) aberturas (slots). Esses últimos podem ser chamados também de janelas.
Excitação de ondas no guia
Existem duas formas de se realizar a excitação: a) Acoplamento elétrico
Excitação do modo TE10 no guia retangular por acoplamento elétrico. Nesse caso introduz-se uma sonda (antena excitadora) no interior do guia, na direção do campo elétrico, em um ponto onde esse campo seja máximo. A Figura apresenta a forma de excitação do modo TE10, no guia retangular, através do acoplamento elétrico.
g/4
Vista de Lado
Vista de Frente
Gerador
Gerador
Coaxial
Condutor central (Sonda elétrica)a
b
Acoplamento magnético
O acoplamento magnético é realizado introduzindo-se no guia o condutor com extremidade em arco, num plano perpendicular ao campo magnético, onde este seja máximo. A Figura apresenta a forma de excitação do
modo TE10, no guia retangular, por acoplamento magnético.
Acoplamento magnético
Excitação de ondas no guia
O loop pode ser girado ou movido até que ele interrompa um menor número de linhas de campo quando se deseja um acoplamento menos eficiente. A capacidade de potência aumenta na medida em que o diâmetro do loop aumenta.
Excitação de ondas no guia
Janela
Quando um acoplamento muito fraco é requerido, é utilizada a excitação por janelas no guia de onda.
O campo entra a través da janela e se expande no guia de onda.
Junção E
Junção H
• Divisor de potência
• Junção E (Série)
Eixo da junção paralelo ao campo E (fase oposta em 1 e 2 – inversão do campo E)
• Junção H (Paralelo)
Eixo da junção paralelo ao campo H (mesma fase em 1 e 2 – sem inversão de E)
Junções de guias de onda
Junção tipo H
Junções de guias de onda
Junção tipo E
input
Output
Campo elétrico defasado 180 graus Output
Campo elétrico em fase input
a
x
Cargas (+) em `a´ induzem cargas (–) em `x´; Cargas (-) em `b´ induzem cargas (–)
em `y´
b
Acopladores Bidirecionais
- São dispositivos que permitem fazer amostragem da energia se propagando no guia
de ondas com o propósito de medida ou a sua utilização num outro circuito.
- A maioria dos acopladores amostra a energia numa única direção, no caso de
amostrarem em ambas direções eles são chamados de ACOPLADORES BIDIRECIONAIS, amplamente utilizados em sistemas de radares e telecomunicações. O acoplador apresentado é construído a
partir de um segmento do guia de onda onde será utilizado.
A parede “b” do acoplador é montada na parede “b” do guia de onda. Existem dois buracos separados por 1/4 na parede “b” do acoplador, a seção superior do acoplador bidirecional tem uma cunha absorvedora de um lado e uma ponta de prova do outro, onde será amostrada a energia.
O material absorvedor capta toda a energia que não é direcionada para a ponta de prova.
Acopladores Bidirecionais
-A figura ilustra duas porções de uma frente de onda propagando-se num guia. as ondas se propagam na direção indicada pela seta e penetram no acoplador através dos buracos conforme indicado na figura.
Já que ambas porções percorrem a mesma distância, elas estão em fase quando chegam na ponta de prova, assim sendo elas somam as magnitudes e fornece uma amostra da energia de onda propagando no guia.
Esta amostra remove uma pequena quantidade de energia, mas sua magnitude ainda é proporcional àquela da onda amostrada.
O efeito de qualquer acoplador na onda refletida (energia) é ilustrado na Figura embaixo.
Observar que as duas ondas não percorrem a mesma distância até a ponta de prova.
A onda com linha tracejada percorre ½ a mais e elas atingem a ponta de prova com fases opostas (180º). Neste caso há o cancelamento das ondas e nenhuma energia é induzida na ponta de prova. Quando a energia refletida atinge o lado absorvente as ondas se somam (em fase), mas são absorvidas pelo material.
Principais Circuitos adaptadores de impedância
em Guias de onda, modo TE
10Janela ou iris capacitiva:
- Usados para adicionar capacitância a um guia de onda.
- Uma íris é simplesmente uma placa de metal que contém uma abertura através da qual as ondas podem passar.
-A íris está sempre colocada no plano transversal do guia.
- No caso de iris capacitiva, as bordas da janela são paralelas ao campo
magnético H.
a
b
E
C
(b/d)
Guias retangulares Guias circularesd
Janela ou iris indutiva:
- Usados para adicionar indutância a um guia de onda.
