Filtro de guia de onda - Waveguide filter

Figura 1 . Pós-filtro de guia de onda: um filtro de passagem de banda que consiste em um comprimento de WG15 (um tamanho de guia de onda padrão para uso em banda X ) dividido em uma fileira de cinco cavidades ressonantes acopladas por cercas de três postes cada. As extremidades dos postes podem ser vistas projetando-se através da parede da guia.

Um filtro de guia de onda é um filtro eletrônico construído com tecnologia de guia de onda . Guias de ondas são conduítes de metal ocos dentro dos quais uma onda eletromagnética pode ser transmitida. Filtros são dispositivos usados ​​para permitir a passagem de sinais em algumas frequências ( banda passante ), enquanto outras são rejeitadas ( banda de parada ). Os filtros são um componente básico dos projetos de engenharia eletrônica e têm inúmeras aplicações. Isso inclui a seleção de sinais e limitação de ruído . Os filtros de guia de ondas são mais úteis na banda de frequências de micro - ondas , onde têm um tamanho conveniente e têm baixa perda . Exemplos de uso de filtro de micro-ondas são encontrados em comunicações por satélite , redes de telefone e transmissão de televisão .

Os filtros Waveguide foram desenvolvidos durante a Segunda Guerra Mundial para atender às necessidades de radar e contramedidas eletrônicas , mas logo encontraram aplicações civis, como o uso em links de microondas . Grande parte do desenvolvimento do pós-guerra se preocupou em reduzir o volume e o peso desses filtros, primeiro usando novas técnicas de análise que levaram à eliminação de componentes desnecessários e, em seguida, por inovações como cavidades de modo duplo e novos materiais, como ressonadores de cerâmica .

Uma característica particular do projeto do filtro de guia de ondas diz respeito ao modo de transmissão. Os sistemas baseados em pares de fios condutores e tecnologias semelhantes possuem apenas um modo de transmissão. Em sistemas de guia de ondas, qualquer número de modos é possível. Isso pode ser uma desvantagem, pois os modos espúrios frequentemente causam problemas, e uma vantagem, pois um projeto de modo duplo pode ser muito menor do que o projeto de modo único de guia de onda equivalente. As principais vantagens dos filtros de guia de ondas sobre outras tecnologias são a capacidade de lidar com alta potência e baixa perda. As principais desvantagens são seu volume e custo quando comparados com tecnologias como filtros de microfita .

Existe uma grande variedade de diferentes tipos de filtros de guia de ondas. Muitos deles consistem em uma cadeia de ressonadores acoplados de algum tipo que pode ser modelado como uma rede em escada de circuitos LC . Um dos tipos mais comuns consiste em várias cavidades ressonantes acopladas . Mesmo dentro desse tipo, existem muitos subtipos, principalmente diferenciados por meio de acoplamento . Esses tipos de acoplamento incluem aberturas, íris ^[w] , ^[x] e postes. Outros tipos de filtro de guia de onda incluem filtros de ressonador dielétrico , filtros de inserção, filtros de linha fina, filtros de guia de onda corrugado e filtros stub. Vários componentes do guia de ondas têm a teoria do filtro aplicada ao seu projeto, mas seu propósito é algo diferente do de filtrar sinais. Esses dispositivos incluem componentes de casamento de impedância , acopladores direcionais e diplexadores . Esses dispositivos freqüentemente assumem a forma de um filtro, pelo menos em parte.

Alcance

O significado comum de guia de onda , quando o termo é usado sem qualificação, é o tipo de metal oco (ou ocasionalmente preenchido com dielétrico ), mas outras tecnologias de guia de onda são possíveis. O escopo deste artigo é limitado ao tipo de conduíte de metal. A estrutura de guia de onda pós-parede é uma espécie de variante, mas é relacionada o suficiente para ser incluída neste artigo - a onda é principalmente cercada por material condutor. É possível construir guias de ondas a partir de barras dielétricas , sendo o exemplo mais conhecido as fibras ópticas . Este assunto está fora do escopo do artigo, com a exceção de que os ressonadores de haste dielétrica às vezes são usados dentro de guias de ondas de metal oco. As tecnologias de linha de transmissão ^[o] , como fios condutores e microfita, podem ser consideradas guias de onda, mas não são comumente chamadas assim e também estão fora do escopo deste artigo.

Conceitos Básicos

Filtros

Na eletrônica , os filtros são usados ​​para permitir que os sinais de uma certa banda de frequências passem enquanto bloqueia outras. Eles são um bloco básico de construção de sistemas eletrônicos e têm muitas aplicações. Entre os usos de filtros de guia de ondas estão a construção de duplexers , diplexers , ^[d] e multiplexers ; seletividade e limitação de ruído em receptores ; e supressão de distorção harmônica em transmissores .

Waveguides

Os guias de ondas são conduítes de metal usados ​​para confinar e direcionar os sinais de rádio. Geralmente são feitos de latão, mas também são usados ​​alumínio e cobre. Mais comumente, eles são retangulares, mas outras seções transversais , como circulares ou elípticas, são possíveis. Um filtro de guia de ondas é um filtro composto de componentes de guia de ondas. Ele tem praticamente a mesma gama de aplicações que outras tecnologias de filtro em eletrônica e engenharia de rádio, mas é muito diferente mecanicamente e no princípio de operação.

A tecnologia utilizada para a construção de filtros é escolhida em grande parte pela frequência de operação esperada, embora haja uma grande quantidade de sobreposição. As aplicações de baixa frequência, como a eletrônica de áudio, usam filtros compostos por capacitores e indutores discretos . Em algum lugar na banda de frequência muito alta , os projetistas passam a usar componentes feitos de pedaços de linha de transmissão. ^[p] Esses tipos de projetos são chamados de filtros de elementos distribuídos . Filtros feitos de componentes discretos às vezes são chamados de filtros de elemento concentrado para distingui-los. Em frequências ainda mais altas, as bandas de microondas , o projeto muda para filtros de guia de ondas, ou às vezes uma combinação de guias de ondas e linhas de transmissão.

Filtros de guia de onda têm muito mais em comum com filtros de linha de transmissão do que filtros de elemento concentrado; eles não contêm nenhum capacitor ou indutor discreto. No entanto, o projeto de guia de ondas pode frequentemente ser equivalente (ou aproximadamente) a um projeto de elemento concentrado. Na verdade, o projeto de filtros de guia de ondas freqüentemente começa a partir de um projeto de elemento concentrado e, em seguida, converte os elementos desse projeto em componentes de guia de ondas.

Modos

Figura 2. Os padrões de campo de alguns modos de guia de onda comuns

Uma das diferenças mais importantes na operação de filtros de guia de ondas em comparação com os projetos de linha de transmissão diz respeito ao modo de transmissão da onda eletromagnética que transporta o sinal. Em uma linha de transmissão, a onda está associada a correntes elétricas em um par de condutores. Os condutores restringem as correntes a serem paralelas à linha e, conseqüentemente, os componentes magnéticos e elétricos do campo eletromagnético são perpendiculares à direção de viagem da onda. Este modo transversal é designado TEM ^[l] (eletromagnético transversal). Por outro lado, existem infinitos modos que qualquer guia de onda completamente oco pode suportar, mas o modo TEM não é um deles. Os modos de guia de ondas são designados TE ^[m] (elétrico transversal) ou TM ^[n] (magnético transversal), seguido por um par de sufixos identificando o modo preciso.

Esta multiplicidade de modos pode causar problemas em filtros de guia de ondas quando modos espúrios são gerados. Os projetos geralmente são baseados em um único modo e frequentemente incorporam recursos para suprimir os modos indesejados. Por outro lado, pode-se obter a vantagem de escolher o modo certo para a aplicação e, às vezes, fazer uso de mais de um modo ao mesmo tempo. Quando apenas um único modo está em uso, o guia de ondas pode ser modelado como uma linha de transmissão condutora e os resultados da teoria da linha de transmissão podem ser aplicados.

