Як досягти узгодження імпедансу хвилеводів? З теорії ліній передачі в теорії мікросмужкових антен ми знаємо, що для досягнення узгодження імпедансу між лініями передачі або між лініями передачі та навантаженнями, щоб досягти максимальної передачі потужності та мінімальних втрат на відбиття, можна вибрати відповідні послідовні або паралельні лінії передачі. Той самий принцип узгодження імпедансу в мікросмужкових лініях застосовується до узгодження імпедансу в хвилеводах. Відбиття в хвилеводних системах можуть призвести до невідповідності імпедансу. Коли відбувається погіршення імпедансу, рішення таке ж, як і для ліній передачі, тобто зміна необхідного значення. Зосереджений імпеданс розміщується в попередньо розрахованих точках хвилеводу для подолання невідповідності, тим самим усуваючи вплив відбиттів. У той час як лінії передачі використовують зосереджені імпеданси або шлейфи, хвилеводи використовують металеві блоки різної форми.
рисунок 1: Діафрагми хвилеводу та еквівалентна схема, (a) ємнісна; (b) індуктивна; (c) резонансна.
На рисунку 1 показано різні види узгодження імпедансу, які можуть бути ємнісними, індуктивними або резонансними. Математичний аналіз є складним, але фізичне пояснення – ні. Розглядаючи першу ємнісну металеву смужку на рисунку, можна побачити, що потенціал, який існував між верхньою та нижньою стінками хвилеводу (у домінантному режимі), тепер існує між двома металевими поверхнями, що знаходяться ближче один до одного, тому ємність у точці збільшується. Навпаки, металевий блок на рисунку 1b дозволяє струму протікати там, де він раніше не протікав. Струм протікатиме в площині електричного поля, що раніше була посилена, завдяки додаванню металевого блоку. Таким чином, відбувається накопичення енергії в магнітному полі, а індуктивність у цій точці хвилеводу збільшується. Крім того, якщо форма та положення металевого кільця на рисунку c спроектовані розумно, індуктивний та ємнісний реактивні опори будуть рівними, а апертура буде паралельно резонансною. Це означає, що узгодження імпедансу та налаштування основного режиму дуже хороші, а шунтуючий ефект цього режиму буде незначним. Однак інші моди або частоти будуть ослаблені, тому резонансне металеве кільце діє як смуговий фільтр, так і модовий фільтр.
рисунок 2: (а) хвилеводні стійки; (б) двогвинтовий узгоджувач
Вище показано інший спосіб налаштування, де циліндричний металевий стовпчик простягається з однієї з широких сторін у хвилевід, маючи той самий ефект, що й металева смужка, з точки зору забезпечення зосередженого реактивного опору в цій точці. Металевий стовпчик може бути ємнісним або індуктивним, залежно від того, наскільки далеко він простягається в хвилевід. По суті, цей метод узгодження полягає в тому, що коли такий металевий стовпчик трохи простягається в хвилевід, він забезпечує ємнісну сприйнятливість у цій точці, і ємнісна сприйнятливість збільшується, доки проникнення не досягне приблизно чверті довжини хвилі. У цій точці виникає послідовний резонанс. Подальше проникнення металевого стовпчика призводить до забезпечення індуктивної сприйнятливості, яка зменшується по мірі повнішого введення. Інтенсивність резонансу в середній точці встановлення обернено пропорційна діаметру стовпчика і може використовуватися як фільтр, однак у цьому випадку він використовується як режекторний фільтр для передачі мод вищого порядку. Порівняно зі збільшенням імпедансу металевих смужок, основною перевагою використання металевих стовпчиків є те, що їх легко регулювати. Наприклад, два гвинти можна використовувати як настроювальні пристрої для досягнення ефективного узгодження хвилеводів.
Резистивні навантаження та атенюатори:
Як і будь-яка інша система передачі, хвилеводи іноді потребують ідеального узгодження імпедансу та налаштованих навантажень, щоб повністю поглинати вхідні хвилі без відбиття та бути нечутливими до частоти. Одним із застосувань таких терміналів є проведення різних вимірювань потужності в системі без фактичного випромінювання будь-якої потужності.
рис. 3 опір хвилеводу навантаження (a) одинарна конусність (b) подвійна конусність
Найпоширенішим резистивним завершенням є секція діелектрика з втратами, встановлена на кінці хвилеводу та звужена (кінчиком спрямованим до вхідної хвилі), щоб не викликати відбиття. Це середовище з втратами може займати всю ширину хвилеводу або лише центр кінця хвилеводу, як показано на рисунку 3. Звуження може бути одинарним або подвійним і зазвичай має довжину λp/2, із загальною довжиною приблизно двох довжин хвиль. Зазвичай виготовляються з діелектричних пластин, таких як скло, покритих вуглецевою плівкою або рідким склом зовні. Для застосувань з високою потужністю такі виводи можуть мати радіатори, додані до зовнішньої сторони хвилеводу, і потужність, що подається на вивід, може розсіюватися через радіатор або через примусове повітряне охолодження.
