Як досягти узгодження імпедансу хвилеводів?З теорії ліній передачі в теорії мікросмужкової антени ми знаємо, що можна вибрати відповідні послідовні або паралельні лінії передачі для досягнення узгодження імпедансу між лініями передачі або між лініями передачі та навантаженнями для досягнення максимальної передачі потужності та мінімальних втрат на відбиття.Той самий принцип узгодження імпедансу в мікросмужкових лініях застосовується до узгодження імпедансу в хвилеводах.Відображення в хвилеводних системах можуть призвести до неузгодженості імпедансів.У разі погіршення імпедансу рішення таке ж, як і для ліній електропередачі, тобто зміна необхідного значення. Зосереджений опір розміщується в попередньо розрахованих точках хвилеводу, щоб подолати неузгодженість, таким чином усуваючи ефекти відбиття.У той час як лінії електропередач використовують зосереджені імпеданси або шлейфи, хвилеводи використовують металеві блоки різної форми.
малюнок 1: хвилеводні діафрагми та еквівалентна схема, (a) ємнісний; (b) індуктивний; (c) резонансний.
На рисунку 1 показані різні види узгодження імпедансу в будь-якій із наведених форм і можуть бути ємнісними, індуктивними або резонансними.Математичний аналіз є складним, але фізичне пояснення – ні.Розглядаючи першу ємнісну металеву стрічку на малюнку, можна побачити, що потенціал, який існував між верхньою та нижньою стінками хвилеводу (у домінуючому режимі), тепер існує між двома металевими поверхнями, розташованими ближче, тому ємність дорівнює точка збільшується.Навпаки, металевий блок на малюнку 1b дозволяє струму текти там, де він не йшов раніше.Завдяки додаванню металевого блоку в площині попередньо розширеного електричного поля буде проходити струм.Тому накопичення енергії відбувається в магнітному полі, і індуктивність у цій точці хвилеводу збільшується.Крім того, якщо форма та положення металевого кільця на малюнку c розроблені розумно, введені індуктивний і ємнісний реактивний опір будуть рівними, а апертура матиме паралельний резонанс.Це означає, що узгодження імпедансу та налаштування основного режиму дуже хороші, а ефект шунтування цього режиму буде незначним.Однак інші моди або частоти будуть послаблені, тому резонансне металеве кільце діє і як смуговий фільтр, і як фільтр мод.
малюнок 2: (a) стовпи хвилеводу; (b) двогвинтовий узгоджувач
Інший спосіб налаштування показаний вище, де циліндричний металевий стовп тягнеться з однієї з широких сторін у хвилевід, маючи такий самий ефект, як і металева стрічка, з точки зору забезпечення зосередженого реактивного опору в цій точці.Металевий стовп 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 стовп злегка простягається в хвилевід, він забезпечує ємнісну сприйнятливість у цій точці, і ємнісна сприйнятливість збільшується, поки проникнення не становитиме приблизно чверть довжини хвилі. У цій точці виникає послідовний резонанс .Подальше проникнення в металевий штифт призводить до індуктивної сприйнятливості, яка зменшується, коли вставка стає більш повною.Інтенсивність резонансу в середній точці установки обернено пропорційна діаметру стовпа і може використовуватися як фільтр, однак, в цьому випадку він використовується як смуговий фільтр для передачі мод вищого порядку.Порівняно зі збільшенням імпедансу металевих смуг, основною перевагою використання металевих стовпів є те, що їх легко регулювати.Наприклад, два гвинти можна використовувати як пристрої налаштування для досягнення ефективного узгодження хвилеводів.
Опірні навантаження та аттенюатори:
Як і будь-яка інша система передачі, хвилеводам іноді потрібне ідеальне узгодження імпедансу та налаштовані навантаження, щоб повністю поглинати вхідні хвилі без відбиття та бути нечутливими до частоти.Одним із застосувань таких терміналів є проведення різноманітних вимірювань потужності в системі без фактичного випромінювання енергії.
