Una guida d’onda confina e trasporta campi elettromagnetici mediante una struttura definita. Per le guide metalliche cave, cinque concetti aiutano a interpretare le specifiche: condizioni al contorno, modi, frequenza di taglio, propagazione e perdite. Gli esempi seguenti riguardano la sezione rettangolare riempita d’aria.
1. La parete impone condizioni al campo
Nel modello di conduttore perfetto, la componente tangenziale del campo elettrico è nulla sulla parete. Le distribuzioni ammesse devono soddisfare questa e le altre condizioni al contorno. La forma della sezione e il mezzo interno determinano i modi.
L’immagine dei raggi che rimbalzano può essere intuitiva, ma non basta per dimensionare una guida. Un tubo metallico generico non garantisce una trasmissione a bassa perdita a qualsiasi frequenza.
2. TE, TM e TEM hanno significati diversi
Con propagazione lungo z, un modo TE ha Ez = 0; un modo TM ha Hz = 0. Rimangono componenti trasversali e la componente longitudinale dell’altro campo. Non si tratta di un’onda con solo campo elettrico o solo campo magnetico.
In una sezione rettangolare TEmn può avere uno dei due indici nullo, ma non entrambi. Per TMmn, m e n sono almeno 1. Se a > b, TE10 è il modo dominante, cioè quello con il taglio più basso.
Una guida cava con un solo contorno conduttore e riempimento omogeneo non supporta TEM. Il coassiale, dotato di due conduttori, supporta invece un modo TEM fondamentale. Le guide circolari richiedono le proprie soluzioni modali, non gli stessi indici rettangolari.
3. Taglio e banda utile non coincidono
Per il caso ideale in aria, fc,mn = (c/2)√[(m/a)² + (n/b)²], con a e b in metri. Per TE10 si riduce a fc = c/(2a). Sotto il taglio si considera un campo evanescente, non un’onda viaggiante ordinaria di quel modo.
| Grandezza | Valore indicativo |
|---|---|
| Taglio TE10 | 6,56 GHz. |
| Taglio TE20 | 13,11 GHz. |
| Banda pratica usuale | 8,2–12,4 GHz. |
Il taglio della WR-90 non è 3,75 GHz. La banda pratica mantiene un margine dal taglio inferiore e dai modi superiori; vanno inoltre rispettati i limiti delle transizioni e degli altri componenti.
4. Lunghezza d’onda e impedenza dipendono dalla frequenza
Nel modello senza perdite e sopra il taglio, λg = λ0/√[1 − (fc/f)²]. A 10 GHz nella WR-90, λ0 è circa 30,0 mm e λg circa 39,7 mm.
Per TE, ZTE = η/√[1 − (fc/f)²], con η impedenza intrinseca del mezzo. Nell’esempio risulta circa 499 Ω. Questa impedenza d’onda descrive il rapporto fra componenti di campo e non una resistenza fissa di 450 Ω da collegare direttamente come un carico coassiale.
La velocità di fase può superare c senza trasmettere informazione più velocemente della luce. La guida è dispersiva: fase e inviluppo del segnale richiedono interpretazioni distinte.
5. Perdite, potenza e accoppiamento
Le pareti reali hanno conducibilità finita. Materiale, finitura, dimensioni, frequenza e temperatura influenzano la perdita; un riempimento dielettrico può aggiungerne altra. Curve, flange e transizioni contribuiscono a riflessioni e conversione modale.
Sonde e anelli accoppiano il campo secondo orientamento e posizione. Una trasformazione a quarto d’onda non costituisce una soluzione universale per qualsiasi disadattamento o larghezza di banda.
La potenza ammissibile dipende da campo massimo, riscaldamento, pressione, finestre e regime del segnale. Distinguere potenza media, picco e ciclo di lavoro è indispensabile: non tutte le guide sono equivalenti per applicazioni da kilowatt.
Procedura per una prima verifica
- Definire banda, sezione e mezzo di riempimento.
- Calcolare il taglio dominante e i primi modi superiori.
- Verificare compatibilità di flange, transizioni e accessori.
- Misurare S11 e S21 con calibrazione e piani di riferimento appropriati.
- Confrontare i risultati con le condizioni di temperatura e potenza richieste.
Per le formule si può consultare Microwaves101. Le guide e i componenti Dolph Microwave vanno selezionati mediante banda, dimensioni e interfacce specificate.
