Jak osiągnąć dopasowanie impedancji falowodów? Z teorii linii transmisyjnych w teorii anten mikropaskowych wiemy, że odpowiednie szeregowe lub równoległe linie transmisyjne można wybrać w celu osiągnięcia dopasowania impedancji między liniami transmisyjnymi lub między liniami transmisyjnymi a obciążeniami w celu uzyskania maksymalnej mocy transmisji i minimalnej straty odbicia. Ta sama zasada dopasowania impedancji w liniach mikropaskowych ma zastosowanie do dopasowania impedancji w falowodach. Odbicia w systemach falowodów mogą prowadzić do niedopasowania impedancji. Gdy następuje pogorszenie impedancji, rozwiązanie jest takie samo jak w przypadku linii transmisyjnych, czyli zmiana wymaganej wartości. Impedancja skupiona jest umieszczana w obliczonych wcześniej punktach w falowodzie, aby przezwyciężyć niedopasowanie, eliminując w ten sposób skutki odbić. Podczas gdy linie transmisyjne wykorzystują impedancje skupione lub stępki, falowody wykorzystują bloki metalowe o różnych kształtach.
Rysunek 1: Irysy falowodowe i obwód zastępczy: (a) pojemnościowy; (b) indukcyjny; (c) rezonansowy.
Rysunek 1 przedstawia różne rodzaje dopasowania impedancji, przyjmujące dowolną z pokazanych form i mogące być pojemnościowe, indukcyjne lub rezonansowe. Analiza matematyczna jest złożona, ale wyjaśnienie fizyczne nie. Biorąc pod uwagę pierwszy pojemnościowy pasek metalowy na rysunku, można zauważyć, że potencjał, który istniał między górną i dolną ścianą falowodu (w trybie dominującym), istnieje teraz między dwiema powierzchniami metalowymi w bliższym sąsiedztwie, więc pojemność wynosi Punkt wzrasta. Natomiast blok metalowy na rysunku 1b pozwala na przepływ prądu tam, gdzie wcześniej nie płynął. Prąd będzie płynął w uprzednio wzmocnionej płaszczyźnie pola elektrycznego ze względu na dodanie bloku metalowego. Dlatego magazynowanie energii następuje w polu magnetycznym, a indukcyjność w tym punkcie falowodu wzrasta. Ponadto, jeśli kształt i położenie pierścienia metalowego na rysunku c są zaprojektowane rozsądnie, wprowadzona reaktancja indukcyjna i pojemnościowa będą równe, a otwór będzie rezonansem równoległym. Oznacza to, że dopasowanie impedancji i strojenie głównego trybu jest bardzo dobre, a efekt bocznikowania tego trybu będzie pomijalny. Jednak inne tryby lub częstotliwości zostaną stłumione, więc rezonansowy pierścień metalowy działa zarówno jako filtr pasmowy, jak i filtr trybu.
rycina 2: (a) słupki falowodowe; (b) dopasowujące dwa śruby
Inny sposób strojenia pokazano powyżej, gdzie cylindryczny metalowy słupek rozciąga się od jednego z szerokich boków do falowodu, mając taki sam efekt jak metalowy pasek pod względem zapewnienia skupionej reaktancji w tym punkcie. Metalowy słupek może być pojemnościowy lub indukcyjny, w zależności od tego, jak daleko rozciąga się do falowodu. Zasadniczo ta metoda dopasowania polega na tym, że gdy taki metalowy słupek rozciąga się nieznacznie do falowodu, zapewnia pojemnościową susceptancję w tym punkcie, a pojemnościowa susceptancja wzrasta, aż penetracja wynosi około ćwierć długości fali. W tym momencie występuje rezonans szeregowy. Dalsza penetracja metalowego słupka powoduje zapewnienie indukcyjnej susceptancji, która maleje w miarę jak wstawianie staje się bardziej kompletne. Intensywność rezonansu w instalacji w punkcie środkowym jest odwrotnie proporcjonalna do średnicy kolumny i może być używana jako filtr, jednak w tym przypadku jest używana jako filtr pasmowy do przesyłania modów wyższego rzędu. W porównaniu ze zwiększaniem impedancji pasków metalowych, główną zaletą stosowania słupków metalowych jest to, że są łatwe do regulacji. Na przykład dwie śruby mogą być używane jako urządzenia dostrajające w celu uzyskania wydajnego dopasowania falowodu.
Obciążenia rezystancyjne i tłumiki:
Podobnie jak każdy inny system transmisyjny, falowody czasami wymagają idealnego dopasowania impedancji i dostrojonych obciążeń, aby w pełni pochłaniać fale przychodzące bez odbicia i być nieczułymi na częstotliwość. Jednym z zastosowań takich terminali jest wykonywanie różnych pomiarów mocy w systemie bez faktycznego emitowania jakiejkolwiek mocy.
Rysunek 3 obciążenie rezystancji falowodu (a)pojedynczy stożek (b)podwójny stożek
Najczęstszym zakończeniem rezystancyjnym jest sekcja stratnego dielektryka zainstalowana na końcu falowodu i zwężona (z końcówką skierowaną w stronę nadchodzącej fali), aby nie powodować odbić. To stratne medium może zajmować całą szerokość falowodu lub może zajmować tylko środek końca falowodu, jak pokazano na rysunku 3. Stożek może być pojedynczy lub podwójny i zwykle ma długość λp/2, przy całkowitej długości około dwóch długości fal. Zwykle wykonany z płyt dielektrycznych, takich jak szkło, pokrytych warstwą węgla lub szkła wodnego na zewnątrz. W przypadku zastosowań o dużej mocy takie zaciski mogą mieć radiatory dodane na zewnątrz falowodu, a moc dostarczana do zacisku może być rozpraszana przez radiator lub przez wymuszone chłodzenie powietrzem.
