Как добиться согласования импедансов волноводов? Из теории линий передачи в теории микрополосковых антенн мы знаем, что можно выбрать соответствующие последовательные или параллельные линии передачи для достижения согласования импедансов между линиями передачи или между линиями передачи и нагрузками для достижения максимальной передачи мощности и минимальных потерь на отражение. Тот же принцип согласования импедансов в микрополосковых линиях применим к согласованию импедансов в волноводах. Отражения в волноводных системах могут привести к рассогласованию импедансов. Когда происходит ухудшение импеданса, решение такое же, как и для линий передачи, то есть изменение требуемого значения Сосредоточенное импеданс размещается в заранее рассчитанных точках волновода для преодоления рассогласования, тем самым устраняя влияние отражений. В то время как линии передачи используют сосредоточенные импедансы или шлейфы, волноводы используют металлические блоки различной формы.
Рисунок 1: Диаграммы волноводов и эквивалентная схема, (а) емкостная; (б) индуктивная; (в) резонансная.
На рисунке 1 показаны различные виды согласования импеданса, принимающие любую из показанных форм и могущие быть емкостными, индуктивными или резонансными. Математический анализ сложен, но физическое объяснение не таково. Рассматривая первую емкостную металлическую полоску на рисунке, можно увидеть, что потенциал, который существовал между верхней и нижней стенками волновода (в доминирующей моде), теперь существует между двумя металлическими поверхностями, находящимися ближе друг к другу, поэтому емкость Точка увеличивается. Напротив, металлический блок на рисунке 1b позволяет току течь там, где он раньше не текал. Ток будет течь в ранее усиленной плоскости электрического поля из-за добавления металлического блока. Следовательно, накопление энергии происходит в магнитном поле, и индуктивность в этой точке волновода увеличивается. Кроме того, если форма и положение металлического кольца на рисунке c спроектированы разумно, то введенные индуктивное и емкостное сопротивления будут равны, и апертура будет находиться в параллельном резонансе. Это означает, что согласование импеданса и настройка основного режима очень хороши, а шунтирующий эффект этого режима будет пренебрежимо мал. Однако другие моды или частоты будут ослаблены, поэтому резонансное металлическое кольцо действует как полосовой фильтр и как модовый фильтр.
рисунок 2: (а) волноводные стойки; (б) двухвинтовой согласующий элемент
Другой способ настройки показан выше, где цилиндрический металлический штырь выступает из одной из широких сторон в волновод, оказывая тот же эффект, что и металлическая полоска, с точки зрения обеспечения сосредоточенного реактивного сопротивления в этой точке. Металлический штырь может быть емкостным или индуктивным, в зависимости от того, насколько далеко он входит в волновод. По сути, этот метод согласования заключается в том, что когда такой металлический штырь немного входит в волновод, он обеспечивает емкостную проводимость в этой точке, и емкостная проводимость увеличивается до тех пор, пока проникновение не составит около четверти длины волны. В этой точке происходит последовательный резонанс. Дальнейшее проникновение металлического штыря приводит к обеспечению индуктивной проводимости, которая уменьшается по мере того, как вставка становится более полной. Интенсивность резонанса в средней точке установки обратно пропорциональна диаметру столбика и может быть использована в качестве фильтра, однако в данном случае он используется как полосовой фильтр для пропускания мод более высокого порядка. По сравнению с увеличением импеданса с помощью металлических полос, важное преимущество использования металлических штифтов заключается в простоте их регулировки. Например, два винта можно использовать в качестве настроечных устройств для достижения эффективного согласования волноводов.
Резистивные нагрузки и аттенюаторы:
Как и любые другие системы передачи данных, волноводы иногда требуют идеального согласования импеданса и настроенных нагрузок для полного поглощения входящих волн без отражения и обеспечения частотной нечувствительности. Одним из применений таких терминалов является проведение различных измерений мощности в системе без фактического излучения.
Рисунок 3. Сопротивление нагрузки волновода (а) с одним конусом (б) с двумя конусами
Наиболее распространённое резистивное окончание представляет собой секцию диэлектрика с потерями, установленную на конце волновода и суженную (концом к падающей волне) так, чтобы не вызывать отражений. Эта среда с потерями может занимать всю ширину волновода или только центральную часть конца волновода, как показано на рисунке 3. Окончание может быть одинарным или двойным и обычно имеет длину λp/2, с общей длиной приблизительно в две длины волны. Обычно оно изготавливается из диэлектрических пластин, таких как стекло, покрытое снаружи углеродной плёнкой или жидким стеклом. Для приложений высокой мощности такие терминалы могут иметь радиаторы, добавленные к внешней стороне волновода, и мощность, подаваемая на терминал, может рассеиваться через радиатор или посредством принудительного воздушного охлаждения.