рис. 4 Рухома лопатева атенюаторна пластина
Діелектричні атенюатори можна зробити знімними, як показано на рисунку 4. Розміщені посередині хвилеводу, вони можуть переміщуватися вбік від центру хвилеводу, де вони забезпечуватимуть найбільше ослаблення, до країв, де ослаблення значно зменшується, оскільки напруженість електричного поля домінантної моди значно нижча.
Затухання у хвилеводі:
Згасання енергії хвилеводами включає в себе головним чином такі аспекти:
1. Відбиття від внутрішніх розривів хвилеводу або зміщених секцій хвилеводу
2. Втрати, спричинені струмом, що протікає через стінки хвилеводу
3. Діелектричні втрати в заповнених хвилеводах
Останні два подібні до відповідних втрат у коаксіальних лініях і обидва є відносно невеликими. Ці втрати залежать від матеріалу стінки та її шорсткості, використовуваного діелектрика та частоти (через скін-ефект). Для латунного трубопроводу діапазон становить від 4 дБ/100 м на частоті 5 ГГц до 12 дБ/100 м на частоті 10 ГГц, але для алюмінієвого трубопроводу діапазон нижчий. Для хвилеводів зі срібним покриттям втрати зазвичай становлять 8 дБ/100 м на частоті 35 ГГц, 30 дБ/100 м на частоті 70 ГГц і близько 500 дБ/100 м на частоті 200 ГГц. Щоб зменшити втрати, особливо на найвищих частотах, хвилеводи іноді покривають (зсередини) золотом або платиною.
Як уже зазначалося, хвилевід діє як фільтр високих частот. Хоча сам хвилевід практично не має втрат, частоти нижче граничної частоти сильно ослаблені. Це ослаблення зумовлене відбиттям на гирлі хвилеводу, а не поширенням.
Хвилеводне з'єднання:
З'єднання хвилеводів зазвичай відбувається через фланці, коли частини або компоненти хвилеводів з'єднуються разом. Функція цього фланця полягає в забезпеченні плавного механічного з'єднання та відповідних електричних властивостей, зокрема низького зовнішнього випромінювання та низького внутрішнього відбиття.
Фланець:
Фланці хвилеводу широко використовуються в мікрохвильовому зв'язку, радіолокаційних системах, супутниковому зв'язку, антенних системах та лабораторному обладнанні в наукових дослідженнях. Вони використовуються для з'єднання різних секцій хвилеводу, запобігання витокам та перешкодам, а також для підтримки точного вирівнювання хвилеводу для забезпечення високої надійності передачі та точного позиціонування електромагнітних хвиль певної частоти. Типовий хвилевід має фланець на кожному кінці, як показано на рисунку 5.
рисунок 5 (a) гладкий фланець; (b) фланцеве з'єднання.
На нижчих частотах фланець буде припаяний або приварений до хвилеводу, тоді як на вищих частотах використовується більш плоский стиковий фланець. Коли дві деталі з'єднуються, фланці скріплюються болтами, але кінці повинні бути гладко оброблені, щоб уникнути розривів у з'єднанні. Очевидно, що легше правильно вирівняти компоненти за допомогою деяких налаштувань, тому менші хвилеводи іноді оснащуються різьбовими фланцями, які можна скрутити разом за допомогою кільцевої гайки. Зі збільшенням частоти розмір з'єднання хвилеводу природно зменшується, а розрив з'єднання стає більшим пропорційно довжині хвилі сигналу та розміру хвилеводу. Тому розриви на вищих частотах стають більш проблематичними.
рисунок 6 (a) Поперечний переріз дросельної муфти; (b) вигляд з торця дросельного фланця
Щоб вирішити цю проблему, між хвилеводами можна залишити невеликий зазор, як показано на рисунку 6. Дросельна муфта, що складається зі звичайного фланця та дросельного фланця, з'єднаних разом. Для компенсації можливих розривів у дросельному фланці використовується кругле дросельне кільце з L-подібним поперечним перерізом для досягнення щільнішого з'єднання. На відміну від звичайних фланців, дросельні фланці чутливі до частоти, але оптимізована конструкція може забезпечити прийнятну смугу пропускання (можливо, 10% від центральної частоти), над якою КСВ не перевищує 1,05.
Час публікації: 15 січня 2024 р.