Cortar

Outra característica peculiar aos filtros de guia de ondas é que existe uma frequência definida, a frequência de corte , abaixo da qual nenhuma transmissão pode ocorrer. Isso significa que, em teoria , os filtros passa-baixa não podem ser feitos em guias de onda. No entanto, os projetistas freqüentemente pegam um projeto de filtro passa-baixa de elemento concentrado e o convertem em uma implementação de guia de onda. O filtro é conseqüentemente passa-baixa por design e pode ser considerado um filtro passa-baixa para todos os fins práticos se a frequência de corte estiver abaixo de qualquer frequência de interesse para a aplicação. A frequência de corte do guia de ondas é uma função do modo de transmissão, portanto, em uma determinada frequência, o guia de ondas pode ser utilizável em alguns modos, mas não em outros. Da mesma forma, o comprimento de onda da guia ^[h] (λ _g ) e a impedância característica ^[b] ( Z ₀ ) da guia em uma determinada frequência também dependem do modo.

Modo dominante

O modo com a frequência de corte mais baixa de todos os modos é chamado de modo dominante. Entre o corte e o próximo modo mais alto, este é o único modo que é possível transmitir, por isso é descrito como dominante. Quaisquer modos espúrios gerados são rapidamente atenuados ao longo do comprimento do guia e logo desaparecem. Projetos de filtros práticos são freqüentemente feitos para operar no modo dominante.

No guia de ondas retangular, o modo TE ₁₀ ^[q] (mostrado na figura 2) é o modo dominante. Há uma banda de frequências entre o corte do modo dominante e o próximo corte do modo mais alto, no qual o guia de ondas pode ser operado sem qualquer possibilidade de gerar modos espúrios. Os próximos modos de corte mais altos são TE ₂₀ , ^[r] exatamente duas vezes o modo TE ₁₀ e TE ₀₁ ^[s] que também é duas vezes TE ₁₀ se o guia de ondas usado tem a relação de aspecto comumente usada de 2: 1. O modo TM de corte mais baixo é TM ₁₁ ^[t] (mostrado na figura 2), que é vezes o modo dominante no guia de onda 2: 1. Assim, há uma oitava sobre a qual o modo dominante está livre de modos espúrios, embora operar muito perto do corte seja geralmente evitado por causa da distorção de fase. ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {5}}}$

No guia de ondas circular, o modo dominante é TE ₁₁ ^[u] e é mostrado na figura 2. O próximo modo mais alto é TM ₀₁ . ^[v] O intervalo no qual o modo dominante é garantido como livre de modo espúrio é menor do que no guia de onda retangular; a proporção da frequência mais alta para a mais baixa é de aproximadamente 1,3 na guia de onda circular, em comparação com 2,0 na guia retangular.

Modos evanescentes

Os modos evanescentes são modos abaixo da frequência de corte. Eles não podem se propagar ao longo do guia de ondas por nenhuma distância, morrendo exponencialmente. No entanto, eles são importantes no funcionamento de certos componentes do filtro, como íris e postes, descritos posteriormente, porque a energia é armazenada nos campos de onda evanescentes.

Vantagens e desvantagens

Como os filtros de linha de transmissão, os filtros de guia de onda sempre têm várias bandas de passagem , réplicas do protótipo de elemento concentrado . Na maioria dos projetos, apenas a banda passante de frequência mais baixa é útil (ou as duas mais baixas no caso de filtros de parada de banda ) e o resto são considerados artefatos espúrios indesejados. Esta é uma propriedade intrínseca da tecnologia e não pode ser projetada, embora o projeto possa ter algum controle sobre a posição de frequência das bandas espúrias. Consequentemente, em qualquer projeto de filtro, há uma frequência superior além da qual o filtro deixará de realizar sua função. Por esta razão, os verdadeiros filtros passa- baixa e passa -alta não podem existir no guia de ondas. Em alguma frequência alta, haverá uma faixa de passagem ou faixa de interrupção falsa interrompendo a função pretendida do filtro. Mas, semelhante à situação com a frequência de corte do guia de ondas, o filtro pode ser projetado de forma que a borda da primeira banda espúria esteja bem acima de qualquer frequência de interesse.

A faixa de frequências nas quais os filtros de guia de onda são úteis é amplamente determinada pelo tamanho de guia de onda necessário. Em frequências mais baixas, o guia de ondas precisa ser muito grande para manter a frequência de corte abaixo da frequência operacional. Por outro lado, os filtros cujas frequências de operação são tão altas que os comprimentos de onda são abaixo do milímetro não podem ser fabricados com processos normais de oficina mecânica . Em frequências tão altas, a tecnologia de fibra óptica começa a se tornar uma opção.

Os guias de onda são um meio de baixa perda. As perdas nos guias de ondas vêm principalmente da dissipação ôhmica causada por correntes induzidas nas paredes dos guias de ondas. O guia de onda retangular tem perda menor do que o guia de onda circular e geralmente é o formato preferido, mas o modo circular TE ₀₁ tem perda muito baixa e tem aplicações em comunicações de longa distância. As perdas podem ser reduzidas polindo as superfícies internas das paredes do guia de ondas. Em algumas aplicações que requerem filtragem rigorosa, as paredes são revestidas com uma fina camada de ouro ou prata para melhorar a condutividade da superfície . Um exemplo de tais requisitos são as aplicações de satélite que requerem baixa perda, alta seletividade e atraso de grupo linear de seus filtros.

Uma das principais vantagens dos filtros de guia de ondas sobre as tecnologias de modo TEM é a qualidade de seus ressonadores . Qualidade ressonador é caracterizada por um parâmetro chamado factor Q , ou apenas Q . O Q dos ressonadores de guia de ondas está na casa dos milhares, ordens de magnitude mais altas do que os ressonadores do modo TEM. A resistência dos condutores, especialmente em indutores enrolados, limita o Q dos ressonadores TEM. Este Q aprimorado leva a filtros de melhor desempenho em guias de onda, com maior rejeição de banda de parada. A limitação a Q em guias de onda vem principalmente das perdas ôhmicas nas paredes descritos anteriormente, mas chapeamento de prata nas paredes internas pode mais do que dobrar Q .

Os guias de onda têm boa capacidade de manuseio de energia, o que leva a aplicações de filtro em radar . Apesar das vantagens de desempenho dos filtros de guia de ondas, a microfita costuma ser a tecnologia preferida devido ao seu baixo custo. Isso é especialmente verdadeiro para itens de consumo e frequências de micro-ondas mais baixas. Os circuitos Microstrip podem ser fabricados por tecnologia de circuito impresso barata e, quando integrados na mesma placa impressa que outros blocos de circuito, incorrem em um pequeno custo adicional.

História

Lord Rayleigh sugeriu pela primeira vez a transmissão por guia de ondas.

A ideia de um guia de ondas para ondas eletromagnéticas foi sugerida pela primeira vez por Lord Rayleigh em 1897. Rayleigh propôs que uma linha de transmissão coaxial poderia ter o condutor central removido, e as ondas ainda se propagariam para baixo no interior do condutor cilíndrico remanescente, apesar de não haver mais um circuito elétrico completo de condutores. Ele descreveu isso em termos da onda refletida repetidamente na parede interna do condutor externo em zigue-zague à medida que avançava pela guia de ondas. Rayleigh também foi o primeiro a perceber que havia um comprimento de onda crítico, o comprimento de onda de corte, proporcional ao diâmetro do cilindro, acima do qual a propagação da onda não é possível. No entanto, o interesse em guias de ondas diminuiu porque as frequências mais baixas eram mais adequadas para comunicação de rádio de longa distância. Os resultados de Rayleigh foram esquecidos por um tempo e tiveram que ser redescobertos por outros na década de 1930, quando o interesse pelas microondas renasceu. Os guias de onda foram desenvolvidos pela primeira vez, em uma forma circular, por George Clark Southworth e JF Hargreaves em 1932.