рисунок 4. Подвижный лопастной аттенюатор
Диэлектрические аттенюаторы можно сделать съемными, как показано на рисунке 4. Расположенный в середине волновода, он может перемещаться в поперечном направлении от центра волновода, где он обеспечит наибольшее затухание, к краям, где затухание значительно уменьшается, поскольку напряженность электрического поля доминирующей моды значительно ниже.
Затухание в волноводе:
Затухание энергии волноводов в основном включает следующие аспекты:
1. Отражения от внутренних неоднородностей волновода или несоосных участков волновода
2. Потери, вызванные протеканием тока в стенках волновода
3. Диэлектрические потери в заполненных волноводах
Последние два значения аналогичны соответствующим потерям в коаксиальных линиях и относительно невелики. Эти потери зависят от материала стенки и её шероховатости, используемого диэлектрика и частоты (из-за скин-эффекта). Для латунного кабеля диапазон потерь составляет от 4 дБ/100 м на частоте 5 ГГц до 12 дБ/100 м на частоте 10 ГГц, но для алюминиевого кабеля диапазон меньше. Для волноводов с серебряным покрытием потери обычно составляют 8 дБ/100 м на частоте 35 ГГц, 30 дБ/100 м на частоте 70 ГГц и около 500 дБ/100 м на частоте 200 ГГц. Для снижения потерь, особенно на самых высоких частотах, волноводы иногда покрываются (изнутри) золотом или платиной.
Как уже отмечалось, волновод действует как фильтр верхних частот. Хотя сам волновод практически не имеет потерь, частоты ниже частоты среза значительно ослабляются. Это ослабление обусловлено отражением от устья волновода, а не распространением.
Волноводная связь:
Соединение волноводов обычно осуществляется посредством фланцев при соединении частей или компонентов волновода. Функция этих фланцев — обеспечить плавное механическое соединение и необходимые электрические характеристики, в частности, низкий уровень внешнего излучения и внутреннего отражения.
Фланец:
Фланцы волноводов широко используются в микроволновой связи, радиолокационных системах, спутниковой связи, антенных системах и лабораторном оборудовании для научных исследований. Они служат для соединения различных секций волновода, предотвращения утечек и помех, а также для точного совмещения волновода, обеспечивая высоконадежную передачу и точное позиционирование электромагнитных волн различной частоты. Типичный волновод имеет фланцы на каждом конце, как показано на рисунке 5.
рисунок 5 (а) простой фланец; (б) фланцевое соединение.
На более низких частотах фланец припаивается к волноводу пайкой или сваркой, а на более высоких частотах используется более плоский фланец встык. При соединении двух частей фланцы скрепляются болтами, но торцы должны быть гладко обработаны, чтобы избежать разрывов соединения. Очевидно, что правильно выровнять компоненты проще с помощью некоторой регулировки, поэтому волноводы меньшего размера иногда оснащаются резьбовыми фланцами, которые можно скрепить кольцевой гайкой. С ростом частоты размер сопряжения волновода естественным образом уменьшается, и разрыв связи увеличивается пропорционально длине волны сигнала и размеру волновода. Следовательно, разрывы на более высоких частотах становятся более проблематичными.
рисунок 6 (а) Поперечное сечение штуцерной муфты; (б) вид с торца штуцерного фланца
Для решения этой проблемы можно оставить небольшой зазор между волноводами, как показано на рисунке 6. Дроссельная муфта состоит из обычного фланца и фланца дросселя, соединённых вместе. Для компенсации возможных неоднородностей во фланце дросселя используется круглое дроссельное кольцо с Г-образным сечением, обеспечивающее более плотное прилегание. В отличие от обычных фланцев, дроссельные фланцы чувствительны к частоте, но оптимизированная конструкция может обеспечить приемлемую полосу пропускания (возможно, 10% от центральной частоты), в которой КСВ не превышает 1,05.
Время публикации: 15 января 2024 г.
