Ako dosiahnuť impedančné prispôsobenie vlnovodov? Z teórie prenosových vedení v teórii mikropáskových antén vieme, že na dosiahnutie impedančného prispôsobenia medzi prenosovými vedeniami alebo medzi prenosovými vedeniami a záťažami je možné vybrať vhodné sériové alebo paralelné prenosové vedenia, aby sa dosiahol maximálny prenos výkonu a minimálne straty odrazom. Rovnaký princíp impedančného prispôsobenia v mikropáskových vedeniach platí aj pre impedančné prispôsobenie vo vlnovodoch. Odrazy vo vlnovodných systémoch môžu viesť k impedančným nesúladom. Keď dôjde k zhoršeniu impedancie, riešenie je rovnaké ako pre prenosové vedenia, teda zmena požadovanej hodnoty. Sústredená impedancia sa umiestni do vopred vypočítaných bodov vlnovodu, aby sa prekonal nesúlad, čím sa eliminujú účinky odrazov. Zatiaľ čo prenosové vedenia používajú sústredené impedancie alebo pahýle, vlnovody používajú kovové bloky rôznych tvarov.
obrázok 1: Clony vlnovodu a ekvivalentný obvod, (a) kapacitné; (b) indukčné; (c) rezonančné.
Obrázok 1 znázorňuje rôzne druhy impedančného prispôsobenia, ktoré môžu mať akúkoľvek z uvedených foriem a môžu byť kapacitné, indukčné alebo rezonančné. Matematická analýza je zložitá, ale fyzikálne vysvetlenie nie je. Pri pohľade na prvý kapacitný kovový pásik na obrázku je vidieť, že potenciál, ktorý existoval medzi hornou a dolnou stenou vlnovodu (v dominantnom móde), teraz existuje medzi dvoma kovovými povrchmi v bližšej blízkosti, takže kapacita sa zvyšuje. Naproti tomu kovový blok na obrázku 1b umožňuje prúdu tiecť tam, kde predtým netiekol. Vďaka pridaniu kovového bloku bude prúd tiecť v predtým zosilnenej rovine elektrického poľa. Preto dochádza k akumulácii energie v magnetickom poli a indukčnosť v tomto bode vlnovodu sa zvyšuje. Okrem toho, ak sú tvar a poloha kovového krúžku na obrázku c navrhnuté rozumne, zavedená indukčná a kapacitná reaktancia budú rovnaké a clona bude mať paralelnú rezonanciu. To znamená, že impedančné prispôsobenie a ladenie hlavného módu je veľmi dobré a posunovací účinok tohto módu bude zanedbateľný. Iné módy alebo frekvencie však budú utlmené, takže rezonančný kovový krúžok funguje ako pásmový filter aj ako módový filter.
obrázok 2: (a) vlnovodné stĺpiky; (b) dvojzávitovkový porovnávač
Ďalší spôsob ladenia je znázornený vyššie, kde valcový kovový stĺpik zasahuje z jednej zo širokých strán do vlnovodu a má rovnaký účinok ako kovový pásik, čo sa týka poskytovania sústredenej reaktancie v tomto bode. Kovový stĺpik môže byť kapacitný alebo indukčný, v závislosti od toho, ako ďaleko zasahuje do vlnovodu. V podstate táto metóda prispôsobovania spočíva v tom, že keď takýto kovový stĺpik mierne zasahuje do vlnovodu, poskytuje v tomto bode kapacitnú susceptanciu a kapacitná susceptancia sa zvyšuje, až kým penetrácia nedosiahne približne štvrtinu vlnovej dĺžky. V tomto bode dochádza k sériovej rezonancii. Ďalšie prenikanie kovového stĺpika vedie k indukčnej susceptancii, ktorá sa znižuje s úplnejším vložením. Intenzita rezonancie v strede inštalácie je nepriamo úmerná priemeru stĺpika a možno ju použiť ako filter, v tomto prípade sa však používa ako pásmový zádržný filter na prenos módov vyššieho rádu. V porovnaní so zvyšovaním impedancie kovových pásikov je hlavnou výhodou použitia kovových stĺpikov to, že sa dajú ľahko nastaviť. Napríklad, dve skrutky sa môžu použiť ako ladiace zariadenia na dosiahnutie efektívneho prispôsobenia vlnovodu.
Odporové záťaže a atenuátory:
Rovnako ako akýkoľvek iný prenosový systém, aj vlnovody niekedy vyžadujú dokonalé prispôsobenie impedancie a ladené záťaže, aby plne absorbovali prichádzajúce vlny bez odrazu a boli frekvenčne necitlivé. Jednou z aplikácií takýchto terminálov je vykonávanie rôznych meraní výkonu v systéme bez skutočného vyžarovania akéhokoľvek výkonu.