O primeiro projeto de filtro analógico que foi além de um único ressonador foi criado por George Ashley Campbell em 1910 e marcou o início da teoria dos filtros. O filtro de Campbell era um projeto de elemento concentrado de capacitores e indutores sugerido por seu trabalho com bobinas de carregamento . Otto Zobel e outros rapidamente desenvolveram isso ainda mais. O desenvolvimento de filtros de elementos distribuídos começou nos anos anteriores à Segunda Guerra Mundial. Um importante artigo sobre o assunto foi publicado por Mason e Sykes em 1937; uma patente registrada por Mason em 1927 pode conter o primeiro projeto de filtro publicado usando elementos distribuídos.

Hans Bethe desenvolveu a teoria da abertura do guia de ondas.

O trabalho de Mason e Sykes foi focado nos formatos de cabo coaxial e pares balanceados de fios, mas outros pesquisadores posteriormente aplicaram os princípios aos guias de onda também. Muitos desenvolvimentos em filtros de guia de ondas foram realizados durante a Segunda Guerra Mundial, impulsionados pelas necessidades de filtragem de radar e contramedidas eletrônicas . Uma boa parte disso foi no Laboratório de Radiação do MIT (Rad Lab), mas outros laboratórios nos Estados Unidos e no Reino Unido também estiveram envolvidos, como o Telecommunications Research Establishment no Reino Unido. Entre os cientistas e engenheiros mais conhecidos do Rad Lab estavam Julian Schwinger , Nathan Marcuvitz , Edward Mills Purcell e Hans Bethe . Bethe esteve no Rad Lab por pouco tempo, mas produziu sua teoria da abertura enquanto estava lá. A teoria da abertura é importante para filtros de cavidade de guia de ondas, que foram desenvolvidos pela primeira vez no Rad Lab. Seu trabalho foi publicado após a guerra em 1948 e inclui uma descrição inicial de cavidades de modo duplo por Fano e Lawson.

O trabalho teórico após a guerra incluiu a teoria da linha proporcional de Paul Richards . As linhas proporcionais são redes nas quais todos os elementos têm o mesmo comprimento (ou, em alguns casos, múltiplos do comprimento da unidade), embora possam diferir em outras dimensões para fornecer impedâncias características diferentes. ^[a] Richards transformação permite que qualquer elemento aglomeradas para ser feita 'como tal' e transformado directamente num elemento distribuído usando um muito simples transformar equação. Em 1955, K. Kuroda publicou as transformações conhecidas como identidades de Kuroda . Isso tornou o trabalho de Richard mais utilizável em formatos não balanceados e de guia de ondas, eliminando os elementos problemáticos de série conectada, mas demorou um pouco para que o trabalho japonês de Kuroda se tornasse amplamente conhecido no mundo de língua inglesa. Outro desenvolvimento teórico foi a abordagem do filtro de síntese de rede de Wilhelm Cauer, no qual ele usou a aproximação de Chebyshev para determinar os valores dos elementos. O trabalho de Cauer foi amplamente desenvolvido durante a Segunda Guerra Mundial (Cauer foi morto no final dela), mas não pôde ser amplamente publicado até o fim das hostilidades. Embora o trabalho de Cauer diga respeito a elementos concentrados, é de alguma importância para filtros de guia de ondas; o filtro Chebyshev , um caso especial de síntese de Cauer, é amplamente usado como um filtro de protótipo para designs de guias de onda.

Os projetos na década de 1950 começaram com um protótipo de elemento concentrado (uma técnica ainda em uso hoje), chegando após várias transformações no filtro desejado em uma forma de guia de ondas. Na época, essa abordagem estava rendendo larguras de banda fracionárias não mais do que cerca de1/5. Em 1957, Leo Young, do Stanford Research Institute, publicou um método para projetar filtros que começou com um protótipo de elemento distribuído, o protótipo de impedância escalonada. Este filtro foi baseado em transformadores de impedância de quarto de onda de várias larguras e foi capaz de produzir projetos com larguras de banda de até uma oitava (uma largura de banda fracionada de2/3) O artigo de Young trata especificamente de ressonadores de cavidade acoplados diretamente, mas o procedimento pode ser igualmente aplicado a outros tipos de ressonadores acoplados diretamente.

Figura 3. Implementação de guia de onda de Pierce de um filtro de acoplamento cruzado

O primeiro relato publicado de um filtro de acoplamento cruzado é devido a John R. Pierce da Bell Labs em uma patente de 1948. Um filtro de acoplamento cruzado é aquele em que os ressonadores que não são imediatamente adjacentes são acoplados. Os graus de liberdade adicionais assim fornecidos permitem ao projetista criar filtros com desempenho aprimorado ou, alternativamente, com menos ressonadores. Uma versão do filtro de Pierce, mostrado na figura 3, usa ressonadores de cavidade de guia de onda circular para conectar entre os ressonadores de cavidade de guia retangular. A princípio, esse princípio não foi muito usado pelos projetistas de filtros de guia de ondas, mas foi amplamente utilizado por projetistas de filtros mecânicos na década de 1960, particularmente RA Johnson na Collins Radio Company .

A aplicação inicial não militar dos filtros de guia de ondas foi nos links de microondas usados ​​pelas empresas de telecomunicações para fornecer a espinha dorsal de suas redes. Esses links também foram usados ​​por outras indústrias com grandes redes fixas, notadamente emissoras de televisão. Essas aplicações faziam parte de grandes programas de investimento de capital. Eles agora também são usados ​​em sistemas de comunicação por satélite .

A necessidade de atraso independente de frequência em aplicações de satélite levou a mais pesquisas sobre a encarnação de guias de ondas de filtros de acoplamento cruzado. Anteriormente, os sistemas de comunicação por satélite usavam um componente separado para equalização de atraso . Os graus de liberdade adicionais obtidos de filtros de acoplamento cruzado ofereciam a possibilidade de projetar um retardo plano em um filtro sem comprometer outros parâmetros de desempenho. Um componente que funcionasse simultaneamente como filtro e equalizador economizaria peso e espaço valiosos. As necessidades de comunicação por satélite também impulsionaram a pesquisa sobre os modos de ressonador mais exóticos na década de 1970. De particular destaque a este respeito é o trabalho de EL Griffin e FA Young, que investigaram melhores modos para a banda de 12-14 GHz quando esta começou a ser usada para satélites em meados da década de 1970.

Outra inovação que economiza espaço foi o ressonador dielétrico , que pode ser usado em outros formatos de filtro, bem como guia de ondas. O primeiro uso deles em um filtro foi por SB Cohn em 1965, usando dióxido de titânio como material dielétrico. Ressonadores dielétricos usados ​​na década de 1960, no entanto, tinham coeficientes de temperatura muito baixos, normalmente 500 vezes piores do que um ressonador mecânico feito de invar , o que levou à instabilidade dos parâmetros do filtro. Os materiais dielétricos da época com melhores coeficientes de temperatura tinham uma constante dielétrica muito baixa para serem úteis para economizar espaço. Isso mudou com a introdução de ressonadores de cerâmica com coeficientes de temperatura muito baixos na década de 1970. O primeiro deles foi de Massé e Pucel usando tetratitanato de bário em Raytheon em 1972. Outras melhorias foram relatadas em 1979 por Bell Labs e Murata Manufacturing . O ressonador de nonatitanato de bário da Bell Labs tinha uma constante dielétrica de 40 e Q de 5.000 a 10.000 a 2-7 GHz . Os materiais modernos estáveis ​​à temperatura têm uma constante dielétrica de cerca de 90 nas frequências de micro-ondas, mas a pesquisa continua para encontrar materiais com baixa perda e alta permissividade; materiais de baixa permissividade, como titanato de estanato de zircônio (ZST) com uma constante dielétrica de 38, às vezes ainda são usados ​​por sua propriedade de baixa perda.

