thumb|right|alt=foto|Figura 1. Filtro de postes em guia de ondas: um filtro passa-faixa formado por um trecho de WG15, tamanho padronizado de guia de ondas para uso na Banda X, dividido em uma fileira de cinco cavidades ressonantes acopladas por barreiras de três postes cada. As extremidades dos postes podem ser vistas atravessando a parede do guia

Um filtro de guia de ondas é um filtro eletrônico construído com tecnologia de guia de ondas. Guias de onda são condutos metálicos ocos dentro dos quais uma onda eletromagnética pode ser transmitida. Filtros são dispositivos usados para permitir a passagem de sinais em certas frequências (a banda passante), enquanto outras são rejeitadas (a banda de rejeição). Os filtros são componentes básicos de projetos de engenharia eletrônica e têm numerosas aplicações. Entre elas estão a seleção de sinais e a limitação de ruído. Os filtros de guia de ondas são mais úteis na faixa de micro-ondas, na qual têm tamanho conveniente e baixa perda. Exemplos de uso de filtros de micro-ondas são encontrados em comunicações por satélite, redes telefônicas e transmissão televisiva.

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

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

Existe uma ampla variedade de tipos de filtros de guia de ondas. Muitos deles consistem em uma cadeia de ressonadores acoplados de algum tipo, que pode ser modelada como uma rede em escada de circuitos LC. Um dos tipos mais comuns consiste em várias cavidades ressonantes acopladas. Mesmo dentro desse tipo, há muitos subtipos, diferenciados principalmente pelo meio de acoplamento. Esses tipos de acoplamento incluem aberturas, íris e postes. Outros tipos de filtros de guia de ondas incluem filtros de ressonador dielétrico, filtros de inserção, filtros finline, filtros de guia de ondas corrugado e filtros de stubs. Diversos componentes de guia de ondas têm a teoria dos filtros aplicada a seu projeto, mas seu propósito é outro que não filtrar sinais. Tais dispositivos incluem componentes de casamento de impedância, acopladores direcionais e diplexadores. Esses dispositivos frequentemente assumem a forma de um filtro, ao menos em parte.

Escopo

O significado comum de guia de ondas, quando o termo é usado sem qualificação, é o tipo metálico oco (ou, ocasionalmente, preenchido por dielétrico), mas outras tecnologias de guia de ondas são possíveis.Gibilisco e Sclater, p. 913. O escopo deste artigo limita-se ao tipo de conduto metálico. A estrutura de guia de ondas de paredes de postes é uma variante, mas está suficientemente relacionada para ser incluída aqui: a onda é quase toda envolvida por material condutor. É possível construir guias de onda com hastes dielétricas,Yeh e Shimabukuro, p. 1. sendo o exemplo mais conhecido a fibra óptica. Esse assunto fica fora do escopo do artigo, exceto pelo fato de que ressonadores de hastes dielétricas às vezes são usados dentro de guias de onda metálicos ocos. Tecnologias de linha de transmissão, como fios condutores e microstrip, podem ser pensadas como guias de onda,Russer, pp. 131–132. mas não são comumente chamadas assim e também estão fora do escopo deste artigo.

Conceitos básicos

Filtros Na eletrônica, filtros são usados para permitir que sinais de uma determinada faixa de frequências passem enquanto bloqueiam outros. Eles são um bloco construtivo básico de sistemas eletrônicos e têm muitas aplicações. Entre os usos de filtros de guia de ondas estão a construção de duplexadores, diplexadores e multiplexadores; a seletividade e a limitação de ruído em receptores; e a supressão de distorção harmônica em transmissores.Belov et al., p. 147.

Guias de onda Guias de onda são condutos metálicos usados para confinar e direcionar sinais de rádio. Geralmente são feitos de latão, mas alumínio e cobre também são usados.Connor, p. 52. Mais comumente, têm seção retangular, mas outras seções transversais, como circular ou elíptica, são possíveis. Um filtro de guia de ondas é um filtro composto por componentes de guia de ondas. Ele tem uma gama de aplicações muito semelhante à de outras tecnologias de filtros em eletrônica e engenharia de rádio, mas é muito diferente mecanicamente e em seu princípio de operação.Hunter, p. 201; Matthaei et al., p. 243.

A tecnologia usada para construir filtros é escolhida, em grande medida, pela frequência de operação esperada, embora exista grande sobreposição. Aplicações de baixa frequência, como a eletrônica de áudio, usam filtros compostos por capacitores e indutores discretos. Em algum ponto da faixa de frequência muito alta, os projetistas passam a usar componentes feitos de trechos de linha de transmissão. Esses tipos de projetos são chamados de filtros de elementos distribuídos. Filtros feitos de componentes discretos às vezes são chamados de filtros de elementos concentrados para distingui-los. Em frequências ainda mais altas, nas faixas de micro-ondas, o projeto passa a usar filtros de guia de ondas ou, às vezes, uma combinação de guias de onda e linhas de transmissão.Hitchcock e Patterson, p. 263; Bagad, pp. 1.3–1.4.

