Jak osiągnąć dopasowanie impedancji falowodów? Z teorii linii transmisyjnych w teorii anten mikropaskowych wiemy, że można wybrać odpowiednie szeregowe lub równoległe linie transmisyjne w celu osiągnięcia dopasowania impedancji między liniami transmisyjnymi lub między liniami transmisyjnymi a obciążeniami, aby osiągnąć maksymalną moc transmisji i minimalne straty odbicia. Ta sama zasada dopasowania impedancji w liniach mikropaskowych ma zastosowanie do dopasowania impedancji w falowodach. Odbicia w systemach falowodowych mogą prowadzić do niedopasowania impedancji. Gdy nastąpi pogorszenie impedancji, rozwiązanie jest takie samo jak w przypadku linii transmisyjnych, czyli zmiana wymaganej wartości. Impedancja skupiona jest umieszczana w wstępnie obliczonych punktach w falowodzie, aby przezwyciężyć niedopasowanie, eliminując w ten sposób efekty odbić. Podczas gdy linie transmisyjne wykorzystują impedancje skupione lub stępki, falowody wykorzystują metalowe bloki o różnych kształtach.
Rysunek 1: Irysy falowodowe i obwód równoważny: (a) pojemnościowy; (b) indukcyjny; (c) rezonansowy.
Rysunek 1 przedstawia różne rodzaje dopasowania impedancji, przyjmujące dowolną z przedstawionych 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 a dolną ścianką falowodu (w modzie dominującym), istnieje teraz między dwiema powierzchniami metalu w bliższym sąsiedztwie, więc pojemność punktu wzrasta. Natomiast blok metalowy na rysunku 1b umożliwia 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 zostaną zaprojektowane rozsądnie, wprowadzona reaktancja indukcyjna i pojemnościowa będą równe, a apertura będzie rezonansowa równoległa. Oznacza to, że dopasowanie impedancji i strojenie modu głównego jest bardzo dobre, a efekt bocznikowania tego modu będzie pomijalny. Jednak inne mody lub częstotliwości będą tłumione, więc rezonansowy pierścień metalowy działa zarówno jako filtr pasmowo-przepustowy, jak i filtr modowy.
Rysunek 2: (a) słupki falowodowe; (b) dopasowujące dwa śruby
Inny sposób strojenia pokazano powyżej, gdzie cylindryczny metalowy słupek rozciąga się od jednego z szerszych 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 sięga 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 osiągnie około ćwierć długości fali. W tym punkcie występuje rezonans szeregowy. Dalsza penetracja metalowego słupka powoduje zapewnienie indukcyjnej susceptancji, która maleje wraz z pełniejszym wstawianiem. 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 pasmowo-zaporowy do przesyłania modów wyższego rzędu. W porównaniu ze zwiększeniem impedancji za pomocą pasków metalowych, główną zaletą stosowania metalowych słupków jest ich łatwa regulacja. Na przykład, dwie śruby mogą służyć jako elementy dostrajające, aby uzyskać efektywne dopasowanie falowodów.
Obciążenia rezystancyjne i tłumiki:
Jak każdy inny system transmisyjny, falowody wymagają czasami idealnego dopasowania impedancji i dostrojonych obciążeń, aby w pełni absorbować fale przychodzące bez odbić i być niewrażliwe na częstotliwość. Jednym z zastosowań takich terminali jest wykonywanie różnych pomiarów mocy w systemie bez faktycznego promieniowania.
Rysunek 3. Obciążenie rezystancji falowodu (a)pojedynczy stożek (b)podwójny stożek
Najczęściej spotykanym zakończeniem rezystancyjnym jest odcinek stratnego dielektryka zainstalowany na końcu falowodu i zwężony (z końcówką skierowaną w stronę fali przychodzącej), aby nie powodować odbić. Ten stratny ośrodek może zajmować całą szerokość falowodu lub tylko jego środek, jak pokazano na rysunku 3. Stożek może być pojedynczy lub podwójny i zazwyczaj ma długość λp/2, przy czym całkowita długość wynosi około dwóch długości fal. Zazwyczaj wykonane są z płytek dielektrycznych, takich jak szkło, pokrytych na zewnątrz warstwą węgla lub szkła wodnego. W zastosowaniach dużej mocy takie zaciski mogą mieć dodane radiatory na zewnątrz falowodu, a dostarczana do zacisku moc może być rozpraszana przez radiator lub poprzez 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, do krawędzi, gdzie tłumienie ulega znacznemu zmniejszeniu, ponieważ natężenie pola elektrycznego dominującego trybu jest znacznie niższe.
Tłumienie w falowodzie:
Tłumienie energii w światłowodach obejmuje głównie następujące aspekty:
1. Odbicia od wewnętrznych nieciągłości falowodu lub niewspółosiowych odcinków falowodu
2. Straty spowodowane przepływem prądu w ściankach falowodów
3. Straty dielektryczne w wypełnionych falowodach
Dwie ostatnie wartości są podobne do strat w liniach koncentrycznych i obie są stosunkowo niewielkie. Straty te zależą od materiału ścianki i jej chropowatości, zastosowanego dielektryka oraz częstotliwości (z powodu efektu naskórkowości). W przypadku rur mosiężnych zakres wynosi od 4 dB/100 m przy 5 GHz do 12 dB/100 m przy 10 GHz, ale w przypadku rur aluminiowych 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, szczególnie przy najwyższych częstotliwościach, falowody są czasami pokrywane (wewnętrznie) złotem lub platyną.
Jak już wspomniano, falowód działa jak filtr górnoprzepustowy. Chociaż sam falowód jest praktycznie bezstratny, częstotliwości poniżej częstotliwości granicznej są silnie tłumione. Tłumienie to wynika z odbicia na wejściu falowodu, a nie z propagacji.
Sprzężenie falowodowe:
Sprzężenie falowodowe zazwyczaj następuje poprzez kołnierze, gdy elementy lub komponenty falowodu 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, łączności satelitarnej, systemach antenowych i sprzęcie laboratoryjnym w badaniach naukowych. Służą do łączenia różnych sekcji falowodu, zapobiegania przeciekom i zakłóceniom oraz utrzymywania precyzyjnego ustawienia falowodu, co zapewnia wysoką niezawodność transmisji i precyzyjne pozycjonowanie fal elektromagnetycznych o wysokiej częstotliwości. Typowy falowód ma kołnierz na każdym końcu, jak pokazano na rysunku 5.
Rysunek 5 (a) kołnierz płaski; (b) sprzęgło kołnierzowe.
Przy niższych częstotliwościach kołnierz będzie lutowany lub spawany do falowodu, natomiast przy wyższych częstotliwościach stosuje się płaski kołnierz czołowy. Po połączeniu dwóch części, kołnierze są skręcane śrubami, ale końce muszą być gładko wykończone, aby uniknąć nieciągłości połączenia. Oczywiście, łatwiej jest prawidłowo ustawić elementy po wykonaniu pewnych regulacji, dlatego mniejsze falowody są czasami wyposażone w gwintowane kołnierze, które można skręcić 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. Dławik sprzęgający składa się ze zwykłego kołnierza i połączonego z nim kołnierza dławika. Aby skompensować ewentualne nieciągłości, w kołnierzu dławika zastosowano okrągły pierścień dławiący o przekroju w kształcie litery L, co zapewnia ściślejsze połączenie. W przeciwieństwie do zwykłych kołnierzy, kołnierze dławika są wrażliwe na częstotliwość, ale zoptymalizowana konstrukcja może zapewnić rozsądne pasmo przenoszenia (około 10% częstotliwości środkowej), w którym współczynnik SWR nie przekracza 1,05.
Czas publikacji: 15-01-2024