Uma abordagem alternativa para projetar filtros menores de guia de ondas foi fornecida pelo uso de modos evanescentes não propagados. Jaynes e Edson propuseram filtros de guia de onda de modo evanescente no final dos anos 1950. Os métodos para projetar esses filtros foram criados por Craven e Young em 1966. Desde então, os filtros de guia de onda de modo evanescente têm sido usados ​​com sucesso onde o tamanho ou o peso do guia de onda são considerações importantes.

Uma tecnologia relativamente recente usada em filtros de guia de ondas de metal oco é a finline, um tipo de guia de ondas dielétrico planar. Finline foi descrito pela primeira vez por Paul Meier em 1972.

História do multiplexador

John R. Pierce inventou o filtro de acoplamento cruzado e o multiplexador de banda passante contígua.

Os multiplexadores foram descritos pela primeira vez por Fano e Lawson em 1948. Pierce foi o primeiro a descrever multiplexadores com bandas de passagem contíguas. A multiplexação usando filtros direcionais foi inventada por Seymour Cohn e Frank Coale na década de 1950. Multiplexadores com ressonadores de imitância de compensação em cada junção são em grande parte o trabalho de EG Cristal e GL Matthaei na década de 1960. Esta técnica ainda é usada algumas vezes, mas a disponibilidade moderna de poder de computação levou ao uso mais comum de técnicas de síntese que podem produzir diretamente filtros correspondentes sem a necessidade desses ressonadores adicionais. Em 1965, RJ Wenzel descobriu que os filtros que tinham terminação única, ^[k] em vez do habitual terminação dupla, eram complementares - exatamente o que era necessário para um diplexador. ^[c] Wenzel foi inspirado pelas palestras do teórico de circuitos Ernst Guillemin .

Multiplexadores multicanais e multi-oitavas foram investigados por Harold Schumacher na Microphase Corporation, e seus resultados foram publicados em 1976. O princípio de que os filtros multiplexadores podem ser combinados quando unidos pela modificação dos primeiros elementos, eliminando assim os ressonadores de compensação , foi descoberto acidentalmente por EJ Curly por volta de 1968, quando ele regulou incorretamente um diplexer. Uma teoria formal para isso foi fornecida por JD Rhodes em 1976 e generalizada para multiplexadores por Rhodes e Ralph Levy em 1979.

A partir da década de 1980, as tecnologias planas, principalmente a microfita, tenderam a substituir outras tecnologias utilizadas na construção de filtros e multiplexadores, principalmente em produtos voltados para o mercado consumidor. A recente inovação do guia de onda pós-parede permite que os projetos de guia de onda sejam implementados em um substrato plano com técnicas de fabricação de baixo custo semelhantes às usadas para microfita.

Componentes

Figura 4. Implementação do circuito Ladder de um filtro passa-baixa de elemento concentrado

Os designs de filtro de guia de onda frequentemente consistem em dois componentes diferentes repetidos várias vezes. Normalmente, um componente é um ressonador ou descontinuidade com um circuito concentrado equivalente a um indutor, capacitor ou circuito ressonante LC. Freqüentemente, o tipo de filtro receberá o nome do estilo desse componente. Esses componentes são espaçados por um segundo componente, um comprimento de guia que atua como um transformador de impedância. Os transformadores de impedância têm o efeito de fazer com que instâncias alternativas do primeiro componente pareçam ter uma impedância diferente. O resultado líquido é um circuito equivalente de elemento concentrado de uma rede em escada. Filtros de elemento com volume são comumente topologia em escada , e tal circuito é um ponto de partida típico para projetos de filtro de guia de onda. A Figura 4 mostra essa escada. Normalmente, os componentes do guia de ondas são ressonadores, e o circuito equivalente seria ressonadores LC em vez dos capacitores e indutores mostrados, mas circuitos como a figura 4 ainda são usados ​​como filtros de protótipo com o uso de uma transformação passa-faixa ou parada de faixa.

Os parâmetros de desempenho do filtro, como rejeição de faixa de parada e taxa de transição entre faixa de passagem e faixa de interrupção, são aprimorados pela adição de mais componentes e, assim, aumentando o comprimento do filtro. Onde os componentes são repetidos de forma idêntica, o filtro é um design de filtro de parâmetro de imagem e o desempenho é aprimorado simplesmente adicionando mais elementos idênticos. Essa abordagem é normalmente usada em projetos de filtro que usam um grande número de elementos espaçados próximos, como o filtro de waffle-iron . Para projetos em que os elementos são espaçados mais amplamente, melhores resultados podem ser obtidos usando um projeto de filtro de síntese de rede, como o filtro Chebyshev comum e os filtros Butterworth . Nesta abordagem, os elementos do circuito não têm todos o mesmo valor e, conseqüentemente, os componentes não têm todas as mesmas dimensões. Além disso, se o design for aprimorado com a adição de mais componentes, todos os valores dos elementos devem ser calculados novamente do zero. Em geral, não haverá valores comuns entre as duas instâncias do design. Os filtros de guia de onda Chebyshev são usados ​​onde os requisitos de filtragem são rigorosos, como aplicativos de satélite.

Transformador de impedância

Um transformador de impedância é um dispositivo que faz uma impedância em sua porta de saída aparecer como uma impedância diferente em sua porta de entrada. No guia de ondas, este dispositivo é simplesmente um pequeno comprimento de guia de ondas. Especialmente útil é o transformador de impedância de quarto de onda, que tem um comprimento de λ _g / 4. Este dispositivo pode transformar capacitâncias em indutâncias e vice-versa. Ele também tem a propriedade útil de transformar elementos conectados em derivação em elementos conectados em série e vice-versa. Os elementos conectados em série são de outra forma difíceis de implementar no guia de ondas.

Reflexões e descontinuidades

Muitos componentes do filtro do guia de ondas funcionam introduzindo uma mudança repentina, uma descontinuidade, nas propriedades de transmissão do guia de ondas. Essas descontinuidades são equivalentes a elementos de impedância concentrados colocados naquele ponto. Isso surge da seguinte maneira: a descontinuidade causa uma reflexão parcial da onda transmitida de volta para baixo na guia na direção oposta, a relação entre as duas sendo conhecida como coeficiente de reflexão . Isso é totalmente análogo a uma reflexão em uma linha de transmissão onde há uma relação estabelecida entre o coeficiente de reflexão e a impedância que causou a reflexão. Essa impedância deve ser reativa , ou seja, deve ser uma capacitância ou uma indutância. Não pode ser uma resistência, uma vez que nenhuma energia foi absorvida - tudo é transmitido para a frente ou refletido. Exemplos de componentes com essa função incluem íris, stubs e postagens, todos descritos posteriormente neste artigo sob os tipos de filtro em que ocorrem.

Etapa de impedância

Uma etapa de impedância é um exemplo de um dispositivo que introduz uma descontinuidade. Isso é alcançado por uma mudança gradual nas dimensões físicas do guia de ondas. Isso resulta em uma mudança gradual na impedância característica do guia de ondas. A etapa pode estar no plano E ^[f] (mudança de altura ^[j] ) ou no plano H ^[g] (mudança de largura ^[i] ) do guia de ondas.

