Kako doseči ujemanje impedance valovodov?Iz teorije prenosnih vodov v teoriji mikrotrakastih anten vemo, da je mogoče izbrati ustrezne serijske ali vzporedne prenosne vode, da se doseže ujemanje impedance med prenosnimi vodi ali med prenosnimi vodi in bremeni, da se doseže največji prenos moči in najmanjša izguba odboja.Enako načelo ujemanja impedance v mikrotrakastih vodih velja za ujemanje impedance v valovodih.Odboji v valovodnih sistemih lahko povzročijo neusklajenost impedance.Ko pride do poslabšanja impedance, je rešitev enaka kot pri prenosnih vodih, to je sprememba zahtevane vrednosti. Pavšalna impedanca se postavi na vnaprej izračunane točke v valovodu, da se premaga neusklajenost, s čimer se odpravijo učinki odbojev.Medtem ko prenosni vodi uporabljajo strnjene impedance ali škrbine, valovod uporablja kovinske bloke različnih oblik.
slika 1: Zaslonke valovoda in enakovredno vezje, (a) kapacitivno; (b) induktivno; (c) resonančno.
Slika 1 prikazuje različne vrste ujemanja impedance v kateri koli od prikazanih oblik in je lahko kapacitivno, induktivno ali resonančno.Matematična analiza je zapletena, fizična razlaga pa ne.Če upoštevamo prvi kapacitivni kovinski trak na sliki, je razvidno, da potencial, ki je obstajal med zgornjo in spodnjo steno valovoda (v prevladujočem načinu), zdaj obstaja med dvema kovinskima površinama v neposredni bližini, tako da je kapacitivnost točka se poveča.V nasprotju s tem kovinski blok na sliki 1b omogoča tok teči tam, kjer prej ni tekel.Zaradi dodajanja kovinskega bloka bo tok potekal v predhodno izboljšani ravnini električnega polja.Zato pride do shranjevanja energije v magnetnem polju in induktivnost na tej točki valovoda se poveča.Poleg tega, če sta oblika in položaj kovinskega obroča na sliki c zasnovana razumno, bosta uvedena induktivna in kapacitivna reaktanca enaki, odprtina pa bo vzporedna resonanca.To pomeni, da je ujemanje impedance in nastavitev glavnega načina zelo dobro, učinek ranžiranja tega načina pa bo zanemarljiv.Vendar pa bodo drugi načini ali frekvence oslabljeni, zato resonančni kovinski obroč deluje kot pasovni filter in filter načinov.
slika 2: (a) stebri za valovode; (b) usklajevalnik z dvema vijakoma
Zgoraj je prikazan drug način uglaševanja, kjer se cilindrični kovinski drog razteza od ene od širokih strani v valovod in ima enak učinek kot kovinski trak v smislu zagotavljanja pavšalne reaktanse na tej točki.Kovinski drog je lahko kapacitiven ali induktiven, odvisno od tega, kako daleč sega v valovod.V bistvu je ta metoda ujemanja v tem, da ko se takšen kovinski steber nekoliko razširi v valovod, na tej točki zagotavlja kapacitivno susceptanco, kapacitivna susceptanca pa se povečuje, dokler penetracija ne doseže približno četrtine valovne dolžine. Na tej točki pride do serijske resonance .Nadaljnje prodiranje v kovinski steber ima za posledico induktivno susceptanco, ki se zmanjša, ko postane vstavitev popolnejša.Intenzivnost resonance pri namestitvi sredinske točke je obratno sorazmerna s premerom stebra in se lahko uporablja kot filter, vendar se v tem primeru uporablja kot pasovni filter za prenos načinov višjega reda.V primerjavi s povečanjem impedance kovinskih trakov je velika prednost uporabe kovinskih stebrov, da jih je enostavno nastaviti.Na primer, dva vijaka se lahko uporabita kot napravi za uglaševanje, da se doseže učinkovito ujemanje valovoda.
Uporovne obremenitve in dušilniki:
Tako kot kateri koli drug prenosni sistem tudi valovod včasih zahteva popolno ujemanje impedance in nastavljene obremenitve, da v celoti absorbirajo vhodne valove brez odboja in so neobčutljivi na frekvenco.Ena od aplikacij za takšne terminale je izvajanje različnih meritev moči v sistemu, ne da bi dejansko oddajali kakršno koli moč.