- No caso de iris indutiva, as bordas da janela são paralelas ao campo
elétrico E.
a
b
d
a
Principais Circuitos adaptadores de impedância
em Guias de onda, modo TE
10Principais Circuitos adaptadores de impedancia
em Guias de onda
- Num circuito eletrônico comum um circuito ressonante consiste de um capacitor e um indutor conectados em série ou em paralelo
- a freqüência de ressonância é aumentada reduzindo C, L ou ambos, chegando no limite onde não é possível reduzir os valores, alcançando assim a freqüência mais alta que o circuito pode oscilar
-Num circuito convencional este limite é da ordem de 2 à 3 GHz
- Para termos dispositivos ressonantes em altas freqüências (microondas), utilizamos as Cavidades Ressonantes.
- Por definição uma cavidade ressonante é qualquer espaço físico completamente fechado por paredes condutoras que possa conter campos eletromagnéticos oscilantes e que tenha propriedades ressonantes.
- Cavidades ressonantes podem ser construídas para trabalharem com altas potências. Muito embora elas tenham muitas formas diferentes, o princípio básico de funcionamento é o mesmo para todas.
Cavidades Resonantes
Cavidades ressonantes são energizadas da mesma forma que guias de onda e tem distribuição de campos similares. Se a cavidade mostrada na Figura estivesse energizada no modo TE, as ondas eletromagnéticas refletiriam ao longo do eixo Z formando ondas estacionárias. Estas ondas estacionárias assim formadas dão origem a configurações de campos eletromagnéticos que obedecem às mesmas condições de contorno de um guia de onda.
A energia pode ser inserida ou removida usando os mesmo métodos de acoplamento de energia utilizados para os guias de onda.
As mesmas leis regem o comportamento de pontas de prova, loops, antenas, fendas, etc. seja em guias de onda ou em cavidades ressonantes.
Cavidades Ressonantes
-Região do espaço circundada por paredes condutoras
- Pode ser entendida como um guia de onda curto circuitado em ambas as
extremidades.
-Tais cavidades são aplicadas como osciladores, circuitos tanques, da mesma
Cavidades Ressonantes
g/2
O comprimento da cavidade deverá ser: L = n
g/2
Cavidades Ressonantes, modo TE
x
y
a
b
d
z
Vamos estudar os modos ressonantes TE, aproveitando as soluções já obtidas no guia de ondas
j z z sy z e b y n a x m H a m j z y x E sin( )cos( ) ) , , ( 2 0 2Consideramos a direção de “propagação” z.
Mas, desde que agora temos “tampas” adicionais, limitando em z = 0 e z = d, a onda resultante será uma soma em z e -z
j z j z
z syc z z e e b y n a x m H a m j z y x E ) cos( ) sin( ) , , ( 2 0 2
z b y n a x m H a m z y x E z j b y n a x m H a m j z y x E z z syc z z syc sin ) cos( ) sin( 2 ) , , ( sin 2 ) cos( ) sin( ) , , ( 0 2 2 0 2 2 Cavidades Ressonantes, modo TE
O campo Ey tem de cumprir agora as condições de contorno em z = 0 e z = d.
0 0,sin( ) 0 sin 0 ) , , ( ) 0 , , (x y E x y d d Esyc syc
zA primeira condição é automaticamente satisfeita, da segunda surge:
d l z
Sendo l um numero inteiroNaturalmente, as outras condições de contorno já deduzidas no caso de guias de onda continuam valendo, pelo que, juntando tudo:
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
1
1
d
l
b
n
a
m
b
n
a
m
z
De onde obtemos a expressão para as frequências de ressonância da cavidade :
2 2 2 2 2 2 , ,
2
1
d
l
b
n
a
m
f
m n l
Para obter a expressão do campo dependente do tempo:
O qual corresponde a uma onda estacionaria
Cavidades Ressonantes, modo TE
t
d
z
l
b
y
n
a
x
m
H
a
m
t
z
y
x
E
e
d
z
l
b
y
n
a
x
m
H
a
m
t
z
y
x
E
z yc t j z yc
cos
sin
)
cos(
)
sin(
2
)
,
,
,
(
sin
)
cos(
)
sin(
2
Re
)
,
,
,
(
0 2 2 0 2 2
Cavidades Ressonantes, modo TE
j z z sx z e b y n a x m H b n j z y x E cos( )sin( ) ) , , ( 2 2 0Para Ex temos, a partir de:
cos( )sin( )( ) ) , , ( 2 0 2 z j z j z sxc z z e e b y n a x m H b n j z y x E Somando as ondas nos dois sentidos de “z”, de tal forma a cumprir as condições de contorno:
2
cos( )sin( )sin( )) , , ( 2 0 2 z b y n a x m H b n z y x E z z sxc
A expressão dependente do tempo:
2
cos( )sin( )sin( )cos( )) , , , ( 2 2 0 t d z l b y n a x m H b n t z y x E z xc
Cavidades Ressonantes, modo TE
Para a componente Hz, teremos:
z j zs z
e
b
y
n
a
x
m
H
H
0cos(
)
cos(
)
j z j z
zsc z ze
e
b
y
n
a
x
m
H
H
0cos(
)
cos(
)
z
j
z
z
j
z
b
y
n
a
x
m
H
H
zsc
0cos(
)
cos(
)
cos
z
sin
z
cos
z
sin
zPelas condições de contorno para o campo H, Hz tem de ser 0 em z=0, e z=d. Por isso, para obter a onda estacionaria a partir da expressão de Hz devemos escolher uma combinação apropriada que permita satisfazer essas condições:
Numa cavidade, as linhas de campo devem fechar-se nas paredes adicionadas para transformar o guia numa cavidade, dai Hz = 0 nessas paredes.