Filtro de cavidade ressonante

Ressonador de cavidade

Um componente básico dos filtros de guia de ondas é o ressonador de cavidade . Isso consiste em um pequeno comprimento de guia de ondas bloqueado em ambas as extremidades. As ondas presas dentro do ressonador são refletidas para frente e para trás entre as duas extremidades. Uma dada geometria de cavidade ressoará em uma frequência característica. O efeito de ressonância pode ser usado para passar seletivamente certas frequências. Seu uso em uma estrutura de filtro requer que parte da onda passe de uma cavidade para outra através de uma estrutura de acoplamento. No entanto, se a abertura no ressonador for mantida pequena, uma abordagem de projeto válida é projetar a cavidade como se ela estivesse completamente fechada e os erros serão mínimos. Vários mecanismos de acoplamento diferentes são usados ​​em diferentes classes de filtro.

A nomenclatura para modos em uma cavidade apresenta um terceiro índice, por exemplo TE ₀₁₁ . Os dois primeiros índices descrevem a onda viajando para cima e para baixo no comprimento da cavidade, ou seja, eles são os números dos modos transversais como para os modos em um guia de ondas. O terceiro índice descreve o modo longitudinal causado pelo padrão de interferência do deslocamento para a frente e das ondas refletidas. O terceiro índice é igual ao número de meios comprimentos de onda ao longo do comprimento da guia. Os modos mais comuns usados ​​são os modos dominantes: TE ₁₀₁ em guia de onda retangular e TE ₁₁₁ em guia de onda circular. O modo circular TE ₀₁₁ é usado onde uma perda muito baixa (portanto, Q alto ) é necessária, mas não pode ser usado em um filtro de modo duplo porque é circularmente simétrico. Os melhores modos para guia de onda retangular em filtros de modo duplo são TE ₁₀₃ e TE ₁₀₅ . No entanto, ainda melhor é o modo de guia de onda circular TE ₁₁₃ , que pode atingir um Q de 16.000 a 12 GHz .

Parafuso de afinação

Os parafusos de ajuste são parafusos inseridos em cavidades ressonantes que podem ser ajustados externamente ao guia de ondas. Eles fornecem o ajuste fino da frequência ressonante inserindo mais ou menos fio no guia de ondas. Exemplos podem ser vistos no pós-filtro da figura 1: cada cavidade tem um parafuso de afinação preso com contraporcas e composto de travamento de rosca . Para parafusos inseridos apenas em uma pequena distância, o circuito equivalente é um capacitor shunt, aumentando seu valor conforme o parafuso é inserido. No entanto, quando o parafuso é inserido a uma distância λ / 4, ele ressoa equivalente a um circuito LC em série. Inseri-lo ainda mais faz com que a impedância mude de capacitiva para indutiva, ou seja, o sinal aritmético muda.

Íris

Figura 5. Algumas geometrias de íris de guia de ondas e seus circuitos equivalentes de elemento concentrado

Uma íris é uma placa de metal fina que cruza o guia de ondas com um ou mais orifícios. É usado para acoplar dois comprimentos de guia de ondas e é um meio de introduzir uma descontinuidade. Algumas das geometrias possíveis de íris são mostradas na figura 5. Uma íris que reduz a largura de um guia de ondas retangular tem um circuito equivalente a uma indutância shunt, enquanto um que restringe a altura é equivalente a uma capacitância shunt. Uma íris que restringe ambas as direções é equivalente a um circuito ressonante LC paralelo . Um circuito LC em série pode ser formado espaçando a porção condutora da íris das paredes do guia de ondas. Os filtros de banda estreita freqüentemente usam íris com pequenos orifícios. Eles são sempre indutivos, independentemente do formato do orifício ou de sua posição na íris. Os furos circulares são simples de usinar, mas os furos alongados ou em forma de cruz são vantajosos por permitir a seleção de um determinado modo de acoplamento.

As íris são uma forma de descontinuidade e funcionam estimulando modos superiores evanescentes. As bordas verticais são paralelas ao campo elétrico (campo E) e excitam os modos TE. A energia armazenada nos modos TE está predominantemente no campo magnético (campo H) e, conseqüentemente, o equivalente concentrado dessa estrutura é um indutor. As bordas horizontais são paralelas ao campo H e excitam os modos TM. Nesse caso, a energia armazenada está predominantemente no campo E e o equivalente concentrado é um capacitor.

É bastante simples fazer íris ajustáveis ​​mecanicamente. Uma placa fina de metal pode ser empurrada para dentro e para fora de uma fenda estreita na lateral do guia de ondas. A construção da íris às vezes é escolhida por sua capacidade de fazer um componente variável.

Filtro acoplado a íris

Figura 6. Filtro acoplado à íris com três íris

Um filtro acoplado à íris consiste em uma cascata de transformadores de impedância na forma de cavidades ressonantes de guia de ondas acopladas por íris. Em aplicações de alta potência, as íris capacitivas são evitadas. A redução na altura do guia de ondas (a direção do campo E) faz com que a intensidade do campo elétrico através da lacuna aumente e o arco (ou ruptura dielétrica se o guia de ondas for preenchido com um isolador) ocorrerá com uma potência menor do que ocorreria de outra forma .

Filtro de postagem

Figura 7. Filtro de postagem com três linhas de postagens

Os postes são barras condutoras, geralmente circulares, fixadas internamente ao longo da altura do guia de ondas e são outro meio de introduzir uma descontinuidade. Um pino fino possui um circuito equivalente a um indutor de derivação. Uma fileira de postes pode ser vista como uma forma de íris indutiva.

Um pós-filtro consiste em várias fileiras de postes ao longo da largura do guia de ondas que separam o guia de ondas em cavidades ressonantes, como mostrado na figura 7. Números diferentes de postes podem ser usados ​​em cada fileira para obter valores variados de indutância. Um exemplo pode ser visto na figura 1. O filtro opera da mesma maneira que o filtro acoplado à íris, mas difere no método de construção.

Guia de onda pós-parede

Um guia de onda pós-parede, ou guia de onda integrado ao substrato, é um formato mais recente que busca combinar as vantagens de baixa perda de radiação, alto Q e manuseio de alta potência de guia de onda de tubo de metal oco tradicional com o tamanho pequeno e facilidade de fabricação de plano tecnologias (como o formato de microfita amplamente utilizado). Consiste em um substrato isolado perfurado por duas fileiras de postes condutores que representam as paredes laterais do guia de ondas. As partes superior e inferior do substrato são cobertas com folhas condutoras, tornando-se uma construção semelhante ao formato tripla . As técnicas de fabricação existentes de placa de circuito impresso ou cerâmica co-queimada de baixa temperatura podem ser usadas para fazer circuitos de guia de onda pós-parede. Este formato naturalmente se presta a projetos de pós-filtro de guia de ondas.

Filtro de modo duplo

Um filtro de modo duplo é um tipo de filtro de cavidade ressonante, mas neste caso cada cavidade é usada para fornecer dois ressonadores empregando dois modos (duas polarizações), reduzindo assim o volume do filtro para uma determinada ordem. Essa melhoria no tamanho do filtro é uma grande vantagem em aviônicos de aeronaves e aplicações espaciais. Filtros de alta qualidade nessas aplicações podem exigir muitas cavidades que ocupam um espaço significativo.

Filtro dielétrico ressonador

Figura 8. Filtro de ressonador dielétrico com três ressonadores transversais

Ressonadores dielétricos são peças de material dielétrico inseridas no guia de ondas. Geralmente são cilíndricos, pois podem ser feitos sem usinagem, mas foram usados ​​outros formatos. Eles podem ser feitos com um orifício no centro que é usado para prendê-los ao guia de ondas. Não há campo no centro quando o modo circular TE ₀₁₁ é usado, então o furo não tem efeito adverso. Os ressonadores podem ser montados coaxialmente ao guia de ondas, mas geralmente são montados transversalmente ao longo da largura, como mostrado na figura 8. O último arranjo permite que os ressonadores sejam ajustados inserindo um parafuso através da parede do guia de ondas no orifício central do ressonador.

