Kako doseči impedančno ujemanje valovodov? Iz teorije daljnovodov v teoriji mikrotrakastih anten vemo, da je mogoče izbrati ustrezne serijske ali vzporedne daljnovode za doseganje impedančnega ujemanja med daljnovodi ali med daljnovodi in bremeni, da se doseže največji prenos moči in minimalna izguba zaradi odboja. Isto načelo impedančnega ujemanja v mikrotrakastih vodih velja tudi za impedančno ujemanje v valovodih. Odboji v valovodnih sistemih lahko povzročijo impedančna neusklajevanja. Ko pride do poslabšanja impedance, je rešitev enaka kot pri daljnovodih, to je sprememba zahtevane vrednosti. Združena impedanca se namesti na vnaprej izračunane točke v valovodu, da se premaga neusklajenost in s tem odpravijo učinki odbojev. Medtem ko daljnovodi uporabljajo združene impedance ali priključke, valovodi uporabljajo kovinske bloke različnih oblik.
slika 1: Zaslonke valovoda in ekvivalentno vezje, (a) kapacitivno; (b) induktivno; (c) resonančno.
Slika 1 prikazuje različne vrste impedančnega ujemanja, ki lahko prevzamejo katero koli od prikazanih oblik in so lahko kapacitivna, induktivna ali resonančna. Matematična analiza je zapletena, fizikalna razlaga pa ne. Če upoštevamo prvi kapacitivni kovinski trak na sliki, lahko vidimo, da potencial, ki je obstajal med zgornjo in spodnjo steno valovoda (v dominantnem načinu), zdaj obstaja med dvema kovinskima površinama v večji bližini, zato se kapacitivnost poveča. Točka pa poveča kovinski blok na sliki 1b. Nasprotno pa kovinski blok na sliki 1b omogoča, da tok teče tja, kjer prej ni tekel. Zaradi dodatka kovinskega bloka bo tok tekel v prej okrepljeni ravnini električnega polja. Zato se v magnetnem polju shrani energija, induktivnost na tej točki valovoda pa se poveča. Poleg tega, če sta oblika in položaj kovinskega obroča na sliki c zasnovana razumno, bosta vnesena induktivna in kapacitivna reaktanca enaki, odprtina pa bo vzporedno resonančna. To pomeni, da je impedančno ujemanje in uglaševanje glavnega načina zelo dobro, učinek premostitve tega načina pa bo zanemarljiv. Vendar pa bodo drugi načini ali frekvence oslabljeni, zato resonančni kovinski obroč deluje tako kot pasovni filter kot tudi kot načinni filter.
slika 2: (a) valovodni stebri; (b) dvovijačni ujemalni element
Zgoraj je prikazan drug način uglaševanja, kjer se valjasti kovinski steber razteza z ene od širokih stranic v valovod in ima enak učinek kot kovinski trak, saj zagotavlja strnjeno reaktanco na tej točki. Kovinski steber je lahko kapacitiven ali induktiven, odvisno od tega, kako daleč sega v valovod. V bistvu ta metoda ujemanja temelji na tem, da ko se tak kovinski steber rahlo razteza v valovod, zagotavlja kapacitivno susceptanco na tej točki, ki se povečuje, dokler penetracija ne doseže približno četrtine valovne dolžine. Na tej točki pride do serijske resonance. Nadaljnja penetracija kovinskega stebra povzroči induktivno susceptanco, ki se zmanjšuje, ko je vstavljanje popolnejše. Intenzivnost resonance na srednji točki namestitve je obratno sorazmerna s premerom stebra in se lahko uporabi kot filter, vendar se v tem primeru uporablja kot pasovni filter za prenos modov višjega reda. V primerjavi s povečanjem impedance kovinskih trakov je glavna prednost uporabe kovinskih stebrov ta, da jih je enostavno nastaviti. Na primer, dva vijaka se lahko uporabita kot nastavitveni napravi za doseganje učinkovitega ujemanja valovoda.
Uporne obremenitve in atenuatorji:
Kot kateri koli drug prenosni sistem tudi valovodni sistemi včasih zahtevajo popolno impedančno usklajevanje in uglašene obremenitve, da v celoti absorbirajo dohodne valove brez odboja in so frekvenčno neobčutljivi. Ena od uporab takšnih terminalov je izvajanje različnih meritev moči v sistemu, ne da bi dejansko sevali kakršno koli moč.
slika 3 upornost valovoda (a) enojna zožitev (b) dvojna zožitev
Najpogostejši uporovni zaključek je odsek izgubnega dielektrika, nameščen na koncu valovoda in zožen (s konico, usmerjeno proti prihajajočemu valu), da ne povzroča odbojev. Ta izgubni medij lahko zaseda celotno širino valovoda ali pa le središče konca valovoda, kot je prikazano na sliki 3. Zoženje je lahko enojno ali dvojno in ima običajno dolžino λp/2, s skupno dolžino približno dveh valovnih dolžin. Običajno so izdelani iz dielektričnih plošč, kot so steklo, prevlečenih z ogljikovo folijo ali vodnim steklom na zunanji strani. Za aplikacije z veliko močjo imajo lahko takšni priključki na zunanjo stran valovoda dodane hladilne odvode, moč, ki se dovaja v priključek, pa se lahko razprši skozi hladilni odvod ali s prisilnim hlajenjem z zrakom.
