Acoplamiento de impedancia1 - arturo lara morales

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Acoplamiento de impedancias
En muchas situaciones es necesario realizar un acoplamiento de impedancias en guías de ondas, de manera similar a como se hace con las líneas de dos conductores. Es decir, con el fin de reducir el KSFFK o ROE (dado por la ec. 5-<S) y obtener un valor cercano a la unidad, se introducen
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en la guía admitancias en paralelo, así como en las líneas de dos conductores se añaden “stubs” en paralelo.
Las admitancias en paralelo que se usan en las guías de ondas son realizables por medio de diafragmas o láminas delgadas llamadas irises, que producen una especie de ventana en el interior de la guía en cuestión (Fig. 5-6). Otra forma de lograr producir dichas admitancias es introduciendo postes o tomillos (Fig. 5-7).
a) Iris capacitivo
b) Iris inductivo
Fig. 5-6 Un iris se forma con dos láminas transversales a la guía. La susceptancia equivalente que se obtiene depende de las dimensiones de la guía y de la distancia d entre las láminas. El grosor de éstas debe ser pequeño con relación a la longitud de onda de trabajo.
Sin duda, el lector intuye que estas discontinuidades físicas deben satisfacer las condiciones de frontera electromagnéticas en sus superficies. Aun cuando se esté transmitiendo en el modo dominante TE10, estas condiciones de frontera adicionales requieren la presencia de modos de propagación superiores, lo cual complica enormemente el análisis matemático del problema. Afortunadamente, dichos modos superiores son evanescentes cuando la guía trabaja en el modo dominante, están localizados muy cerca de la discontinuidad, y a cierta distancia de ésta se hallan altamente atenuados. El lector interesado en profundizar sobre la deducción de las fórmulas para calcular las susceptancias equivalentes de los irises y postes,
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a) Poste de longitud fija
b) Tomillo con longitud de
penetración variable
Fig. 5-7 La susceptancia equivalente de un poste depende de su penetración d en la guía y de las dimensiones de ésta. Un tornillo permite obtener, muchas susceptancias diferentes, según su grosor y la penetración d que tenga.
puede consultar el libro de Collin o algunos de los artículos técnicos citados en la sección final de referencias.
5.4.1 El iris
En el caso de un iris como el de la Fig. 5-6 a, la expresión aproximada (con un 5% de error) para calcular la susceptancia capacitiva normalizada que produce es:
(5-13)
en donde Flo es la admitancia característica del modo dominante TE10 (es decir, recíproco de Zr£io, dado por la ec. 4-92) y X es la longitud de onda en la guía dada por la ec. (4-109).
Cuando las láminas del iris están colocadas como se muestra en la Fig. 5-6 b, la expresión aproximada para la susceptancia inductiva normalizada correspondiente es:
El iris 353
b¡
(5-14)
Los diafragmas bajo estudio deben colocarse cerca de las fuentes que producen las ondas reflejadas. El iris inductivo tiene ciertas ventajas sobre el capacitivo en aplicaciones de transmisión de muy alta potencia. Obviamente, también es posible combinar los efectos de los dos irises para formar un iris resonante (Fig. 5-8 a). En el caso de las guías circulares, se utiliza un iris circular (Fig. 5-8 b), cuya susceptancia es inductiva. Nótese que los términos iris y ventana se emplean indistintamente para designar estas estructuras de variación de impedancias. También pueden emplearse irises asimétricos (con una sola lámina en alguno de los lados), o bien estructuras en forma de caballete, como la mostrada en la Fig. 1.4 b. Puede haber muchas otras configuraciones útiles, de acuerdo con ciertas aplicaciones particulares. Muy frecuentemente, y debido a la dificultad en resolver el problema electromagnético resultante, la información que se tiene sobre los valores de las admitancias de estos obstáculos es obtenida en forma experimental, a partir de mediciones de las ondas estacionarias.
a) Iris resonante
b) Iris inductivo en una guía circular
Fig. 5-8 Geometría de una ventana resonante para guía de ondas rectangular y de un iris para guía circular.
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^5.4.2 El poste
El obstáculo mostrado en las Figs. 5-3 y 5-7a es capacitivo cuando la penetración es pequeña. Si su altura se incrementa poco a poco, se llega a un punto donde ocurre la resonancia. Esta se obtiene cuando d « 0.8¿> y su efecto es similar al de un circuito L-C en serie, conectado en paralelo a través de la guía. Si la penetración o altura del poste se incrementa aún más, la susceptancia se vuelve inductiva.
El diámetro de un poste es de sólo una fracción de la longitud de onda y la susceptancia que produce se puede ajustar fácilmente al usar un tomillo de penetración variable (Fig. 5-7 b). Este tipo de acoplamiento de impedancias es análogo al de usar un sintonizador, equilibrador o “stub” en una línea de dos conductores, tal como se vio en la sección 2.16.3.
Si en lugar de usar un poste o tomillo con posición fija sobre la guía, se tiene la libertad de moverlo a lo largo de una ranura, entonces se puede obtener un rango más amplio de susceptancias. La posición del tomillo y su penetración (Fig. 5-9) determinarán el tipo de reflexión, en amplitud y fase, que permita cancelar la reflexión originalmente existente en la guía. A este acoplador se le da el nombre de sintonizador deslizante. La variación en
a) Perspectiva exterior
b) Perspectiva interior
Fig. 5-9 Sintonizador con tomillo deslizante para el acoplamiento de impedancias.
Algunos otros componentes y dispositivos de microondas 355
fase se produce cambiando la posición del poste a lo largo de una ranura central sobre el lado ancho de la guía.
También es posible usar sintonizadores de banda ancha, que consisten de dos o más tomillos con posición fija y penetración variable. Esto sería análogo a usar dos o más “stubs” en una línea de dos conductores. Generalmente se usan sintonizadores con tres tomillos, pero también los hay con cuatro o cinco. Las correcciones necesarias de admitancia para acoplar la guía se logran mediante una combinación adecuada de las inserciones de los postes (Fig. 5-10).
a) Perspectiva exterior
b) Perspectiva interior
Fig. 5-10 Sintonizador con tres tomillos o postes de posición fija y penetración ' variable.