GUIDE D’ONDA

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Nel campo delle microonde, una guida d’onda è in genere un tubo metallico cavo di sezione rettangolare, circolare o ellittica. È possibile che la guida sia riempita con un mezzo dielettrico, in genere plastico. Si può pensare che il campo elettromagnetico sia confinato attraverso la “riflessione” sulle pareti della guida d’onda.

Nel campo delle frequenze ottiche, una guida d’onda è spesso realizzata con una guida dielettrica. Questa è costituita da un innalzamento locale dell’indice di rifrazione in un materiale trasparente alla lunghezza d’onda che si vuole trasportare. Questo fenomeno permette di confinare la luce attraverso la riflessione totale interna. Nel caso delle fibre ottiche, l’innalzamento dell’indice è realizzato drogando opportunamente il centro della fibra durante la fabbricazione. In questo modo, è possibile ottenere fibre aventi caratteristiche abbastanza varie relativamente agli usi necessari. Per le esigenze di illuminazione e trasporto dell’informazione su corta e cortissima distanza sono utilizzate delle fibre in plastica, per le telecomunicazioni a lunga distanza si utilizzano delle fibre in silice. Ad una lunghezza d’onda di 1550nm, la attenuazione tipica di una fibra monomodale in silice si aggira intorno a 0,2dB al chilometro. Questo vuole dire che la potenza del segnale si attenua di 10 volte su una tratta di 50km. Queste ottime caratteristiche hanno reso possibile le attuali reti di telecomunicazione ad alta velocità e bassa attenuazione.

In ottica integrata, la guida d’onda rappresenta l’elemento di base che viene combinato per ottenere funzioni più complesse. Esistono diverse tecnologie che si differenziano principalmente in base al substrato utilizzato ed alla tecnica usata per ottenere l’innalzamento locale di indice di rifrazione. Fra di esse, ricordiamo le tecniche mutuate direttamente dalla microelettronica che usano in qualche modo come substrato il silicio (perfettamente trasparente nell’infrarosso), oppure i semiconduttori III-V come l’arseniuro di gallio, particolarmente interessanti per le proprietà optoelettroniche. Ricordiamo anche le tecnologie di scambio protonico e in-diffusione su niobato di litio usate per le proprietà elettroottiche di quest’ultimo e quelle di scambio ionico su vetro, apprezzabili per la qualità delle guide realizzate per la compatibilità con le fibre ottiche in silice.

Il confinamento della luce può essere ottenuto anche tramite i cosiddetti cristalli fotonici, i quali sono costituiti da strutture periodiche di indice di rifrazione in cui sono stati introdotti dei “difetti”. La periodicità dei materiali introduce (un po’ come con i cristalli) una struttura a bande in cui certe condizioni di propagazione elettromagnetica sono vietate. L’introduzione dei difetti consente di confinare la luce (che non può propagarsi altrove), realizzando così una guida d’onda. Tuttavia, a causa della notevole difficoltà tecnica di realizzazione di queste strutture, le guide realizzate in pratica evidenziano delle perdite di propagazione lineare abbastanza rilevanti.

Nel campo delle radiofrequenze, alcune zone della stratosfera cariche di ioni o alcune regioni riflettenti della troposfera possono agire da guida d’onda atmosferica.

Nel calcolo numerico, il termine guida d’onda può anche essere usato in riferimento ad un data buffer usato come linea di ritardo che simulano il comportamento fisico di una guida d’onda, come nella sintesi digitale di guida d’onda.

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Si può pensare al campo totale che si propaga in una guida d’onda come una combinazione lineare di modi di propagazione. Ogni modo di propagazione è una configurazione “semplice” di campo che si propaga nella guida, mantenendosi immutata (salvo ovviamente che la guida non cambi di sezione trasversale, ovviamente). Ad ogni modo di propagazione è associata una diversa costante di propagazione che ne caratterizza, tra l’altro, la velocità di fase. Un modo è una autofunzione delle equazioni di propagazione guidata ed il relativo autovettore è la costante di propagazione. Oltre a questo, si può calcolare che un modo di propagazione non può esistere ad ogni frequenza, ma che esiste una “frequenza di taglio” (cutoff frequency), al di sotto della quale il modo non è più supportato.

In guide metalliche, i modi in guida d’onda si suddividono in modi trasverso-elettrici (TE) o trasverso-magnetici (TM), a seconda che il campo elettrico o quello magnetico siano puramente trasversali rispetto alla direzione di propagazione. Per le guide d’onda metalliche cave, il modo fondamentale (cioè quello con la frequenza critica più bassa) è il TE1,0 per le guide rettangolari e il TE1,1 per le guide circolari; la loro topografia di campo è raffigurata di seguito. In certi casi, un modo di propagazione possiede sia il campo elettrico che quello magnetico nel piano trasversale alla direzione di propagazione (modo TEM). Perché questo avvenga, è necessario che la guida sia composta almeno da due conduttori isolati fra di loro, come in un cavo coassiale. Diventa allora possibile descrivere la propagazione del modo con valori di tensione e di corrente misurabili idealmente in ogni sezione della linea di trasmissione.

In guide dielettriche, la propagazione TE o TM ha una definizione leggermente diversa e si riferisce al fatto che il campo elettrico sia parallelo o meno alle pareti dielettriche che compongono la guida.

IL MONDO DELLE TELECOMUNICAZIONI

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