Quando os ressonadores dielétricos são feitos de um material de alta permissividade , como um dos titanatos de bário , eles têm uma importante vantagem de economia de espaço em comparação com os ressonadores de cavidade. No entanto, eles são muito mais propensos a modos espúrios. Em aplicações de alta potência, camadas de metal podem ser construídas nos ressonadores para afastar o calor, uma vez que os materiais dielétricos tendem a ter baixa condutividade térmica .

Os ressonadores podem ser acoplados com íris ou transformadores de impedância. Alternativamente, eles podem ser colocados em um alojamento lateral semelhante a um esboço e acoplados através de uma pequena abertura.

Inserir filtro

Figura 9. Insira o filtro com seis ressonadores dielétricos no plano-E.

Em filtros de inserção, uma ou mais folhas de metal são colocadas longitudinalmente ao longo do comprimento da guia de ondas, como mostrado na figura 9. Essas folhas têm orifícios perfurados para formar ressonadores. O dielétrico de ar dá estes ressonadores um alto Q . Várias inserções paralelas podem ser usadas no mesmo comprimento de guia de ondas. Ressonadores mais compactos podem ser obtidos com uma folha fina de material dielétrico e metalização impressa em vez de orifícios em folhas de metal ao custo de um ressonador Q inferior .

Filtro Finline

Finline é um tipo diferente de tecnologia de guia de ondas em que as ondas em uma fina faixa de dielétrico são restringidas por duas faixas de metalização. Existem vários arranjos topológicos possíveis das tiras dielétricas e de metal. Finline é uma variação do guia de ondas de fenda, mas, no caso do finline, toda a estrutura é encerrada por uma blindagem de metal. Isso tem a vantagem de que, como o guia de ondas de metal oco, nenhuma energia é perdida pela radiação. Os filtros Finline podem ser feitos imprimindo um padrão de metalização em uma folha de material dielétrico e, em seguida, inserindo a folha no plano E de um guia de ondas de metal oco, da mesma forma que é feito com filtros de inserção. O guia de ondas de metal forma a blindagem para o guia de ondas da linha fina. Os ressonadores são formados pela metalização de um padrão na folha dielétrica. Padrões mais complexos do que o filtro de inserção simples da figura 9 são facilmente obtidos porque o projetista não precisa considerar o efeito da remoção do metal no suporte mecânico. Essa complexidade não aumenta os custos de fabricação, pois o número de processos necessários não muda quando mais elementos são adicionados ao projeto. Os designs Finline são menos sensíveis às tolerâncias de fabricação do que os filtros de inserção e possuem larguras de banda amplas.

Filtro de modo evanescente

É possível projetar filtros que operam internamente inteiramente em modos evanescentes. Isso tem vantagens de economia de espaço porque o guia de ondas do filtro, que muitas vezes forma o alojamento do filtro, não precisa ser grande o suficiente para suportar a propagação do modo dominante. Normalmente, um filtro de modo evanescente consiste em um comprimento de guia de onda menor do que a guia de onda que alimenta as portas de entrada e saída. Em alguns projetos, isso pode ser dobrado para obter um filtro mais compacto. Parafusos de ajuste são inseridos em intervalos específicos ao longo do guia de ondas, produzindo capacitâncias concentradas equivalentes nesses pontos. Em projetos mais recentes, os parafusos são substituídos por inserções dielétricas. Esses capacitores ressoam com o comprimento precedente do guia de onda do modo evanescente que tem o circuito equivalente de um indutor, produzindo assim uma ação de filtragem. A energia de muitos modos evanescentes diferentes é armazenada no campo em torno de cada uma dessas descontinuidades capacitivas. No entanto, o design é tal que apenas o modo dominante atinge a porta de saída; os outros modos decaem muito mais rapidamente entre os capacitores.

Filtro de guia de onda ondulado

Figura 10. Filtro de guia de onda ondulado com corte mostrando as ondulações dentro

Figura 11. Seção longitudinal através de um filtro de guia de ondas ondulado

Filtros de guia de ondas ondulado , também chamados de filtros de guia de ondas estriadas , consistem em uma série de saliências, ou dentes, que reduzem periodicamente a altura interna da guia de ondas, conforme mostrado nas figuras 10 e 11. Eles são usados ​​em aplicações que requerem simultaneamente uma banda passante larga , uma boa combinação de banda passante e uma banda de parada ampla. Eles são essencialmente projetos de passagem baixa (acima da limitação usual da frequência de corte), ao contrário da maioria das outras formas que geralmente são passagem de banda. A distância entre os dentes é muito menor do que a distância típica λ / 4 entre os elementos de outros designs de filtro. Normalmente, eles são projetados pelo método de parâmetro de imagem com todas as cristas idênticas, mas outras classes de filtro, como Chebyshev, podem ser obtidas em troca da complexidade de fabricação. No método de projeto de imagem, o circuito equivalente das cristas é modelado como uma cascata de meias seções LC . O filtro opera no modo dominante TE ₁₀ , mas os modos espúrios podem ser um problema quando estão presentes. Em particular, há pouca atenuação de banda de parada dos modos TE ₂₀ e TE ₃₀ .

Filtro de ferro waffle

O filtro de ferro waffle é uma variante do filtro de guia de ondas ondulado. Ele tem propriedades semelhantes a esse filtro com a vantagem adicional de que os modos espúrios TE ₂₀ e TE ₃₀ são suprimidos. No filtro waffle-iron, os canais são cortados através das saliências longitudinalmente ao longo do filtro. Isso deixa uma matriz de dentes projetando-se internamente nas superfícies superior e inferior do guia de ondas. Esse padrão de dentes se assemelha a um waffle , daí o nome do filtro.

Filtro de esboço de guia de onda

Figura 12. Filtro stub do guia de ondas que consiste em três ressonadores stub

Um stub é um pequeno comprimento de guia de ondas conectado a algum ponto do filtro em uma extremidade e em curto-circuito na outra extremidade. Os stubs de circuito aberto também são teoricamente possíveis, mas uma implementação no guia de ondas não é prática porque a energia eletromagnética seria emitida pela extremidade aberta do stub, resultando em grandes perdas. Os stubs são um tipo de ressonador, e o elemento concentrado equivalente é um circuito ressonante LC. No entanto, em uma banda estreita, os stubs podem ser vistos como um transformador de impedância. O curto-circuito é transformado em indutância ou capacitância, dependendo do comprimento do stub.

Um filtro de toco de guia de ondas é feito colocando-se um ou mais tocos ao longo do comprimento de um guia de ondas, geralmente separados por λ _g / 4, como mostrado na figura 12. As extremidades dos tocos são bloqueadas para curto-circuitar. Quando os stubs em curto-circuito têm λ _g / 4 de comprimento, o filtro será um filtro de parada de banda e os stubs terão um circuito equivalente aproximado de elemento concentrado de circuitos ressonantes paralelos conectados em série com a linha. Quando os stubs têm λ _g / 2 de comprimento, o filtro será um filtro passa-banda . Neste caso, o equivalente de elemento concentrado são circuitos ressonantes LC série em série com a linha.