Rysunek 4 Ruchomy tłumik łopatkowy
Tłumiki dielektryczne mogą być wyjmowane, jak pokazano na rysunku 4. Umieszczone w środku falowodu, można przesuwać na boki od środka falowodu, gdzie zapewniają największe tłumienie, w stronę krawędzi, gdzie tłumienie jest znacznie zmniejszone, ponieważ natężenie pola elektrycznego dominującego trybu jest znacznie niższe.
Tłumienie w falowodzie:
Tłumienie energii w falowodach obejmuje głównie następujące aspekty:
1. Odbicia od wewnętrznych nieciągłości falowodu lub niewspółosiowych odcinków falowodu
2. Straty spowodowane przepływem prądu w ściankach falowodu
3. Straty dielektryczne w wypełnionych falowodach
Ostatnie dwa są podobne do strat odpowiadających im w liniach koncentrycznych i oba są stosunkowo niewielkie. Strata ta zależy od materiału ścianki i jej chropowatości, użytego dielektryka i częstotliwości (z powodu efektu naskórkowości). W przypadku przewodu mosiężnego zakres wynosi od 4 dB/100 m przy 5 GHz do 12 dB/100 m przy 10 GHz, ale w przypadku przewodu aluminiowego zakres jest niższy. W przypadku falowodów powlekanych srebrem straty wynoszą zazwyczaj 8 dB/100 m przy 35 GHz, 30 dB/100 m przy 70 GHz i blisko 500 dB/100 m przy 200 GHz. Aby zmniejszyć straty, zwłaszcza przy najwyższych częstotliwościach, falowody są czasami pokrywane (wewnętrznie) złotem lub platyną.
Jak już wskazano, falowód działa jak filtr górnoprzepustowy. Chociaż sam falowód jest praktycznie bezstratny, częstotliwości poniżej częstotliwości granicznej są poważnie tłumione. To tłumienie jest spowodowane odbiciem przy ujściu falowodu, a nie propagacją.
Sprzężenie falowodowe:
Sprzęganie falowodów zwykle następuje poprzez kołnierze, gdy elementy lub komponenty falowodów są ze sobą łączone. Funkcją tego kołnierza jest zapewnienie płynnego połączenia mechanicznego i odpowiednich właściwości elektrycznych, w szczególności niskiego promieniowania zewnętrznego i niskiego odbicia wewnętrznego.
Kołnierz:
Kołnierze falowodowe są szeroko stosowane w komunikacji mikrofalowej, systemach radarowych, komunikacji satelitarnej, systemach antenowych i sprzęcie laboratoryjnym w badaniach naukowych. Służą do łączenia różnych sekcji falowodu, zapobiegania wyciekom i zakłóceniom oraz utrzymywania precyzyjnego wyrównania falowodu w celu zapewnienia wysokiej niezawodnej transmisji i precyzyjnego pozycjonowania fal elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości. Typowy falowód ma kołnierz na każdym końcu, jak pokazano na rysunku 5.
ryc. 5 (a) kołnierz płaski; (b) sprzęgło kołnierzowe.
Przy niższych częstotliwościach kołnierz będzie lutowany lub spawany do falowodu, podczas gdy przy wyższych częstotliwościach używany jest płaski kołnierz czołowy. Gdy dwie części są łączone, kołnierze są skręcane razem, ale końce muszą być wykończone gładko, aby uniknąć nieciągłości w połączeniu. Oczywiście łatwiej jest prawidłowo wyrównać komponenty przy pewnych regulacjach, więc mniejsze falowody są czasami wyposażone w gwintowane kołnierze, które można skręcić razem za pomocą nakrętki pierścieniowej. Wraz ze wzrostem częstotliwości rozmiar sprzężenia falowodu naturalnie maleje, a nieciągłość sprzężenia staje się większa proporcjonalnie do długości fali sygnału i rozmiaru falowodu. Dlatego nieciągłości przy wyższych częstotliwościach stają się bardziej kłopotliwe.
rysunek 6 (a) Przekrój sprzęgła dławika; (b) Widok końcowy kołnierza dławika
Aby rozwiązać ten problem, można pozostawić niewielką szczelinę między falowodami, jak pokazano na rysunku 6. Sprzęgło dławiące składające się ze zwykłego kołnierza i kołnierza dławiącego połączonych ze sobą. Aby skompensować możliwe nieciągłości, w kołnierzu dławiącym zastosowano okrągły pierścień dławiący o przekroju w kształcie litery L, aby uzyskać ściślejsze połączenie. W przeciwieństwie do zwykłych kołnierzy, kołnierze dławiące są wrażliwe na częstotliwość, ale zoptymalizowana konstrukcja może zapewnić rozsądną szerokość pasma (być może 10% częstotliwości środkowej), w której SWR nie przekracza 1,05.
Czas publikacji: 15-01-2024
