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 импеданса 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 и к согласованию импедансов в волноводах.Отражения в волноводных системах могут привести к несогласованию импедансов.При возникновении ухудшения импеданса решение такое же, как и для линий передачи, то есть изменение требуемого значения. Сосредоточенный импеданс размещается в заранее рассчитанных точках волновода, чтобы преодолеть рассогласование, тем самым устраняя эффекты отражений.В то время как в линиях передачи используются сосредоточенные сопротивления 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 импедансов, принимающие любую из показанных форм и могут быть емкостными, индуктивными или резонансными.Математический анализ сложен, но физическое объяснение — нет.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, находящимися ближе друг к другу, поэтому емкость равна балл увеличивается.Напротив, металлический блок на рисунке 1b позволяет току течь там, где он раньше не текла.Из-за добавления металлического блока в плоскости ранее усиленного электрического поля будет течь ток.Поэтому в магнитном поле происходит накопление энергии и индуктивность в этой точке волновода увеличивается.Кроме того, если форма и положение металлического кольца на рисунке c спроектированы разумно, введенные индуктивное реактивное сопротивление и емкостное реактивное сопротивление будут равны, а апертура будет иметь параллельный резонанс.Это означает, что согласование импеданса и настройка основной моды очень хорошие, а шунтирующий эффект этой моды будет незначительным.Однако другие моды или частоты будут ослаблены, поэтому резонансное металлическое кольцо действует как полосовой фильтр и фильтр мод.
Рисунок 2: (а) волноводные стойки; (б) двухвинтовой согласователь
Другой способ настройки показан выше, когда цилиндрический металлический штырь проходит от одной из широких сторон в волновод, оказывая тот же эффект, что и металлическая полоса, 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 столбик слегка заходит в волновод, он обеспечивает емкостную проводимость в этой точке, и емкостная проводимость увеличивается до тех пор, пока проникновение не составит примерно четверть длины волны. В этот момент возникает последовательный резонанс. .Дальнейшее проникновение металлического штифта приводит к возникновению индуктивной проводимости, которая уменьшается по мере того, как введение становится более полным.Интенсивность резонанса в средней точке установки обратно пропорциональна диаметру колонны и может использоваться в качестве фильтра, однако в этом случае он используется как полосовой фильтр для пропускания мод более высокого порядка.По сравнению с увеличением импеданса металлических полос, основным преимуществом использования металлических штифтов является то, что их легко регулировать.Например, два винта можно использовать в качестве устройств настройки для достижения эффективного согласования волноводов.
Резистивные нагрузки и аттенюаторы:
Как и любая другая система передачи, волноводы иногда требуют идеального согласования импедансов и настроенных нагрузок, чтобы полностью поглощать входящие волны без отражения и быть нечувствительными к частоте.Одним из применений таких терминалов является проведение различных измерений мощности в системе без фактического излучения какой-либо мощности.
Рисунок 3. Сопротивление волновода. Нагрузка (а) с одинарным конусом (б) с двойным конусом.
Наиболее распространенным резистивным оконечным устройством является участок диэлектрика с потерями, установленный на конце волновода и сужающийся (наконечником, направленным в сторону падающей волны), чтобы не вызывать отражений.Эта среда с потерями может занимать всю ширину волновода или только центр конца волновода, как показано на рисунке 3. Конус может быть одинарным или двойным и обычно имеет длину λp/2, общей длиной примерно две длины волны.Обычно изготавливаются из диэлектрических пластин, например стекла, покрытых снаружи углеродной пленкой или жидким стеклом.Для приложений с высокой мощностью такие терминалы могут иметь радиаторы, добавленные к внешней стороне волновода, а мощность, подаваемая на терминал, может рассеиваться через радиатор или посредством принудительного воздушного охлаждения.
Рисунок 4. Подвижный лопастной глушитель
Диэлектрические аттенюаторы можно сделать съемными, как показано на рисунке 4. Размещенный в середине волновода, его можно перемещать вбок от центра волновода, где он будет обеспечивать наибольшее затухание, к краям, где затухание сильно снижается. поскольку напряженность электрического поля доминирующей моды значительно ниже.
Затухание в волноводе:
Затухание энергии волноводов в основном включает в себя следующие аспекты:
1. Отражения от внутренних разрывов волновода или несоосных участков волновода.
2. Потери, вызванные протеканием тока в стенках волновода.
3. Диэлектрические потери в заполненных волноводах
Последние два аналогичны соответствующим потерям в коаксиальных линиях и относительно невелики.Эти потери зависят от материала стены и ее шероховатости, используемого диэлектрика и частоты (из-за скин-эффекта).Для латунного кабелепровода диапазон составляет от 4 дБ/100 м на частоте 5 ГГц до 12 дБ/100 м на частоте 10 ГГц, но для алюминиевого кабелепровода 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.Чтобы уменьшить потери, особенно на самых высоких частотах, волноводы иногда покрываются (внутри) золотом или платиной.
Как уже указывалось, волновод действует как фильтр верхних частот.Хотя сам волновод практически не имеет потерь, частоты ниже частоты среза сильно ослабляются.Это затухание происходит из-за отражения в устье волновода, а не из-за распространения.
Волноводная связь:
Соединение волноводов обычно происходит через фланцы, когда части или компоненты волновода соединяются вместе.Функция этого фланца заключается в обеспечении плавного механического соединения и подходящих электрических свойств, в частности низкого внешнего излучения и низкого внутреннего отражения.
Фланец:
Волноводные фланцы широко используются в микроволновой связи, радиолокационных системах, спутниковой связи, антенных системах и лабораторном оборудовании при научных исследованиях.Они используются для соединения различных секций волновода, предотвращения утечек и помех, а также для поддержания точного выравнивания волновода, чтобы обеспечить высокую надежную передачу и точное позиционирование частотных электромагнитных волн.Типичный волновод имеет фланцы на каждом конце, как показано на рисунке 5.
Рисунок 5 (а) гладкий фланец; (б) фланцевая муфта.
На более низких частотах фланец припаивается или приваривается к волноводу, а на более высоких частотах используется более плоский фланец встык.При соединении двух деталей фланцы скрепляются болтами, но торцы должны быть обработаны ровно, чтобы избежать разрывов соединения.Очевидно, что правильно выровнять компоненты легче с помощью некоторых регулировок, поэтому волноводы меньшего размера иногда оснащаются фланцами с резьбой, которые можно соединить вместе с помощью кольцевой гайки.С увеличением частоты размер волноводной связи естественным образом уменьшается, а разрыв связи становится больше пропорционально длине волны сигнала и размеру волновода.Поэтому разрывы на более высоких частотах становятся более проблематичными.
Рисунок 6 (а) Поперечный разрез муфты дросселя; (б) вид с торца фланца дросселя
Для решения этой проблемы между волноводами можно оставить небольшой зазор, как показано на рисунке 6. Муфта-дроссель, состоящая из обычного фланца и фланца-дросселя, соединенных между собой.Для компенсации возможных несплошностей во фланце дросселя используется круглое дроссельное кольцо Г-образного сечения для достижения более плотного фитингового соединения.В отличие от обычных фланцев, дроссельные фланцы чувствительны к частоте, но оптимизированная конструкция может обеспечить разумную полосу пропускания (возможно, 10 % от центральной частоты), в которой КСВ не превышает 1,05.
Время публикации: 15 января 2024 г.
