Как добиться согласования импеданса 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 импеданса в микрополосковых линиях применяется к согласованию импеданса в волноводах. Отражения в волноводных системах могут привести к несоответствию импеданса. Когда происходит ухудшение импеданса, решение такое же, как и для линий передачи, то есть изменение требуемого значения. Сосредоточенное импеданс помещается в предварительно рассчитанные точки в волноводе для преодоления несоответствия, тем самым устраняя эффекты отражений. В то время как линии передачи используют сосредоточенные импедансы или шлейфы, волноводы используют металлические блоки различной формы.
Рисунок 1: Волноводные диафрагмы и эквивалентная схема, (a) емкостная; (b) индуктивная; (c) 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 — нет. Рассматривая первую емкостную металлическую полоску на рисунке, можно увидеть, что потенциал, который существовал между верхней и нижней стенками волновода (в доминирующем режиме), теперь существует между двумя металлическими поверхностями в более близком расстоянии, поэтому емкость Точка увеличивается. Напротив, металлический блок на рисунке 1b позволяет току течь там, где он раньше не текал. Будет ток в ранее улучшенной плоскости электрического поля из-за добавления металлического блока. Следовательно, накопление энергии происходит в магнитном поле, а 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 основного режима очень хороши, а шунтирующий эффект этого режима будет незначительным. Однако другие режимы или частоты будут ослаблены, поэтому резонансное металлическое кольцо действует как полосовой фильтр и как фильтр мод.
рисунок 2:(a)волноводные стойки;(b)двухвинтовой согласующий элемент
Другой способ настройки показан выше, где цилиндрический металлический столб простирается от 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 столб может быть емкостным или индуктивным, в зависимости от того, насколько далеко он простирается в волновод. По сути, этот метод согласования заключается в том, что когда такой металлический столб немного простирается 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 столба приводит к обеспечению индуктивной проводимости, которая уменьшается по мере того, как вставка становится более полной. Интенсивность резонанса в средней точке установки обратно пропорциональна диаметру столба и может использоваться в качестве фильтра, однако в этом случае он используется как полосовой режекторный фильтр для передачи мод более высокого порядка. По сравнению с увеличением импеданса металлических полос, основным преимуществом использования металлических столбиков является то, что их легко регулировать. Например, два винта могут использоваться в качестве настроечных устройств для достижения эффективного согласования волноводов.
Резистивные нагрузки и аттенюаторы:
Как и любая другая система передачи, волноводы иногда требуют идеального согласования импеданса и настроенных нагрузок для полного поглощения входящих волн без отражения и для того, чтобы быть нечувствительными к частоте. Одним из применений таких терминалов является выполнение различных измерений мощности в системе без фактического излучения какой-либо мощности.
рисунок 3 сопротивление нагрузки волновода (а) одинарный конус (б) двойной конус
Наиболее распространенным резистивным окончанием является секция диэлектрика с потерями, установленная на конце волновода и сужающаяся (с кончиком, направленным в сторону входящей волны), чтобы не вызывать отражений. Эта среда с потерями может занимать всю ширину волновода или может занимать только центр конца волновода, как показано на рисунке 3. Конус может быть одинарным или двойным и обычно имеет длину λp/2, с общей длиной приблизительно в две длины волны. Обычно изготавливается из диэлектрических пластин, таких как стекло, покрытое углеродной пленкой или жидким стеклом снаружи. 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 вбок 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 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 оба относительно малы. Эти потери зависят от материала стенки и его шероховатости, используемого диэлектрика и частоты (из-за скин-эффекта). Для латунного канала диапазон составляет от 4 дБ/100 м при 5 ГГц до 12 дБ/100 м при 10 ГГц, но для алюминиевого канала диапазон ниже. Для покрытых серебром волноводов потери обычно составляют 8 дБ/100 м при 35 ГГц, 30 дБ/100 м при 70 ГГц и близки к 500 дБ/100 м при 200 ГГц. Чтобы уменьшить потери, особенно на самых высоких частотах, волноводы иногда покрываются (внутри) золотом или платиной.
Как уже было отмечено, 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 на устье волновода, а не из-за распространения.
Волноводная связь:
Волноводное соединение 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:
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, обеспечивают предотвращение утечки и помех и поддерживают точное выравнивание волновода для обеспечения высоконадежной передачи и точного позиционирования частотных электромагнитных волн. Типичный волновод имеет фланец на каждом конце, как показано на рисунке 5.
рисунок 5 (а) плоский фланец; (б) фланцевое соединение.
На более низких частотах фланец будет припаян или приварен к волноводу, в то время как на более высоких частотах используется более плоский стыковой плоский фланец. Когда две части соединены, фланцы скрепляются болтами, но концы должны быть гладко обработаны, чтобы избежать разрывов в соединении. Очевидно, что легче правильно выровнять компоненты с помощью некоторых регулировок, поэтому меньшие волноводы иногда оснащаются резьбовыми фланцами, которые можно привинтить с помощью кольцевой гайки. С ростом частоты размер волноводного соединения естественным образом уменьшается, и разрыв соединения становится больше пропорционально длине волны сигнала и размеру волновода. Поэтому разрывы на более высоких частотах становятся более неприятными.
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, состоящая из обычного фланца и дроссельного фланца, соединенных вместе. Для компенсации возможных разрывов в дроссельном фланце используется круглое дроссельное кольцо с L-образным поперечным сечением для достижения более плотного 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.