малюнок 3 хвилеводне опірне навантаження (a) одинарний конус (b) подвійний конус
Найпоширенішим резистивним закінченням є діелектрик із втратами, встановлений на кінці хвилеводу та звужений (з кінчиком, спрямованим у бік вхідної хвилі), щоб не викликати відбиття.Це середовище з втратами може займати всю ширину хвилеводу або може займати лише центр кінця хвилеводу, як показано на малюнку 3. Конус може бути одинарним або подвійним і зазвичай має довжину λp/2, загальною довжиною приблизно дві довжини хвилі.Зазвичай виготовляється з діелектричних пластин, таких як скло, покрите зовні вуглецевою плівкою або рідким склом.Для застосування з високою потужністю такі термінали можуть мати радіатори, додані до зовнішньої частини хвилеводу, і потужність, що надходить до терміналу, може розсіюватися через радіатор або через примусове повітряне охолодження.
малюнок 4 Рухомий лопастний аттенюатор
Діелектричні аттенюатори можна зробити знімними, як показано на малюнку 4. Розміщені в середині хвилеводу, їх можна переміщати вбік від центру хвилеводу, де він забезпечить найбільше загасання, до країв, де загасання значно зменшується оскільки напруженість електричного поля домінуючої моди значно нижча.
Загасання в хвилеводі:
Ослаблення енергії хвилеводів в основному включає такі аспекти:
1. Відбиття від внутрішніх розривів хвилеводу або зміщених ділянок хвилеводу
2. Втрати від струму, що протікає в стінках хвилеводу
3. Діелектричні втрати в заповнених хвилеводах
Останні дві подібні до відповідних втрат у коаксіальних лініях і обидві відносно малі.Ці втрати залежать від матеріалу стінки та її шорсткості, використовуваного діелектрика та частоти (через скін-ефект).Для латунної труби діапазон становить від 4 дБ/100 м на 5 ГГц до 12 дБ/100 м на 10 ГГц, але для алюмінієвої труби діапазон нижчий.Для хвилеводів із срібним покриттям втрати зазвичай становлять 8 дБ/100 м на 35 ГГц, 30 дБ/100 м на 70 ГГц і близько 500 дБ/100 м на 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.Незважаючи на те, що сам хвилевід практично не має втрат, частоти, нижчі за частоту зрізу, сильно затухають.Це загасання пов’язане з відбиттям на гирлі хвилеводу, а не з поширенням.
Хвилевідний зв'язок:
З'єднання хвилеводів зазвичай відбувається через фланці, коли частини або компоненти хвилеводу 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 хвилеводів широко використовуються в мікрохвильовому зв'язку, радіолокаційних системах, супутниковому зв'язку, антенних системах і лабораторному обладнанні в наукових дослідженнях.Вони використовуються для з’єднання різних секцій хвилеводу, запобігання витоку та перешкод і підтримки точного вирівнювання хвилеводу для забезпечення високонадійної передачі та точного позиціонування електромагнітних хвиль частоти.Типовий хвилевід має фланець на кожному кінці, як показано на малюнку 5.
малюнок 5 (a) звичайний фланець; (b) фланцева муфта.
На нижчих частотах фланець буде спаяний або приварений до хвилеводу, тоді як на високих частотах використовується плоский плоский фланець.Коли дві частини з’єднуються, фланці з’єднуються болтами, але кінці повинні бути оброблені гладко, щоб уникнути розривів у з’єднанні.Очевидно, легше правильно вирівняти компоненти за допомогою деяких налаштувань, тому менші хвилеводи іноді оснащені різьбовими фланцями, які можна згвинтити разом кільцевою гайкою.Зі збільшенням частоти розмір зв’язку хвилеводу природним чином зменшується, а розрив зв’язку стає більшим пропорційно довжині хвилі сигналу та розміру хвилеводу.Тому розриви на вищих частотах стають більш неприємними.
малюнок 6 (a) Поперечний переріз муфти дроселя; (b) вид з торця фланця дроселя
Щоб вирішити цю проблему, між хвилеводами можна залишити невеликий зазор, як показано на малюнку 6. Дросельна муфта, що складається із звичайного фланця та фланця дроселя, з’єднаних разом.Для компенсації можливих розривів у фланці дроселя використовується кругле дросельне кільце з L-подібним поперечним перерізом для досягнення більш щільного 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), при якій КСВ не перевищує 1,05.
Час публікації: 15 січня 2024 р
