Linhas de transmissão e guias de ondas: 7 explicações importantes

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Pontos de discussão: Linhas de transmissão e guias de ondas

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Apresentações às linhas de transmissão (TL) e guia de ondas (WG)

A invenção e o desenvolvimento de linhas de transmissão e outros guias de onda para a transmissão de baixa perda de energia em alta frequência estão entre os primeiros marcos na história da engenharia de microondas. Anteriormente, a radiofrequência e os estudos relacionados giravam em torno dos diferentes tipos de meio de transmissão. Possui vantagens para o controle de alta potência. Mas, por outro lado, é ineficiente no controle de valores mais baixos de frequências.

As linhas de dois fios custam menos, mas não têm blindagem. Existem cabos coaxiais que são blindados, mas é difícil fabricar os complicados componentes de microondas. A vantagem da linha Planar é que possui várias versões. Slot lines, co planar lines, micro strip lines são algumas das suas formas. Esses tipos de linhas de transmissão são compactos, econômicos e facilmente integráveis ​​com dispositivos de circuito ativo.

Parâmetros como constante de propagação, impedância característica, constantes de atenuação consideram como uma linha de transmissão se comportará. Neste artigo, aprenderemos sobre os vários tipos deles. Quase todas as linhas de transmissão (que têm vários condutores) são capazes de suportar as ondas eletromagnéticas transversais. Os componentes do campo longitudinal não estão disponíveis para eles. Esta propriedade particular caracteriza as linhas TEM e guias de onda. Eles têm um valor único de tensão, corrente e impedância característica. Os guias de ondas, tendo um único condutor, podem suportar TE (elétrico transversal) ou TM (magnético transversal), ou ambos. Ao contrário de Now, os modos Transverse Electric e Transverse Magnetic têm seus respectivos componentes de campo longitudinal. Eles são representados por essa propriedade.  

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Tipos de guias de onda

Embora existam vários tipos de guias de ondas, alguns dos mais populares estão listados abaixo.

Tipos de Linhas de Transmissão

Alguns dos tipos de linhas de transmissão estão listados abaixo.

  • Stripline
  • Linha Microstrip
  • Linha coaxial

Guia de ondas de placa paralela

O guia de onda de placa paralela é um dos tipos populares de guia de onda, que são capazes de controlar os modos elétrico transversal e magnético transversal. Uma das razões por trás da popularidade do guia de ondas de placa paralela é que eles têm aplicações na criação de modelos para os modos de ordem maior em linhas.

Linhas de transmissão e guias de ondas
Representação geométrica de placas paralelas, guias de ondas, linhas de transmissão e guias de ondas - 1

A imagem acima (linhas de transmissão e guias de ondas) mostra a geometria da guia de ondas da placa paralela. Aqui, a largura da tira é W e considerada mais significativa do que a separação de d. É assim que o campo periférico e quaisquer variáveis ​​x podem ser cancelados. A lacuna entre duas placas é preenchida por um material de permissividade ε e permeabilidade de μ.

Modos TEM

A solução dos Modos TEM é calculada com o auxílio da solução da equação de Laplace. A equação é calculada considerando o fator para a tensão eletrostática que se encontra entre as placas condutoras.

TL 4
Equação, linhas de transmissão e guias de onda - 2

Resolvendo, a equação, o campo elétrico transversal vem como:

e- (x, y) = ∇t ϕ (x, y) = - y^ Vo / D.

Então, o campo elétrico total é: E- (x, y, z) = h- (x, y) e- jkz = e^ (Vo /d) * e-jkz

k representa a constante de propagação. É dado como: k = w √ (μ * ε)

A equação dos campos magnéticos vem como:

EQ1

Aqui, η refere-se à impedância intrínseca do meio que se encontra entre as placas condutoras de guias de ondas de placas paralelas. É dado como: η = √ (μ / ε)

Modos TM

Os modos magnético transversal ou TM podem ser caracterizados por Hz = 0 e um valor de campo elétrico finito.

(∂2 /∂y2 +k2c) Ez (x, y) = 0

Aqui kc é o número de onda de corte e dado por kc = √ (k2 - β2)

Após a solução da equação, a Elétrica arquivou EX vem como:

Ez (x, y, z) = UMAn pecado (n * π * y / d) * e- jβz

Os componentes do campo transversal podem ser escritos como:

Hx = (jw ε /kc) An cos (nπy / d) e- jβz

Ey = (-jB / kc) An cos (nπy / d) e- jβz

Ex = Hy = 0.

A frequência de corte do modo TM pode ser escrita como:

fc= kc / (2π * √ (με)) = n / (2d * √ (με))

A impedância da onda vem como ZTM =β/ωε

A velocidade da fase: vp =ω/β

O comprimento de onda do guia: λg =2π/β

Modos TE

Hz (x, y) = Bn cos (nπy / d) e- jβz

As equações dos campos transversais estão listadas abaixo.

