Definizione: Le guide d’onda sono una categoria speciale di linea di trasmissione che viene utilizzata per guidare (dirigere) le onde (radiazioni) lungo la lunghezza del tubo. Sono tipicamente un tubo metallico cavo che agisce come mezzo per trasferire o trasmettere potenza.

Le fibre ottiche sono un tipo di guida d’onda, più specificamente possiamo dire guida d’onda dielettrica che opera a frequenze ottiche per trasmettere il segnale ottico (luce).

Contenuto: Guide d’onda

1. Introduzione
2. Tipi
3. Modalità di propagazione
4. Parametri
5. Avantaggi
6. Svantaggi

Introduzione

Nelle guide d’onda l’energia si propaga attraverso un tubo. Può essere una guida d’onda rettangolare o cilindrica che non consiste in nessun conduttore centrale. Queste sono fondamentalmente utilizzate per la propagazione dell’energia elettromagnetica (microonde) o del segnale da un’estremità all’altra. Nel caso della trasmissione di segnali a bassa frequenza, si usano linee di trasmissione parallele o cavi coassiali. Ma per avere una trasmissione del segnale ad alta frequenza, le guide d’onda sono principalmente utilizzate.

La frequenza di un segnale a microonde è compresa tra 300 MHz e 300 GHz. Queste onde si propagano generalmente nello spazio libero con la velocità della luce, cioè 3Χ108 m/sec.

Le guide d’onda hanno sostituito le linee di trasmissione (o cavi coassiali) a causa di una maggiore attenuazione e perdite dielettriche associate alle linee di trasmissione. Con l’aiuto delle guide d’onda, è possibile ottenere una piccola attenuazione del segnale e una grande larghezza di banda. Le guide d’onda funzionano fondamentalmente come un filtro passa alto in quanto permette la trasmissione di componenti ad alta frequenza mentre attenua i segnali a bassa frequenza.

La figura sottostante rappresenta una guida d’onda rettangolare:

Una guida d’onda trasmette un segnale a microonde facendo riflessioni continue dalle pareti interne del tubo cilindrico cavo. Le pareti delle guide d’onda sono generalmente fatte di rame, alluminio o ottone. Tuttavia, la sua superficie interna è rivestita d’oro o d’argento.

Tipi di guide d’onda

Le guide d’onda sono principalmente classificate come rettangolari o circolari ma queste sono fondamentalmente di 5 tipi diversi:

Modi di propagazione in una guida d’onda

Quando un’onda elettromagnetica viene trasmessa attraverso una guida d’onda. Allora ha due componenti di campo che oscillano reciprocamente perpendicolari tra loro. Dei due uno è un campo elettrico e l’altro è un campo magnetico.

La figura qui sotto rappresenta la propagazione di un’onda elettromagnetica nella direzione z con le due componenti di campo:

La propagazione dell’onda all’interno della guida d’onda origina fondamentalmente 2 modi. Tuttavia, nel complesso esistono fondamentalmente 3 modi, che sono i seguenti:

• Onda elettrica trasversale:

In questo modo di propagazione dell’onda, la componente del campo elettrico è totalmente trasversale alla direzione di propagazione dell’onda mentre il campo magnetico non è totalmente trasversale alla direzione di propagazione dell’onda. È abbreviato come modo TE.

• Onda magnetica trasversale:

In questo modo di propagazione delle onde, la componente del campo magnetico è totalmente trasversale alla direzione di propagazione delle onde mentre il campo elettrico non è totalmente trasversale alla direzione di propagazione delle onde. È abbreviato come modo TM.

• Onda elettromagnetica trasversale:

In questo modo di propagazione dell’onda, entrambe le componenti del campo, cioè i campi elettrico e magnetico, sono totalmente trasversali alla direzione di propagazione dell’onda. È abbreviato come modo TEM.

È da notare qui che il modo TEM non è supportato nelle guide d’onda. Per quanto riguarda il modo TEM, c’è bisogno della presenza di due conduttori e sappiamo già che una guida d’onda è un singolo conduttore cavo.

Ora, la domanda sorge perché abbiamo bisogno di due conduttori perché il modo TEM abbia luogo?

La risposta alla domanda precedente è che, in un modo TEM, sia il campo elettrico che quello magnetico sono totalmente trasversali alla direzione di propagazione dell’onda.

Nel caso di due conduttori separati questo è possibile perché, dal conduttore interno, il campo elettrico si genera e termina in quello esterno. E in questo particolare conduttore deve essere presente una sorgente di corrente per generare un campo magnetico. Ma, come abbiamo già discusso, la guida d’onda è un mezzo di trasmissione a conduttore singolo. Questo è il motivo per cui il modo TEM non è supportato nelle guide d’onda.

Parametri di una guida d’onda

• Lunghezza d’onda di taglio: È la lunghezza d’onda massima del segnale trasmesso che può essere propagato all’interno della guida d’onda senza alcuna attenuazione. Questo significa che fino alla lunghezza d’onda di cut-off, un segnale a microonde può essere facilmente trasmesso attraverso la guida d’onda. È indicato con λc.
• Velocità di gruppo: La velocità di gruppo è la velocità con cui l’onda si propaga all’interno della guida d’onda. Se la portante trasmessa è modulata, allora la velocità dell’inviluppo della modulazione è un po’ meno rispetto al segnale della portante.
  Questa velocità dell’inviluppo è chiamata velocità di gruppo. È rappresentata da Vg.
• Velocità di fase: È la velocità con cui l’onda trasmessa cambia la sua fase durante la propagazione. O possiamo dire che è fondamentalmente la velocità di una fase particolare dell’onda che si propaga. Viene indicata con Vp.
• Impedenza d’onda: È anche conosciuta come impedenza caratteristica. È definita come il rapporto tra il campo elettrico trasversale e quello del campo magnetico trasversale durante la propagazione dell’onda in qualsiasi punto all’interno della guida d’onda. Viene indicata con Zg.

Svantaggi delle guide d’onda

1. Nelle guide d’onda, la perdita di potenza durante la propagazione è quasi trascurabile.
2. Le guide d’onda hanno la capacità di gestire la potenza di grandi segnali.
3. Poiché le guide d’onda possiedono una struttura semplice, quindi la loro installazione è piuttosto facile.

Svantaggi delle guide d’onda

1. I suoi costi di installazione e produzione sono alti.
2. Le guide d’onda sono generalmente rigide in natura e quindi a volte causa difficoltà nelle applicazioni in cui è richiesta la flessibilità del tubo.
3. È un po’ grande in dimensioni e più ingombrante rispetto ad altre linee di trasmissione.

È degno di nota nel caso delle guide d’onda che il loro diametro deve avere un certo valore per avere una corretta propagazione del segnale. Questo perché se il suo diametro è molto piccolo e la lunghezza d’onda del segnale da propagare è grande (o la frequenza del segnale è piccola) allora non si propagherà correttamente.

Quindi, la frequenza del segnale deve essere maggiore della frequenza di cutoff per avere una corretta trasmissione del segnale.