Filtro de absorção

Os filtros de absorção dissipam a energia em frequências indesejadas internamente como calor. Isso está em contraste com um projeto de filtro convencional, onde as frequências indesejadas são refletidas de volta da porta de entrada do filtro. Esses filtros são usados ​​onde não é desejável que a energia seja enviada de volta para a fonte. Este é o caso com transmissores de alta potência, onde a potência de retorno pode ser alta o suficiente para danificar o transmissor. Um filtro de absorção pode ser usado para remover emissões espúrias do transmissor , como harmônicos ou bandas laterais espúrias . Um projeto que está em uso há algum tempo tem fendas cortadas nas paredes do guia de ondas de alimentação em intervalos regulares. Esse projeto é conhecido como filtro de onda que vaza . Cada slot é conectado a um guia de onda de bitola menor que é muito pequeno para suportar a propagação de frequências na banda desejada. Portanto, essas frequências não são afetadas pelo filtro. Freqüências mais altas na banda indesejada, entretanto, propagam-se prontamente ao longo das guias laterais que terminam com uma carga combinada onde a energia é absorvida. Essas cargas são geralmente uma peça em forma de cunha de material absorvente de micro-ondas. Outro projeto de filtro de absorção, mais compacto, usa ressonadores com um dielétrico com perdas.

Dispositivos semelhantes a filtros

Existem muitas aplicações de filtros cujos objetivos de design são algo diferente da rejeição ou passagem de certas frequências. Freqüentemente, um dispositivo simples destinado a funcionar apenas em uma banda estreita ou em apenas uma frequência pontual não se parecerá muito com um projeto de filtro. No entanto, um design de banda larga para o mesmo item requer muito mais elementos e o design assume a natureza de um filtro. Entre as aplicações mais comuns desse tipo em guia de ondas estão as redes de combinação de impedância , acopladores direcionais, divisores de potência , combinadores de potência e diplexadores . Outras aplicações possíveis incluem multiplexadores , demultiplexadores, amplificadores de resistência negativa e redes de retardo de tempo .

Impedância

Figura 13 . Um transdutor ortomodo (uma variedade de duplexador ) incorporando combinação de impedância escalonada

Um método simples de correspondência de impedância é a correspondência de stub com um único stub. No entanto, um único stub produzirá apenas uma correspondência perfeita em uma determinada frequência. Esta técnica é, portanto, adequada apenas para aplicações de banda estreita. Para alargar a largura de banda, múltiplos stubs podem ser usados, e a estrutura então assume a forma de um filtro stub. O design prossegue como se fosse um filtro, exceto que um parâmetro diferente é otimizado. Em um filtro de frequência, normalmente, o parâmetro otimizado é rejeição de faixa de parada, atenuação de faixa de passagem, inclinação de transição ou algum meio-termo entre eles. Em uma rede de casamento, o parâmetro otimizado é o casamento de impedância. A função do dispositivo não requer uma restrição de largura de banda, mas o projetista é, no entanto, forçado a escolher uma largura de banda devido à estrutura do dispositivo.

Os stubs não são o único formato de filtro que pode ser usado. Em princípio, qualquer estrutura de filtro pode ser aplicada ao casamento de impedância, mas alguns resultarão em projetos mais práticos do que outros. Um formato frequente usado para casamento de impedância em guia de onda é o filtro de impedância escalonado. Um exemplo pode ser visto no duplexador ^[e] ilustrado na figura 13.

Acopladores direcionais e combinadores de energia

Figura 14. Um acoplador de guia de onda de múltiplos orifícios

Acopladores direcionais, divisores de energia e combinadores de energia são essencialmente o mesmo tipo de dispositivo, pelo menos quando implementados com componentes passivos . Um acoplador direcional divide uma pequena quantidade de energia da linha principal para uma terceira porta. Um dispositivo mais fortemente acoplado, mas de outra forma idêntico, pode ser chamado de divisor de energia. Aquele que acopla exatamente metade da potência à terceira porta (um acoplador de 3 dB ) é o acoplamento máximo possível sem reverter as funções das portas. Muitos projetos de divisores de potência podem ser usados ​​ao contrário, tornando-se combinadores de potência.

Uma forma simples de acoplador direcional são duas linhas de transmissão paralelas acopladas ao longo de um comprimento de λ / 4. Este projeto é limitado porque o comprimento elétrico do acoplador será apenas λ / 4 em uma frequência específica. O acoplamento será máximo nesta frequência e diminuirá em ambos os lados. Semelhante ao caso de casamento de impedância, isso pode ser melhorado usando vários elementos, resultando em uma estrutura semelhante a um filtro. Um guia de ondas análogo a essa abordagem de linhas acopladas é o acoplador direcional Bethe-hole, no qual dois guias de ondas paralelos são empilhados um em cima do outro e um orifício é fornecido para o acoplamento. Para produzir um design de banda larga, vários orifícios são usados ​​ao longo das guias, conforme mostrado na figura 14, e um design de filtro aplicado. Não é apenas o projeto de linha acoplada que sofre por ser de banda estreita, todos os projetos simples de acoplador de guia de onda dependem da frequência de alguma forma. Por exemplo, o acoplador de corrida de ratos (que pode ser implementado diretamente no guia de ondas) funciona em um princípio completamente diferente, mas ainda depende de certos comprimentos serem exatos em termos de λ.

Diplexers e duplexers

Um diplexador é um dispositivo usado para combinar dois sinais que ocupam bandas de frequência diferentes em um único sinal. Normalmente, isso permite que dois sinais sejam transmitidos simultaneamente no mesmo canal de comunicação ou para permitir a transmissão em uma frequência enquanto a recepção é feita em outra. (Esse uso específico de um diplexador é chamado de duplexador.) O mesmo dispositivo pode ser usado para separar os sinais novamente na extremidade oposta do canal. A necessidade de filtragem para separar os sinais durante a recepção é bastante evidente, mas também é necessária mesmo ao combinar dois sinais transmitidos. Sem filtragem, parte da energia da fonte A será enviada para a fonte B em vez da saída combinada. Isso terá os efeitos prejudiciais de perder uma parte da potência de entrada e carregar a fonte A com a impedância de saída da fonte B, causando assim a incompatibilidade. Esses problemas poderiam ser superados com o uso de um acoplador direcional de 3 dB , mas, conforme explicado na seção anterior, um projeto de banda larga requer um projeto de filtro para acopladores direcionais também.

Dois sinais de banda estreita amplamente espaçados podem ser diplexados juntando as saídas de dois filtros passa-banda apropriados. É necessário tomar medidas para evitar que os filtros se acoplem quando estiverem em ressonância, o que causaria degradação de seu desempenho. Isso pode ser obtido por meio de espaçamento adequado. Por exemplo, se os filtros são do tipo acoplado à íris, então a íris mais próxima da junção do filtro do filtro A é colocada λ _gb / 4 da junção onde λ _gb é o comprimento de onda guia na banda passante do filtro B. Da mesma forma, a íris mais próxima do filtro B é colocada λ _ga / 4 da junção. Isso funciona porque quando o filtro A está em ressonância, o filtro B está em sua faixa de parada e apenas fracamente acoplado e vice-versa. Um arranjo alternativo é ter cada filtro unido a um guia de ondas principal em junções separadas. Um ressonador de desacoplamento é colocado λ _g / 4 da junção de cada filtro. Isso pode ser na forma de um stub em curto-circuito sintonizado na frequência de ressonância desse filtro. Esse arranjo pode ser estendido a multiplexadores com qualquer número de bandas.

Para diplexadores que lidam com bandas de passagem contíguas, a consideração adequada das características de crossover dos filtros precisa ser considerada no projeto. Um caso especialmente comum disso é quando o diplexador é usado para dividir todo o espectro em bandas baixas e altas. Aqui, um filtro passa-baixa e um filtro passa-alta são usados ​​em vez dos filtros passa-banda. As técnicas de síntese usadas aqui podem igualmente ser aplicadas a multiplexadores de banda estreita e removem em grande parte a necessidade de ressonadores de desacoplamento.

