Как добиться согласования импедансов волноводов? Из теории линий передачи в теории микрополосковых антенн известно, что для достижения согласования импедансов между линиями передачи или между линиями передачи и нагрузками можно выбрать соответствующие последовательные или параллельные линии передачи, чтобы обеспечить максимальную передачу мощности и минимальные потери на отражение. Тот же принцип согласования импедансов, что и в микрополосковых линиях, применим и к согласованию импедансов в волноводах. Отражения в волноводных системах могут приводить к несоответствию импедансов. При ухудшении импеданса решение такое же, как и для линий передачи, то есть изменение требуемого значения сосредоточенного импеданса в предварительно рассчитанных точках волновода для преодоления несоответствия, тем самым устраняя эффекты отражений. В то время как в линиях передачи используются сосредоточенные импедансы или шлейфы, в волноводах используются металлические блоки различной формы.
Рисунок 1: Волноводные диафрагмы и эквивалентная схема, (а) емкостная; (б) индуктивная; (в) резонансная.
На рисунке 1 показаны различные виды согласования импеданса, принимающие любую из показанных форм и могут быть емкостными, индуктивными или резонансными. Математический анализ сложен, но физическое объяснение несложно. Рассматривая первую емкостную металлическую полоску на рисунке, можно увидеть, что потенциал, существовавший между верхней и нижней стенками волновода (в доминирующем режиме), теперь существует между двумя металлическими поверхностями, расположенными ближе друг к другу, поэтому емкость в этой точке увеличивается. В отличие от этого, металлический блок на рисунке 1b позволяет току течь там, где он раньше не тек. Благодаря добавлению металлического блока в плоскости ранее усиленного электрического поля будет протекать ток. Следовательно, происходит накопление энергии 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 реактивные сопротивления будут равны, и апертура будет находиться в параллельном резонансе. Это означает, что согласование импеданса и настройка основной моды очень хороши, и шунтирующий эффект этой моды будет незначительным. Однако другие моды или частоты будут затухать, поэтому резонансное металлическое кольцо действует как полосовой фильтр и фильтр мод.
Рисунок 2: (а) стойки волновода; (б) двухвинтовой согласующий механизм.
Другой способ настройки показан выше, где цилиндрический металлический столбик выступает из одной из широких сторон волновода, оказывая тот же эффект, что и металлическая полоска, в плане создания сосредоточенного реактивного сопротивления в этой точке. Металлический столбик может быть емкостным или индуктивным, в зависимости от того, насколько глубоко он входит в волновод. По сути, этот метод согласования заключается в том, что когда такой металлический столбик немного выступает в волновод, он создает емкостную проводимость в этой точке, и емкостная проводимость увеличивается до тех пор, пока глубина проникновения не достигнет примерно четверти длины волны. В этой точке возникает последовательный резонанс. Дальнейшее проникновение металлического столбика приводит к созданию индуктивной проводимости, которая уменьшается по мере более полного проникновения. Интенсивность резонанса в средней точке установки обратно пропорциональна диаметру столбика и может использоваться в качестве фильтра, однако в данном случае он используется в качестве полосового фильтра для передачи мод более высокого порядка. По сравнению с увеличением импеданса с помощью металлических полосок, основным преимуществом использования металлических столбиков является простота их регулировки. Например, два винта можно использовать в качестве настроечных устройств для достижения эффективного согласования волновода.
Резистивные нагрузки и аттенюаторы:
Как и любая другая система передачи, волноводы иногда требуют идеального согласования импедансов и настроенных нагрузок для полного поглощения входящих волн без отражения и для обеспечения нечувствительности к частоте. Одним из применений таких терминалов является проведение различных измерений мощности в системе без фактического излучения какой-либо мощности.
Рисунок 3. Сопротивление волновода нагрузки: (a) одинарный конус (b) двойной конус
Наиболее распространенным резистивным оконечностью является участок диэлектрика с потерями, установленный на конце волновода и имеющий коническую форму (с вершиной, направленной к входящей волне), чтобы не вызывать отражений. Эта среда с потерями может занимать всю ширину волновода или только центр его конца, как показано на рисунке 3. Конусность может быть одинарной или двойной и обычно имеет длину λp/2, при общей длине приблизительно двух длин волн. Обычно изготавливается из диэлектрических пластин, таких как стекло, покрытых снаружи углеродной пленкой или жидкое стекло. Для мощных применений такие клеммы могут иметь радиаторы, установленные снаружи волновода, и мощность, подаваемая на клемму, может рассеиваться через радиатор или посредством принудительного воздушного охлаждения.