Cavidades Ressonantes, modo TE
z
b
y
n
a
x
m
jH
H
zsc
2
0cos(
)
cos(
)
sin
zPela condição já imposta para βz em Ey, e pela dependência na função sin, vemos que a expressão obtida para Hz cumpre automaticamente com as condições de contorno.
Para obtermos a expressão dependente do tempo, e já considerando que:
t
z
d
l
b
y
n
a
x
m
H
t
z
y
x
H
t
z
d
l
b
y
n
a
x
m
H
t
j
t
z
d
l
b
y
n
a
x
m
H
e
z
d
l
b
y
n
a
x
m
H
e
z
d
l
b
y
n
a
x
m
jH
t
z
y
x
H
zc t j t j zc
sin
sin
)
cos(
)
cos(
2
)
,
,
,
(
2
cos
sin
)
cos(
)
cos(
2
2
sin
2
cos
sin
)
cos(
)
cos(
2
Re
sin
)
cos(
)
cos(
2
Re
sin
)
cos(
)
cos(
2
Re
)
,
,
,
(
0 0 0 2 0 0
d l z
Lembrar que, pelas eq de Maxwell: xs
E
j
z
H
y
H
zs ys
ys E j x H z Hxs zs
Logo, desde que Hy e Hx dependem ambas de x, y e z, teremos componentes para Ex e Ey sendo geradas a partir dessas componente de campo. Pelas condições de contorno, Ex e Ey devem ser nulas em z = 0 e z = d, então, a mesma condição deverá ser cumprida pelas derivadas de Hy e Hx. Por exemplo, para Hx:
Cavidades Ressonantes, modo TE
j z z z sx z e b y n a x m H a m j z y x H sin( )cos( ) ) , , ( 2 0 2Temos, pela condição de contorno, que a ∂Hx/ ∂z deve ser 0 em z=0 e z=d. Logo, Hx como função de z deve ser uma função cos. Dai a combinação apropriada de ondas ao longo de z é:
2
sin( )cos( )cos sin( )) , , , ( cos ) cos( ) sin( 2 ) , , ( ) cos( ) sin( ) , , ( 0 2 2 0 2 2 0 2 2 t d z l b y n a x m H a m d l t z y x H z b y n a x m H a m j z y x H e e b y n a x m H a m j z y x H z x z z z sx z j z j z z sx z z
Cavidades Ressonantes, modo TE
Da mesma forma, para Hy, temos:
j z z z sy z e b y n a x m H b n j z y x H cos( )sin( ) ) , , ( 2 2 0Pelo mesmo argumento da transparência anterior:
2
cos( )sin( )cos( )sin( )) , , , ( ) cos( ) sin( ) cos( 2 ) , , ( ) )( sin( ) cos( ) , , ( 0 2 2 0 2 2 0 2 2 t d z l b y n a x m H b n d l t z y x H z b y n a x m H b n j z y x H e e b y n a x m H b n j z y x H z yc z z z syc z j z j z z syc z z
Notar que são as componentes para modo TE do guia, mas agora foram somadas as ondas em –z e +z para obter a onda estacionaria e cumprir as condições de contorno Resumindo:
t
d
z
l
b
y
n
a
x
m
H
a
m
t
z
y
x
E
z yc
cos
sin
)
cos(
)
sin(
2
)
,
,
,
(
2 0 2
2
cos( )sin( )sin( )cos( )) , , , ( 2 0 2 t d z l b y n a x m H b n t z y x E z xc
t
z
d
l
b
y
n
a
x
m
H
t
z
y
x
H
zc(
,
,
,
)
2
0cos(
)
cos(
)
sin
sin
2
sin( )cos( )cos sin( )) , , , ( 2 2 0 t d z l b y n a x m H a m d l t z y x H z xc
2
cos( )sin( )cos( )sin( )) , , , ( 2 2 0 t d z l b y n a x m H b n d l t z y x H z yc
As componentes do campo para o modo TE101 serão:
