Jak osiągnąć dopasowanie impedancji falowodów?Z teorii linii transmisyjnych w teorii anten mikropaskowych wiemy, że można wybrać odpowiednie szeregowe lub równoległe linie transmisyjne, aby uzyskać dopasowanie impedancji między liniami transmisyjnymi lub między liniami transmisyjnymi a obciążeniami, aby osiągnąć maksymalną transmisję mocy i minimalne straty odbicia.Ta sama zasada dopasowywania impedancji w liniach mikropaskowych ma zastosowanie do dopasowywania impedancji w falowodach.Odbicia w systemach falowodowych mogą prowadzić do niedopasowania impedancji.W przypadku pogorszenia impedancji rozwiązanie jest takie samo jak w przypadku linii przesyłowych, czyli zmiana wymaganej wartości. Zgrupowaną impedancję umieszcza się w wcześniej obliczonych punktach falowodu, aby przezwyciężyć niedopasowanie, eliminując w ten sposób efekt odbić.Podczas gdy linie przesyłowe wykorzystują skupione impedancje lub odcinki, falowody wykorzystują metalowe bloki o różnych kształtach.
rysunek 1: Przesłony falowodowe i obwód równoważny, a) pojemnościowy; b) indukcyjny; c) rezonansowy.
Rysunek 1 przedstawia różne rodzaje dopasowania impedancji, przybierając dowolną z pokazanych form i może być pojemnościowe, indukcyjne lub rezonansowe.Analiza matematyczna jest złożona, ale wyjaśnienie fizyczne nie.Biorąc pod uwagę pierwszy pojemnościowy pasek metalu na rysunku, można zauważyć, że potencjał, który istniał pomiędzy górną i dolną ścianką falowodu (w trybie dominującym), istnieje teraz pomiędzy dwiema metalowymi powierzchniami znajdującymi się bliżej siebie, więc pojemność wynosi The wzrasta punkt.Natomiast metalowy blok na rysunku 1b umożliwia przepływ prądu tam, gdzie wcześniej nie płynął.W wyniku dodania metalowego bloku nastąpi przepływ prądu we wcześniej wzmocnionej płaszczyźnie pola elektrycznego.Dlatego w polu magnetycznym następuje magazynowanie energii, a indukcyjność w tym punkcie falowodu wzrasta.Ponadto, jeśli kształt i położenie metalowego pierścienia na rysunku c zostaną zaprojektowane rozsądnie, wprowadzona reaktancja indukcyjna i reaktancja pojemnościowa będą równe, a apertura będzie rezonansem równoległym.Oznacza to, że dopasowanie i dostrojenie impedancji trybu głównego jest bardzo dobre, a efekt manewrowania w tym trybie będzie znikomy.Jednakże inne mody lub częstotliwości zostaną osłabione, więc metalowy pierścień rezonansowy działa zarówno jako filtr środkowoprzepustowy, jak i filtr modowy.
rysunek 2: (a) słupki falowodu; (b) element dopasowujący dwie śruby
Inny sposób strojenia pokazano powyżej, gdzie cylindryczny metalowy słupek rozciąga się od jednego z szerokich boków do falowodu, dając taki sam efekt jak metalowy pasek pod względem zapewnienia skupionej reaktancji w tym miejscu.Metalowy słupek może być pojemnościowy lub indukcyjny, w zależności od tego, jak daleko sięga do falowodu.Zasadniczo ta metoda dopasowywania polega na tym, że gdy taki metalowy słupek lekko sięga do falowodu, zapewnia w tym miejscu susceptancję pojemnościową, która wzrasta do momentu, gdy penetracja osiągnie około jedną czwartą długości fali. W tym momencie następuje rezonans szeregowy .Dalsza penetracja metalowego słupka powoduje zapewnienie susceptancji indukcyjnej, która zmniejsza się w miarę jak wprowadzanie staje się pełniejsze.Natężenie rezonansu w punkcie środkowym instalacji jest odwrotnie proporcjonalne do średnicy kolumny i może służyć jako filtr, jednakże w tym przypadku służy jako filtr pasmowo-zaporowy do transmisji modów wyższego rzędu.W porównaniu ze zwiększaniem impedancji metalowych pasków, główną zaletą stosowania metalowych słupków jest to, że można je łatwo regulować.Na przykład dwie śruby mogą służyć jako urządzenia dostrajające, aby uzyskać efektywne dopasowanie falowodu.