Filtros de guia de ondas têm muito mais em comum com filtros de linha de transmissão do que com filtros de elementos concentrados; eles não contêm capacitores ou indutores discretos. Contudo, o projeto em guia de ondas pode frequentemente ser equivalente (ou aproximadamente equivalente) a um projeto de elementos concentrados. De fato, o projeto de filtros de guia de ondas frequentemente começa com um projeto de elementos concentrados e depois converte os elementos desse projeto em componentes de guia de ondas.Matthaei et al., p. 83.

Modos thumb|alt=diagrama|Figura 2. Padrões de campo de alguns modos comuns de guia de ondas

Uma das diferenças mais importantes na operação de filtros de guia de ondas, em comparação com projetos de linha de transmissão, diz respeito ao modo de transmissão da onda eletromagnética que carrega o sinal. Em uma linha de transmissão, a onda está associada a correntes elétricas em um par de condutores. Os condutores restringem as correntes para que sejam paralelas à linha e, consequentemente, tanto o componente magnético quanto o componente elétrico do campo eletromagnético são perpendiculares à direção de propagação da onda. Esse modo transversal é designado TEM (transversal eletromagnético). Por outro lado, há infinitos modos que qualquer guia de ondas completamente oco pode sustentar, mas o modo TEM não é um deles. Os modos de guia de ondas são designados TE (transversal elétrico) ou TM (transversal magnético), seguidos por um par de índices que identifica o modo preciso.Connor, pp. 52–53; Hunter, pp. 201, 203; Matthaei et al., p. 197.

Essa multiplicidade de modos pode causar problemas em filtros de guia de ondas quando modos espúrios são gerados. Os projetos geralmente se baseiam em um único modo e frequentemente incorporam características destinadas a suprimir modos indesejados. Por outro lado, pode-se obter vantagem ao escolher o modo correto para a aplicação e, às vezes, ao usar mais de um modo ao mesmo tempo. Quando apenas um modo é usado, o guia de ondas pode ser modelado como uma linha de transmissão condutora, e os resultados da teoria de linhas de transmissão podem ser aplicados.Hunter, pp. 255–260; Matthaei et al., p. 197.

Frequência de corte 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, filtros passa-baixa não podem ser construídos em guias de onda. Contudo, os projetistas frequentemente tomam um projeto de filtro passa-baixa de elementos concentrados e o convertem em uma implementação em guia de ondas. Consequentemente, o filtro é passa-baixa por projeto 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 da aplicação. A frequência de corte do guia de ondas é função do modo de transmissão; assim, em uma dada frequência, o guia de ondas pode ser utilizável em alguns modos, mas não em outros. Do mesmo modo, o comprimento de onda guiado (λg) e a impedância característica (Z0) do guia em uma dada frequência também dependem do modo.Hunter, pp. 201–202; Matthaei et al., p. 197.

Modo dominante O modo com a menor frequência de corte entre todos os modos é chamado de modo dominante. Entre a frequência de corte e o próximo modo mais alto, esse é o único modo que pode ser transmitido; por isso, é descrito como dominante. Quaisquer modos espúrios gerados são rapidamente atenuados ao longo do comprimento do guia e logo desaparecem. Projetos práticos de filtros frequentemente são feitos para operar no modo dominante.Elmore e Heald, p. 289; Mahmoud, pp. 32–33.

Em um guia de ondas retangular, o modo TE10 (mostrado na figura 2) é o modo dominante. Existe uma faixa de frequências entre o corte do modo dominante e o corte do próximo modo mais alto na qual o guia de ondas pode operar sem possibilidade de gerar modos espúrios. Os próximos modos de corte mais alto são TE20, exatamente no dobro do modo TE10, e TE01, que também é o dobro de TE10 se o guia usado tiver a razão de aspecto comumente usada de 2:1. O modo TM de menor corte é TM11 (mostrado na figura 2), que é vezes o modo dominante em um guia de ondas 2:1. Assim, há uma oitava na qual o modo dominante fica livre de modos espúrios, embora a operação muito próxima ao corte geralmente seja evitada por causa da distorção de fase.Hunter, p. 209; Matthaei et al., p. 198.

Em guia de ondas circular, o modo dominante é TE11, mostrado na figura 2. O próximo modo mais alto é TM01. A faixa na qual se garante que o modo dominante fique livre de modos espúrios é menor que no guia retangular; a razão entre a frequência mais alta e a mais baixa é aproximadamente 1,3 em guia circular, em comparação com 2,0 em guia retangular.Matthaei et al., pp. 198, 201.

Modos evanescentes Ver artigo principal: Onda evanescente.

Modos evanescentes são modos abaixo da frequência de corte. Eles não podem se propagar ao longo do guia de ondas por distância apreciável, desaparecendo exponencialmente. Contudo, são importantes no funcionamento de certos componentes de filtros, como íris e postes, descritos adiante, porque energia é armazenada nos campos de ondas evanescentes.Das e Das, p. 112.

Vantagens e desvantagens