Cavità risonanti

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Descrizione e caratteristiche fisiche

Una cavità a microonde è un tipo di risonatore costituito da una struttura metallica chiusa (o in gran parte chiusa) che confina i campi elettromagnetici oscillanti nella regione delle microonde dello spettro em. La struttura è cava o riempita di materiale dielettrico. Le microonde vengono riflesse avanti e indietro tra le pareti della cavità. Alla frequenza di risonanza della cavità si stabiliscono onde stazionarie nella cavità. Pertanto, la cavità funziona in modo simile a una canna d'organo o cassa armonica di uno strumento musicale. La cavità si comporta da filtro passa-banda, consentendo il passaggio di microonde di una particolare frequenza all'interno della banda passante.

Una cavità a microonde si comporta in modo simile a un circuito risonante con perdite estremamente basse alla sua frequenza di funzionamento, determinando fattori di qualità (fattori Q) fino all'ordine di 10^6, rispetto a 10^2 per circuiti realizzati con induttori e condensatori separati alla stessa frequenza. Vengono utilizzati in sostituzione dei circuiti risonanti alle frequenze delle microonde, in quanto a queste frequenze non è possibile costruire circuiti risonanti discreti perché i valori di induttanza e capacità necessari sono troppo bassi. Sono utilizzati in oscillatori e trasmettitori per creare segnali a microonde e come filtri per separare un segnale a una data frequenza da altri segnali, in apparecchiature come apparecchiature radar, stazioni di trasmissione a microonde, comunicazioni satellitari e forni a microonde.

Le cavità a microonde possono essere usate per accelerare le particelle cariche che le attraversano nella regione dove è presente ilo campo elettrico accelerante e sono quindi utilizzate negli acceleratori di particelle e nei tubi a vuoto a microonde come klystron e magnetron.

La maggior parte delle cavità risonanti sono costituite da sezioni chiuse (o cortocircuitate) di guida d'onda. L'energia elettrica e magnetica è immagazzinata nella cavità e le uniche perdite sono dovute alla conduttività finita delle pareti della cavità e alle perdite dielettriche del materiale che riempie la cavità. Ogni cavità ha numerose frequenze di risonanza che corrispondono ai modi del campo elettromagnetico che soddisfano le condizioni al contorno sulle pareti della cavità. A causa di queste condizioni al contorno che devono essere soddisfatte alla risonanza (i campi elettrici tangenziali devono essere zero alle pareti della cavità), ne consegue che la lunghezza della cavità deve essere un multiplo intero della mezza lunghezza d'onda. Quindi, una cavità risonante può essere pensata come una guida d'onda equivalente a un risonatore a linea di trasmissione a mezza lunghezza d'onda cortocircuitato. I campi elettromagnetici nella cavità vengono eccitati tramite accoppiamento esterno. Un generatore esterno è solitamente accoppiato alla cavità mediante una piccola apertura in determinate posizioni, in cui si inserisce una piccola antenna a filo (accoppiamento capacitivo), oppure una loop (accoppiamento induttivo).

Bibliografia & sitografia

• Dilda G. (1956). Microonde, Libreria Editrice Universitaria Levrotto e Bella, Torino, archive.org/details/Microonde

• Giunchi G., Agliolo Gallitto A., Bonsignore G., Bonura M., Li Vigni M. (2007). A superconducting microwave cavity made of bulk MgB2.  Superconductor Science and Technology 20 (4), L16

• Feynman R. (1964). The Feynman Lectures on Physics, Vol. II Chap. 23: Cavity Resonators

• PhyMuse: phymuse.univ-lille.fr/instrument/6-6-1-generalites-sur-les-guides-d-ondes-hyperfrequences

• WikipediA: Microwave cavity, en.wikipedia.org/wiki/Microwave_cavity