Obciążenia rezystancyjne i tłumiki:
Jak każdy inny system transmisji, falowody czasami wymagają idealnego dopasowania impedancji i dostrojonych obciążeń, aby w pełni pochłaniać przychodzące fale bez odbić i być niewrażliwe na częstotliwość.Jednym z zastosowań takich terminali jest wykonywanie różnych pomiarów mocy w systemie bez faktycznego emitowania jakiejkolwiek mocy.
rysunek 3 obciążenie rezystancją falowodu(a)pojedynczy stożek(b)podwójny stożek
Najpopularniejszym zakończeniem rezystancyjnym jest odcinek stratnego dielektryka zainstalowany na końcu falowodu i zwężający się (z końcówką skierowaną w stronę przychodzącej fali), aby nie powodować odbić.Ten ośrodek stratny może zajmować całą szerokość falowodu lub może zajmować tylko środek końca falowodu, jak pokazano na rysunku 3. Zbieżność może być pojedyncza lub podwójna i zazwyczaj ma długość λp/2, o łącznej długości około dwóch długości fali.Zwykle wykonane z płytek dielektrycznych, np. szklanych, pokrytych od zewnątrz folią węglową lub szkłem wodnym.W przypadku zastosowań wymagających dużej mocy takie terminale mogą mieć radiatory dodane na zewnątrz falowodu, a moc dostarczana do terminala może być rozpraszana przez radiator lub przez wymuszone chłodzenie powietrzem.
rysunek 4 Tłumik ruchomy łopatkowy
Tłumiki dielektryczne można zdemontować, jak pokazano na rysunku 4. Umieszczone na środku falowodu, można je przesuwać w bok od środka falowodu, gdzie zapewni największe tłumienie, do krawędzi, gdzie tłumienie jest znacznie zmniejszone ponieważ natężenie pola elektrycznego trybu dominującego jest znacznie niższe.
Tłumienie w falowodzie:
Tłumienie energii falowodów obejmuje głównie następujące aspekty:
1. Odbicia od wewnętrznych nieciągłości falowodu lub niewspółosiowych sekcji falowodu
2. Straty spowodowane prądem płynącym w ściankach falowodu
3. Straty dielektryczne w wypełnionych falowodach
Dwa ostatnie są podobne do odpowiednich strat w liniach koncentrycznych i oba są stosunkowo małe.Straty te zależą od materiału ściany i jego chropowatości, zastosowanego dielektryka i częstotliwości (ze względu na efekt naskórkowania).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 pokrytych 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 powlekane (wewnętrznie) złotem lub platyną.
Jak już wspomniano, falowód działa jak filtr górnoprzepustowy.Chociaż sam falowód jest praktycznie bezstratny, częstotliwości poniżej częstotliwości odcięcia są poważnie tłumione.Tłumienie to wynika raczej z odbicia na ujściu falowodu niż z propagacji.
Sprzężenie falowodowe:
Sprzężenie falowodu zwykle następuje poprzez kołnierze, gdy elementy lub komponenty falowodu są ze sobą łączone.Zadaniem tego kołnierza jest zapewnienie sprawnego 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, zapobiegają wyciekom i zakłóceniom oraz utrzymują precyzyjne ustawienie falowodu, aby zapewnić wysoką niezawodną transmisję i precyzyjne pozycjonowanie fal elektromagnetycznych o częstotliwości.Typowy falowód ma kołnierz na każdym końcu, jak pokazano na rysunku 5.
rysunek 5 (a) kołnierz gładki; (b) sprzęgło kołnierzowe.
Przy niższych częstotliwościach kołnierz będzie lutowany lub przyspawany do falowodu, podczas gdy przy wyższych częstotliwościach używany jest bardziej płaski kołnierz.Kiedy dwie części są łączone, kołnierze są skręcone ze sobą, ale końce muszą być wykończone gładko, aby uniknąć nieciągłości w połączeniu.Oczywiście łatwiej jest prawidłowo ustawić elementy po dokonaniu pewnych regulacji, dlatego mniejsze falowody są czasami wyposażane w gwintowane kołnierze, które można skręcić ze sobą za pomocą nakrętki pierścieniowej.Wraz ze wzrostem częstotliwości rozmiar sprzężenia falowodu w naturalny sposób 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 poprzeczny sprzęgła dławiącego; (b) widok od końca kołnierza dławiącego
Aby rozwiązać ten problem, można pozostawić niewielką szczelinę pomiędzy falowodami, jak pokazano na rysunku 6. Sprzęgło dławikowe składające się ze zwykłego kołnierza i połączonego ze sobą kołnierza dławiącego.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 dławikowe 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 stycznia 2024 r