Filtros direcionais

Figura 15 . Um filtro direcional de guia de ondas cortado para mostrar as íris circulares de guia de ondas

Um filtro direcional é um dispositivo que combina as funções de um acoplador direcional e um diplexador. Como é baseado em um acoplador direcional, é essencialmente um dispositivo de quatro portas, mas, como os acopladores direcionais, a porta 4 é geralmente terminada internamente de forma permanente. A energia que entra na porta 1 sai da porta 3 depois de ser sujeita a alguma função de filtragem (geralmente passa-banda). A energia restante sai da porta 2 e, como nenhuma energia é absorvida ou refletida, esse será o complemento exato da função de filtragem na porta 2, neste caso a interrupção da banda. Em reverso, a energia que entra nas portas 2 e 3 é combinada na porta 1, mas agora a energia dos sinais rejeitados pelo filtro é absorvida na carga na porta 4. A Figura 15 mostra uma possível implementação de guia de onda de um filtro direcional. Dois guias de ondas retangulares operando no modo dominante TE ₁₀ fornecem as quatro portas. Estes são unidos por um guia de ondas circular operando no modo circular TE ₁₁ . O guia de onda circular contém um filtro acoplado à íris com quantas íris forem necessárias para produzir a resposta de filtro necessária.

Glossário

^ abertura

Uma abertura em uma parede de um guia de ondas ou barreira entre seções de guia de ondas através da qual a radiação eletromagnética pode se propagar.

impedância característica ^ ^{a b}

A impedância característica , símbolo Z ₀ , de um guia de ondas para um modo particular é definida como a razão entre o campo elétrico transversal e o campo magnético transversal de uma onda viajando em uma direção pela guia. A impedância característica para o guia de onda cheio de ar é dada por,

${\ displaystyle Z_ {0} = \ left \ {{\ begin {matrix} Z _ {\ mathrm {f}} {\ dfrac {\ lambda _ {\ mathrm {g}}} {\ lambda}} & {\ text {(Modo TE)}} \\\\ Z _ {\ mathrm {f}} {\ dfrac {\ lambda} {\ lambda _ {\ mathrm {g}}}} & {\ text {(modo TM)}} \ end {matriz}} \ direita.}$

onde Z _f é a impedância do espaço livre , aproximadamente 377 Ω , λ _g é o comprimento de onda do guia e λ é o comprimento de onda quando não restringido pelo guia. Para um guia de onda preenchido com dielétrico, a expressão deve ser dividida por √ κ , onde κ é a constante dielétrica do material, e λ substituído pelo comprimento de onda irrestrito no meio dielétrico. Em alguns tratamentos, o que é chamado de impedância característica aqui é chamado de impedância de onda, e a impedância característica é definida como proporcional a ela por alguma constante.

^ ^{c d e} diplexer, duplexer

Um diplexador combina ou separa dois sinais que ocupam bandas de passagem diferentes. Um duplexador combina ou divide dois sinais que viajam em direções opostas ou de polarizações diferentes (que também podem estar em bandas de passagem diferentes).

^ E-plane

O plano E é o plano situado na direção do campo elétrico transversal, ou seja, verticalmente ao longo da guia.

^ comprimento de onda do guia

O comprimento de onda do guia , símbolo λ _g , é o comprimento de onda medido longitudinalmente ao longo do guia de ondas. Para uma determinada frequência, λ _g depende do modo de transmissão e é sempre maior que o comprimento de onda de uma onda eletromagnética da mesma frequência no espaço livre. λ _g está relacionado à frequência de corte, f _c , por,

${\ displaystyle \ lambda _ {\ mathrm {g}} = {\ frac {\ lambda} {\ sqrt {1- \ left ({\ frac {f _ {\ mathrm {c}}} {f}} \ right) ^ {2}}}}}$

onde λ é o comprimento de onda que a onda teria se não fosse restringida pelo guia. Para guias que são preenchidos apenas com ar, este será o mesmo, para todos os efeitos práticos, que o comprimento de onda do espaço livre para a freqüência transmitida, f .

^ H-plane

O plano H é o plano situado na direção do campo magnético transversal ( H sendo o símbolo de análise para a intensidade do campo magnético ), ou seja, horizontalmente ao longo da guia.

^ ^{i j} altura, largura

De uma guia retangular, referem-se respectivamente às pequenas e grandes dimensões internas de sua seção transversal. A polarização do campo E do modo dominante é paralela à altura.

^ iris

Uma placa condutora ajustada transversalmente ao longo do guia de ondas com uma abertura, geralmente grande.

^ terminada individualmente, terminada duplamente

Um filtro com terminação dupla (o caso normal) é aquele em que o gerador e a carga, conectados às portas de entrada e saída respectivamente, têm impedâncias correspondentes à impedância característica do filtro. Um filtro com terminação simples tem uma carga correspondente, mas é acionado por uma fonte de tensão de baixa impedância ou uma fonte de corrente de alta impedância.

Modo ^ TEM

Modo eletromagnético transversal, um modo de transmissão onde todo o campo elétrico e todo o campo magnético são perpendiculares à direção de deslocamento da onda eletromagnética. Este é o modo usual de transmissão em pares de condutores.

Modo ^ TE

Modo elétrico transversal, um dos vários modos em que todo o campo elétrico, mas não todo o campo magnético, é perpendicular à direção de deslocamento da onda eletromagnética. Eles são designados como modos H em algumas fontes porque esses modos têm um componente magnético longitudinal. O primeiro índice indica o número de meios comprimentos de onda de campo ao longo da largura do guia de ondas e o segundo índice indica o número de meios comprimentos de onda ao longo da altura. Adequadamente, os índices devem ser separados por uma vírgula, mas geralmente eles são executados juntos, já que os números de modo em dois dígitos raramente precisam ser considerados. Alguns modos mencionados especificamente neste artigo estão listados abaixo. Todos os modos são para guia de ondas retangular, a menos que seja indicado o contrário.

          Modo ^ TE ₀₁

Um modo com meia onda de campo elétrico em toda a altura da guia e campo elétrico uniforme (meia-ondas zero) em toda a largura da guia.

          Modo ^ TE ₁₀

Um modo com meia onda de campo elétrico em toda a largura da guia e campo elétrico uniforme em toda a altura da guia.

          Modo ^ TE ₂₀

Um modo com duas meias-ondas de campo elétrico na largura da guia e campo elétrico uniforme na altura da guia.

          ^ TE ₁₁ modo circular

Um modo com uma onda completa de campo elétrico em torno da circunferência do guia e uma meia onda de campo elétrico ao longo de um raio.

Modo ^ TM

Modo magnético transversal, um dos vários modos em que todo o campo magnético, mas não todo o campo elétrico, é perpendicular à direção de deslocamento da onda eletromagnética. Eles são designados como modos E em algumas fontes porque esses modos têm um componente elétrico longitudinal. Consulte o modo TE para obter uma descrição do significado dos índices. Alguns modos mencionados especificamente neste artigo são:

          Modo ^ TM ₁₁

Um modo com uma meia onda de campo magnético em toda a largura da guia e uma meia onda de campo magnético em toda a altura da guia. Este é o modo TM mais baixo, uma vez que os modos TM _{m 0} não podem existir.

          ^ TM ₀₁ modo circular

Um modo com campo magnético uniforme em torno da circunferência da guia e uma meia onda de campo magnético ao longo de um raio.

^ ^{o p} linha de transmissão

Uma linha de transmissão é um meio de transmissão de sinal que consiste em um par de condutores elétricos separados um do outro, ou um condutor e um caminho de retorno comum. Em alguns tratamentos, os guias de ondas são considerados dentro da classe das linhas de transmissão, com as quais têm muito em comum. Neste artigo, os guias de onda não estão incluídos para que os dois tipos de meio possam ser mais facilmente distinguidos e referidos.

Notas

Referências

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