slika 4 Premični krilni atenuator
Dielektrične atenuatorje je mogoče odstraniti, kot je prikazano na sliki 4. Nameščeni so na sredini valovoda in jih je mogoče premikati bočno od središča valovoda, kjer zagotavljajo največje slabljenje, do robov, kjer se slabljenje močno zmanjša, saj je jakost električnega polja dominantnega načina veliko nižja.
Slabljenje v valovodu:
Slabljenje energije valovodov vključuje predvsem naslednje vidike:
1. Odboji od notranjih prekinitev valovoda ali nepravilno poravnanih odsekov valovoda
2. Izgube, ki jih povzroča tok, ki teče skozi stene valovoda
3. Dielektrične izgube v napolnjenih valovodih
Zadnji dve sta podobni ustreznim izgubam v koaksialnih vodih in sta obe relativno majhni. Ta izguba je odvisna od materiala stene in njene hrapavosti, uporabljenega dielektrika in frekvence (zaradi skin efekta). Za medeninaste cevi je razpon od 4 dB/100 m pri 5 GHz do 12 dB/100 m pri 10 GHz, za aluminijaste cevi pa je razpon nižji. Pri posrebrenih valovodih so izgube običajno 8 dB/100 m pri 35 GHz, 30 dB/100 m pri 70 GHz in blizu 500 dB/100 m pri 200 GHz. Za zmanjšanje izgub, zlasti pri najvišjih frekvencah, so valovodi včasih (znotraj) prevlečeni z zlatom ali platino.
Kot smo že omenili, valovod deluje kot visokoprepustni filter. Čeprav je valovod sam praktično brez izgub, so frekvence pod mejno frekvenco močno oslabljene. To slabljenje je posledica odboja na ustju valovoda in ne širjenja.
Valovodna sklopka:
Do spajanja valovodov običajno pride prek prirobnic, ko so kosi ali komponente valovodov spojene skupaj. Funkcija te prirobnice je zagotoviti gladko mehansko povezavo in ustrezne električne lastnosti, zlasti nizko zunanje sevanje in nizek notranji odboj.
Prirobnica:
Prirobnice valovodov se pogosto uporabljajo v mikrovalovnih komunikacijah, radarskih sistemih, satelitskih komunikacijah, antenskih sistemih in laboratorijski opremi v znanstvenih raziskavah. Uporabljajo se za povezovanje različnih delov valovoda, preprečevanje uhajanja in motenj ter za vzdrževanje natančne poravnave valovoda, da se zagotovi visoko zanesljiv prenos in natančno pozicioniranje frekvenčnih elektromagnetnih valov. Tipičen valovod ima na vsakem koncu prirobnico, kot je prikazano na sliki 5.
slika 5 (a) navadna prirobnica; (b) prirobnična spojka.
Pri nižjih frekvencah bo prirobnica spajkana ali privarjena na valovod, medtem ko se pri višjih frekvencah uporabi bolj ploska prirobnica. Ko sta dva dela spojena, sta prirobnici spojeni z vijaki, vendar morajo biti konci gladko obdelani, da se izognemo prekinitevm v povezavi. Očitno je komponente lažje pravilno poravnati z nekaj prilagoditvami, zato so manjši valovodi včasih opremljeni z navojnimi prirobnicami, ki jih je mogoče priviti skupaj z obročasto matico. Z naraščanjem frekvence se velikost sklopke valovoda naravno zmanjšuje, prekinitev sklopke pa se povečuje sorazmerno z valovno dolžino signala in velikostjo valovoda. Zato postanejo prekinitve pri višjih frekvencah bolj problematične.
slika 6 (a) Prečni prerez dušilne spojke; (b) pogled s konca dušilne prirobnice
Za rešitev te težave lahko med valovodoma pustimo majhno režo, kot je prikazano na sliki 6. Dušilna sklopka je sestavljena iz navadne prirobnice in dušilne prirobnice, ki sta povezani skupaj. Za kompenzacijo morebitnih prekinitev se v dušilni prirobnici uporablja krožni dušilni obroč s prečnim prerezom v obliki črke L, da se doseže tesnejša povezava. Za razliko od navadnih prirobnic so dušilne prirobnice frekvenčno občutljive, vendar lahko optimizirana zasnova zagotovi razumno pasovno širino (morda 10 % osrednje frekvence), nad katero SWR ne presega 1,05.
Čas objave: 15. januar 2024