obrázok 3 odporové zaťaženie vlnovodu (a) jednoduché zúženie (b) dvojité zúženie
Najbežnejšie odporové zakončenie je úsek stratového dielektrika inštalovaný na konci vlnovodu a zužujúci sa (s hrotom smerom k prichádzajúcej vlne), aby nespôsoboval odrazy. Toto stratové médium môže zaberať celú šírku vlnovodu alebo môže zaberať iba stred konca vlnovodu, ako je znázornené na obrázku 3. Zúženie môže byť jednoduché alebo dvojité a typicky má dĺžku λp/2, s celkovou dĺžkou približne dvoch vlnových dĺžok. Zvyčajne sú vyrobené z dielektrických dosiek, ako je sklo, potiahnutých na vonkajšej strane uhlíkovou vrstvou alebo vodným sklom. Pre aplikácie s vysokým výkonom môžu mať takéto terminály na vonkajšej strane vlnovodu pridané chladiče a výkon dodávaný do terminálu sa môže rozptýliť cez chladič alebo prostredníctvom núteného chladenia vzduchom.
obrázok 4 Pohyblivý lopatkový tlmič
Dielektrické atenuátory je možné odstrániť, ako je znázornené na obrázku 4. Umiestnené v strede vlnovodu, je možné ich posúvať laterálne od stredu vlnovodu, kde poskytujú najväčší útlm, k okrajom, kde je útlm výrazne znížený, pretože sila elektrického poľa dominantného módu je oveľa nižšia.
Útlm vo vlnovode:
Útlm energie vlnovodov zahŕňa najmä tieto aspekty:
1. Odrazy od vnútorných diskontinuít vlnovodu alebo nesprávne zarovnaných častí vlnovodu
2. Straty spôsobené prúdom pretekajúcim stenami vlnovodu
3. Dielektrické straty v plnených vlnovodoch
Posledné dva sú podobné zodpovedajúcim stratám v koaxiálnych vedeniach a oba sú relatívne malé. Tieto straty závisia od materiálu steny a jej drsnosti, použitého dielektrika a frekvencie (v dôsledku skin efektu). Pre mosadzné rúrky je rozsah od 4 dB/100 m pri 5 GHz do 12 dB/100 m pri 10 GHz, ale pre hliníkové rúrky je rozsah nižší. Pre strieborné vlnovody sú straty typicky 8 dB/100 m pri 35 GHz, 30 dB/100 m pri 70 GHz a takmer 500 dB/100 m pri 200 GHz. Na zníženie strát, najmä pri najvyšších frekvenciách, sú vlnovody niekedy (zvnútra) pokovované zlatom alebo platinou.
Ako už bolo uvedené, vlnovod funguje ako hornopriepustný filter. Hoci samotný vlnovod je prakticky bezstratový, frekvencie pod medznou frekvenciou sú výrazne utlmené. Toto utlmenie je spôsobené skôr odrazom v ústí vlnovodu než šírením.
Vlnovodové prepojenie:
Spojenie vlnovodov sa zvyčajne vykonáva cez príruby, keď sa spájajú časti alebo komponenty vlnovodov. Funkciou tejto príruby je zabezpečiť hladké mechanické spojenie a vhodné elektrické vlastnosti, najmä nízke vonkajšie žiarenie a nízky vnútorný odraz.
Príruba:
Príruby vlnovodu sa široko používajú v mikrovlnnej komunikácii, radarových systémoch, satelitnej komunikácii, anténnych systémoch a laboratórnych zariadeniach vo vedeckom výskume. Používajú sa na spojenie rôznych častí vlnovodu, zabránenie úniku a rušeniu a na udržiavanie presného zarovnania vlnovodu, aby sa zabezpečil vysoko spoľahlivý prenos a presné polohovanie frekvenčných elektromagnetických vĺn. Typický vlnovod má na každom konci prírubu, ako je znázornené na obrázku 5.
obrázok 5 (a) hladká príruba; (b) prírubová spojka.
Pri nižších frekvenciách sa príruba spájkuje alebo zvarí s vlnovodom, zatiaľ čo pri vyšších frekvenciách sa používa plochejšia tupá príruba. Keď sa spájajú dva diely, príruby sa skrutkujú, ale konce musia byť hladko dokončené, aby sa predišlo diskontinuitám v spojení. Je samozrejme jednoduchšie správne zarovnať komponenty s určitými úpravami, preto sú menšie vlnovody niekedy vybavené závitovými prírubami, ktoré sa dajú skrutkovať pomocou krúžkovej matice. So zvyšujúcou sa frekvenciou sa veľkosť spojky vlnovodu prirodzene zmenšuje a diskontinuita spojky sa zväčšuje úmerne k vlnovej dĺžke signálu a veľkosti vlnovodu. Preto sa diskontinuity pri vyšších frekvenciách stávajú problematickejšími.
obrázok 6 (a) Prierez spojky tlmivky; (b) pohľad z konca na prírubu tlmivky
Na vyriešenie tohto problému je možné medzi vlnovodmi ponechať malú medzeru, ako je znázornené na obrázku 6. Spojka tlmivky pozostávajúca z bežnej príruby a tlmivkovej príruby spojenej dohromady. Na kompenzáciu možných diskontinuít sa v tlmivkovej prírube používa kruhový tlmivý krúžok s prierezom v tvare L, aby sa dosiahlo tesnejšie spojenie. Na rozdiel od bežných prírub sú tlmivkové príruby frekvenčne citlivé, ale optimalizovaná konštrukcia môže zabezpečiť primeranú šírku pásma (možno 10 % strednej frekvencie), nad ktorou SWR nepresiahne 1,05.
Čas uverejnenia: 15. januára 2024