EQ 2

A constante de propagação β = √ (k2 - (nπ / d)2)

A frequência de corte: fc = n / (2d √ (με))

A impedância do modo TM: ZTE = Ex /hy = kn/ β = ωμ / β

guia de onda rectangular

A guia de onda retangular é um dos principais tipos de guia de ondas usados ​​para transmitir sinais de micro-ondas e, ainda assim, eles têm sido usados.

Com o desenvolvimento da miniaturização, o guia de ondas foi substituído por linhas de transmissão planas, como linhas de tiras e linhas de microfita. Aplicações que usam energia altamente nominal, que usa tecnologias de ondas milimétricas, algumas tecnologias de satélite específicas ainda usam guias de ondas.

Como o guia de onda retangular não tem mais do que dois condutores, ele é capaz apenas dos modos magnético transversal e elétrico transversal.

TL 2
Geometria do Guia de Ondas Retangular, Linhas de Transmissão e Guias de Ondas - 3

Modos TE

A solução para Hz vem como: Hz (x, y, z) = UMAmn cos (mπx / a) cos (nπy / b) e- jβz

Amn é uma constante.

Os componentes de campo dos modos TEmn estão listados abaixo:

EQ3

A constante de propagação é,

EQ4
EQ5

Modos TM

A solução para Ez vem como: Ez (x, y, z) =Bmn sin (mπx / a) sin (nπy / b) e- jβz

Bmn é constante.

O componente de campo do modo TM é calculado conforme abaixo.

EQ6

Constante de propagação :

EQ7

A impedância da onda: ZTM = Ex /hy = -Ey /hx = bη * η/k

Guia de Ondas Circular

O guia de ondas circular é uma estrutura de tubo redondo abafado. Ele suporta os modos TE e TM. A imagem abaixo representa a descrição geométrica de um guia de ondas circular. Tem um raio interno 'a' e é empregado em coordenadas cilíndricas.

TL 3
Geometria do guia circular de ondas, linhas de transmissão e guias de ondas - 4

Eρ = (- j/k2c) [β ∂Ez/ ∂ρ + (ωμ / ρ) ∂ Hz/∂φ]

Eϕ = (- j/k2c) [β ∂Ez/ ∂ρ - (ωμ / ρ) ∂ Hz/∂φ]

Hρ = (j / k2c) [(ωe / ρ) ∂Ez / ∂φ - β ∂ Hz/∂ρ]

Hϕ = (-j / k2c) [(ωe / ρ) ∂Ez / ∂φ + β ∂ Hz/∂ρ]

Modos TE

A equação da onda é:

∇2Hz +k2Hz = 0.

k: ω√μe

A constante de propagação: Bmn = √ (k2 - kc2)

Frequência de corte: fcnm = kc / (2π * √ (με))

Os componentes do campo transversal são:

Ep = (- jωµn / k2cρ) * (A cos nφ - B sen nφ) Jn (kcρ)e- jβz

EQ8

Hφ = (- jβn / k2cρ) (A cos nφ - B sen nφ) Jn (kcρ)e- jβz

A impedância da onda é:

ZTE = Ep /hϕ = - Eϕ /hp =ηk/β

Modos TM

Para determinar as equações necessárias para o guia de ondas circular operando em modos magnéticos transversais, a equação de onda é resolvida e o valor de Ez é calculado. A equação é resolvida em coordenadas cilíndricas.

[∂2 / ∂ρ2 + (1 / ρ) ∂ / ∂ρ + (1 / ρ2)∂2/∂φ2 +k2c] ez = 0,

TMnm Constante de propagação do modo ->

βnm = √ (k2 - kc2) = √ (k2 - (pnm/uma)2)

Frequência de corte: fcnm = kc / (2π√µε) = pnm / (2πa √µε)

Os campos transversais são:

Eρ = (- jβ / kc) (A sen nφ + B cos nφ) Jn/ (kcρ)e- jβz

Eφ = (- jβn / k2cρ) (A cos nφ - B sen nφ) Jn (kcρ)e- jβz

Hρ = (jωen / k2 cρ) (A cos nφ - B sen nφ) Jn (kcρ)e- jβz

Hφ = (- jωe / kc) (A sen nφ + B cos nφ) Jn` (kcρ)e- jβz

A impedância da onda é ZTM = Ep /hφ = - Eϕ/Hp = ηβ / k

Stripline

Um dos exemplos de linha de transmissão do tipo planar é o Stripline. É vantajoso para incorporação no interior microondas circuitos. O Stripline pode ser de dois tipos – Stripline Assimétrico e Stripline Não Homogêneo. Como o stripline tem dois condutores, suporta o modo TEM. A representação geométrica está representada na figura abaixo.