Рисунок 4. Аттенюатор с подвижной лопастью.
Диэлектрические аттенюаторы могут быть съемными, как показано на рисунке 4. Размещенные в середине волновода, они могут перемещаться вбок от центра волновода, где обеспечивают наибольшее затухание, к краям, где затухание значительно уменьшается, поскольку напряженность электрического поля доминирующей моды намного ниже.
Затухание в волноводе:
Затухание энергии в волноводах в основном включает следующие аспекты:
1. Отражения от внутренних разрывов волновода или смещенных участков волновода.
2. Потери, вызванные протеканием тока в стенках волновода.
3. Диэлектрические потери в заполненных волноводах
Последние два параметра аналогичны соответствующим потерям в коаксиальных линиях и оба относительно невелики. Эти потери зависят от материала стенки и ее шероховатости, используемого диэлектрика и частоты (из-за скин-эффекта). Для латунных труб диапазон составляет от 4 дБ/100 м на частоте 5 ГГц до 12 дБ/100 м на частоте 10 ГГц, но для алюминиевых труб диапазон ниже. 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 уменьшения потерь, особенно на самых высоких частотах, волноводы иногда покрывают (внутри) золотом или платиной.
Как уже отмечалось, волновод действует как фильтр верхних частот. Хотя сам волновод практически не имеет потерь, частоты ниже частоты среза сильно ослабляются. Это ослабление происходит из-за отражения у входа в волновод, а не из-за распространения сигнала.
Волноводное соединение:
Соединение волноводов обычно происходит через фланцы при соединении частей или компонентов волновода. Функция этого фланца заключается в обеспечении надежного механического соединения и подходящих электрических свойств, в частности, низкого внешнего излучения и низкого внутреннего отражения.
Фланец:
Фланцы волноводов широко используются в микроволновой связи, радиолокационных системах, спутниковой связи, антенных системах и лабораторном оборудовании в научных исследованиях. Они используются для соединения различных секций волновода, предотвращения утечек и помех, а также для поддержания точного выравнивания волновода, что обеспечивает высоконадежную передачу и точное позиционирование электромагнитных волн высокой частоты. Типичный волновод имеет фланец на каждом конце, как показано на рисунке 5.
Рисунок 5 (а) простой фланец; (б) фланцевое соединение.
На низких частотах фланец припаивается или приваривается к волноводу, тогда как на высоких частотах используется более плоский фланцевый соединитель. При соединении двух деталей фланцы скрепляются болтами, но концы должны быть гладко обработаны, чтобы избежать разрывов в соединении. Очевидно, что правильно выровнять компоненты проще с помощью некоторых регулировок, поэтому волноводы меньшего размера иногда оснащаются резьбовыми фланцами, которые можно скрутить вместе с помощью кольцевой гайки. С увеличением частоты размер волноводного соединения естественным образом уменьшается, и разрыв в соединении становится больше пропорционально длине волны сигнала и размеру волновода. Следовательно, разрывы на более высоких частотах становятся более проблематичными.
Рисунок 6 (а) Поперечное сечение дроссельного соединения; (б) вид с торца дроссельного фланца.
Для решения этой проблемы можно оставить небольшой зазор между волноводами, как показано на рисунке 6. Дроссельное соединение состоит из обычного фланца и фланца дросселя, соединенных вместе. Для компенсации возможных разрывов во фланце дросселя используется круглое дроссельное кольцо с L-образным поперечным сечением для обеспечения более плотного соединения. В отличие от обычных фланцев, фланцы дросселя чувствительны к частоте, но оптимизированная конструкция может обеспечить разумную полосу пропускания (возможно, 10% от центральной частоты), в которой КСВ не превышает 1,05.
Дата публикации: 15 января 2024 г.
