Usuário(a):Emsantos/Guia de onda coaxial

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Um guia de onda coaxial é o tipo de linhas de transmissão mais conhecida. É composta por um condutor envolvido coaxialmente por outro condutor. A onda viaja no espaço entre os condutores que mantem uma distância fixa através do preenchimento deste espaço com um material dielétrico ou então separado por um suporte mecânico (variações na seção transversal do guia são evitadas para diminuir perdas no sinal). O condutor mais externo atua como uma blindagem para o condutor interno. Portanto, sinais externos que poderiam interferir o sinal principal, que está viajando pelo guia, são detidos e direcionados para a terra (quando o condutor externo está aterrado). Da mesma forma, os sinais que se propagam pelo guia são confinados pela existência do condutor externo.

A esse tipo de guia se atribui o nome desbalanceado. Uma vantagem é o fato de poder se passar com o guia por perto, ou até mesmo dentro, de estruturas metálicas uma vez que já esta desbalanceado, enquanto um guia balanceado, ao passar por perto de alguma estrutura metálica, pode se desbalancear, alterando o sinal transmitido.

Pelo fato de ser construido com dois condutores, as condições de contorno possibilitam a propagação de ondas no modo TEM. Nesse modo não existe frequência de corte, permitindo assim que as mais baixas frequências sejam transmitidas.

Mesmo não havendo um limite superior para as frequências propagadas, pode-se estipular um limite prático para esses guias. Tem-se que para altas frequências, o fluxo magnético variável no interior do guia faz surgir uma força eletromotriz fem que diminui a densidade de corrente no interior do condutor e aumente em sua superfície (Efeito Pelicular). Esse fenómeno aumenta a resistência do condutor conforme a frequência é aumentada.

Portanto, um limite prático para a maior frequência transmitida pelo guia coaxial seria a frequência de corte mais baixa. No caso seria o modo TE₁₁.

História

O estimulo para a criação do primeiro guia de onda coaxial (no caso, um cabo coaxial) era a comunicação através de longas distâncias. A primeira aplicação seria uma linha de transmissão que cruzaria o Atlântico. Tal cabo operaria em um regime de baixas frequências.

J. J. Thomson foi quem realizou a primeira analise da propagação de sinais elétricos em cabos de telegrafia baseado na capacitância e resistencia do cabo. Porém foi Oliver Heaviside quem desenvolveu a equação dos telegrafistas hoje conhecida, introduzindo os efeitos da indutância, na teoria existente, expandindo-a para frequências altas necessárias para transmissão rápida de dados e voz.

Parâmetros dos guias

Capacidade C Indutância L Resistência de perdas R Condutância de perdas G Impedância característica Z

Propagação do sinal

Em guias de ondas que possuem um único condutor, os modos Transverso Eletromagnéticos (TEM) não são possíveis devido as equações de Maxwell. Porém, devido a presença do condutor externo, além dos modos Transverso elétrico (TE) e transverso magnético (TM), o modo TEM também é possível, o qual não possuí frequência de corte (frequência mínima para que a onda seja transmitida). Logo, guias coaxiais podem ser usados para a transmissão de sinais de baixíssima frequência.

O modo TEM é único no sentido em que ele é o único que possui simetria na distribuição do campo elétrico e possui uma relação linear entre frequência e o vetor de onda. Isso proporciona duas propriedades excepcionais para o guia coaxial. Primeiramente, devido a simetria radial, a polarização do sinal continua a mesma após passar pelo guia. E segundo, a linearidade entre frequência e o vetor de onda garante que o pulso, de cada frequência transmitida, manterá a forma constante ao longo do guia.

Modos de transmissão

O modo TEM00 é o modo dominante em guias de ondas coaxiais. Porém, os cabos coaxiais também podem suportar outros modos de propagação além do TEM quando operado com frequências acima da frequência de corte dos modos TE ou TM. Entretanto, nestes modos a atenuação é muito superior, o que inviabiliza sua utilização. Assim, não é comum que cabos coaxiais operarem acima da freqüência de corte do modo TE (campo elétrico transversal) de mais baixa freqüência (TE11). Conseqüentemente pode-se estabelecer um limite prático para a máxima freqüência de operação, através da expressão que determina o início da propagação do modo TE11, que será considerada a freqüência de corte do cabo coaxial.

Potência máxima transmitida

Para transmitir maiores potências, os campos internos no guia devem ser mais intensos. Porém, nesse caso, a diferença de potencial entre os condutores pode se tornar tão grande que pode romper o dielétrico e criar um curto circuito no guia. A questão é até que potência pode-se transmitir com determinada geometria e dielétrico.

Sabendo que o maior campo elétrico que pode ser transmitido no interior do guia tem a forma: E= , onde V é igual a constante de ruptura do dielétrico, podemos escrever o V como: V= A formula para a potência máxima transmitida é (referência http://www.microwaves101.com/encyclopedia/coax_power.cfm) P= , onde Z é a impedância característica definida anteriormente. Por fim, pode-se encontrar a potência máxima que um determinado guia de onda coaxial (com determinado dielétrico) pode transmitir com a formula: P

Perdas em cabo coaxial

A atenuação do sinal transmitido por um guia pode ser compreendido através de dois fenómenos.

Efeito Pelicular

Para altas freqüências de uma corrente alternada fluindo pelo guia, o fluxo magnético alternado no interior do condutor dá origem a uma força eletromotriz induzida fem. Essa fem faz com que a densidade de corrente decresça no interior do condutor e aumente em sua superfície externa. Este fenômeno é acentuado conforme a freqüência é aumentada. A distância na qual a densidade de corrente decresce 1/e (e = 2,718...) vezes o seu valor na superfície é denominada profundidade de penetração nominal. Isso faz com que a resistência do condutor em alta freqüência aumente( devido ao efeito Jaule, podendo alcançar valores muitas vezes maior do que a resistência para corrente contínua.

Histerese do dielétrico

Como o guia é composto por dois fios (com tensões diferentes) com um dielétrico separando-os, o guia pode ser analisado como um tipo de capacitor. Conforme o campo dentro do guia é alterado com o tempo, a polarização das moléculas do dielétrico também é alternada. Devido a um efeito de histerese do material, aparecem perdas na corrente total que flui pelo condutor interno.