slika 3 uporna obremenitev valovoda (a) enojni konus (b) dvojni konus
Najpogostejši uporovni zaključek je del dielektrika z izgubami, nameščen na koncu valovoda in zožen (s konico usmerjeno proti vhodnemu valu), da ne povzroča odbojev.Ta izgubni medij lahko zasede celotno širino valovoda ali pa samo sredino konca valovoda, kot je prikazano na sliki 3. Konus je lahko enojni ali dvojni in ima običajno dolžino λp/2, s skupno dolžino približno dveh valovnih dolžin.Običajno iz dielektričnih plošč, kot je steklo, na zunanji strani prevlečenih z ogljikovim filmom ali vodnim steklom.Pri aplikacijah z visoko močjo imajo takšni terminali lahko na zunanji strani valovoda dodane hladilne odvode, moč, dovedena v terminal, pa se lahko razprši skozi hladilno telo ali prek prisilnega hlajenja z zrakom.
slika 4 Dušilnik premičnih lopatic
Dielektrične dušilnike je mogoče narediti odstranljive, kot je prikazano na sliki 4. Če jih postavite na sredino valovoda, jih lahko premaknete bočno od središča valovoda, kjer bodo zagotavljali največje slabljenje, do robov, kjer je slabljenje močno zmanjšano ker je električna poljska jakost prevladujočega načina veliko manjša.
Slabljenje v valovodu:
Slabljenje energije valovodov vključuje predvsem naslednje vidike:
1. Odboji od notranjih prekinitev valovoda ali neporavnanih odsekov valovoda
2. Izgube zaradi toka, ki teče v stenah valovoda
3. Dielektrične izgube v zapolnjenih valovodih
Zadnji dve sta podobni ustreznim izgubam v koaksialnih vodih in sta obe relativno majhni.Ta izguba je odvisna od materiala stene in njegove hrapavosti, uporabljenega dielektrika in frekvence (zaradi kožnega učinka).Pri medeninastem vodu je razpon od 4 dB/100 m pri 5 GHz do 12 dB/100 m pri 10 GHz, pri aluminijastem vodu pa je obseg nižji.Pri valovodih s srebrno prevleko 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.Da bi zmanjšali izgube, zlasti pri najvišjih frekvencah, so valovod včasih prevlečen (znotraj) z zlatom ali platino.
Kot že omenjeno, valovod deluje kot visokofrekvenčni filter.Čeprav je sam valovod skoraj brez izgub, so frekvence pod mejno frekvenco močno oslabljene.To slabljenje je posledica odboja na ustju valovoda in ne širjenja.
valovodna sklopka:
Sklapljanje valovoda običajno poteka skozi prirobnice, ko so kosi ali komponente valovoda spojeni skupaj.Funkcija te prirobnice je zagotoviti gladko mehansko povezavo in ustrezne električne lastnosti, zlasti nizko zunanje sevanje in nizek notranji odboj.
Prirobnica:
Prirobnice za valovode se pogosto uporabljajo v mikrovalovnih komunikacijah, radarskih sistemih, satelitskih komunikacijah, antenskih sistemih in laboratorijski opremi v znanstvenih raziskavah.Uporabljajo se za povezovanje različnih odsekov valovoda, zagotavljanje preprečevanja puščanja in motenj ter vzdrževanje natančne poravnave valovoda, da se zagotovi visoko zanesljiv prenos in natančno pozicioniranje frekvenčnih elektromagnetnih valov.Tipičen valovod ima prirobnico na vsakem koncu, kot je prikazano na sliki 5.
slika 5 (a) navadna prirobnica; (b) prirobnična sklopka.
Pri nižjih frekvencah bo prirobnica spajkana ali privarjena na valovod, pri višjih frekvencah pa bo uporabljena bolj ravna prirobnica.Ko sta spojena dva dela, sta prirobnici pritrjeni skupaj, vendar morajo biti konci gladko zaključeni, da se prepreči prekinitev povezave.Očitno je lažje pravilno poravnati komponente z nekaj prilagoditvami, zato so manjši valovod včasih opremljeni z navojnimi prirobnicami, ki jih je mogoče priviti skupaj z obročasto matico.Ko frekvenca narašča, se velikost sklopitve valovoda naravno zmanjša, prekinitev sklopitve pa postane večja sorazmerno z valovno dolžino signala in velikostjo valovoda.Zato postanejo prekinitve pri višjih frekvencah bolj težavne.
slika 6 (a) Prerez dušilne sklopke; (b) pogled s konca prirobnice dušilke
Da bi rešili to težavo, lahko med valovodoma pustite majhno vrzel, kot je prikazano na sliki 6. Dušilna sklopka, sestavljena iz navadne prirobnice in prirobnice dušilke, povezanih skupaj.Za kompenzacijo morebitnih prekinitev je v prirobnici dušilke uporabljen okrogel obroč dušilke s prečnim prerezom v obliki črke L, da se doseže tesnejša povezava.Za razliko od običajnih prirobnic so prirobnice z dušilko občutljive na frekvenco, vendar lahko optimizirana zasnova zagotovi primerno pasovno širino (morda 10 % osrednje frekvence), nad katero SWR ne preseže 1,05.
Čas objave: 15. januarja 2024
