Hur uppnår man impedansmatchning av vågledare? Från transmissionsledningsteorin i mikrostripantennteorin vet vi att lämpliga serie- eller parallella transmissionslinjer kan väljas för att uppnå impedansmatchning mellan transmissionslinjer eller mellan transmissionslinjer och belastningar för att uppnå maximal kraftöverföring och minimal reflektionsförlust. Samma princip för impedansmatchning i mikrostriplinjer gäller för impedansmatchning i vågledare. Reflektioner i vågledarsystem kan leda till impedansfel. När impedansförsämring inträffar är lösningen densamma som för transmissionsledningar, det vill säga att ändra det erforderliga värdet. Den klumpade impedansen placeras vid förberäknade punkter i vågledaren för att övervinna missanpassningen och därigenom eliminera effekterna av reflektioner. Medan transmissionsledningar använder klumpade impedanser eller stubbar, använder vågledare metallblock av olika former.
figur 1: Vågledaririsar och ekvivalent krets,(a)kapacitiv;(b)induktiv;(c)resonant.
Figur 1 visar de olika typerna av impedansmatchning, i någon av de visade formerna och kan vara kapacitiv, induktiv eller resonant. Den matematiska analysen är komplex, men den fysiska förklaringen är det inte. Med tanke på den första kapacitiva metallremsan i figuren kan det ses att potentialen som fanns mellan vågledarens övre och undre väggar (i det dominerande läget) nu existerar mellan de två metallytorna i närmare anslutning, så kapacitansen är poäng ökar. Däremot tillåter metallblocket i figur Ib ström att flyta där den inte flödade tidigare. Det kommer att finnas strömflöde i det tidigare förbättrade elektriska fältplanet på grund av tillsatsen av metallblocket. Därför sker energilagring i magnetfältet och induktansen vid den punkten av vågledaren ökar. Dessutom, om formen och läget för metallringen i figur c utformas rimligt, kommer den induktiva reaktansen och den införda kapacitiva reaktansen att vara lika, och öppningen kommer att vara parallellresonans. Detta betyder att impedansmatchningen och inställningen av huvudläget är mycket bra, och shunteffekten för detta läge kommer att vara försumbar. Andra moder eller frekvenser kommer dock att dämpas, så den resonansmetallringen fungerar både som ett bandpassfilter och ett modfilter.
figur 2:(a)vågledarstolpar;(b)tvåskruvsmatchare
Ett annat sätt att ställa in visas ovan, där en cylindrisk metallstolpe sträcker sig från en av de breda sidorna in i vågledaren, vilket har samma effekt som en metallremsa när det gäller att ge klumpad reaktans vid den punkten. Metallstolpen kan vara kapacitiv eller induktiv, beroende på hur långt den sträcker sig in i vågledaren. I huvudsak är denna matchningsmetod att när en sådan metallpelare sträcker sig något in i vågledaren, ger den en kapacitiv susceptans vid den punkten, och den kapacitiva susceptansen ökar tills penetrationen är ungefär en fjärdedel av en våglängd. Vid denna punkt inträffar serieresonans . Ytterligare penetrering av metallstolpen resulterar i att en induktiv susceptans tillhandahålls som minskar när införandet blir mer komplett. Resonansintensiteten vid mittpunktsinstallationen är omvänt proportionell mot kolonnens diameter och kan användas som ett filter, men i detta fall används det som ett bandstoppfilter för att sända högre ordningslägen. Jämfört med att öka impedansen på metallremsor är en stor fördel med att använda metallstolpar att de är lätta att justera. Till exempel kan två skruvar användas som avstämningsanordningar för att uppnå effektiv vågledarmatchning.
Resistiva belastningar och dämpare:
Som alla andra transmissionssystem kräver vågledare ibland perfekt impedansmatchning och avstämda belastningar för att helt absorbera inkommande vågor utan reflektion och vara frekvensokänsliga. En tillämpning för sådana terminaler är att göra olika effektmätningar på systemet utan att egentligen utstråla någon effekt.
figur 3 vågledarmotståndsbelastning(a)enkel kona(b)dubbel kona
Den vanligaste resistiva termineringen är en sektion av förlustgivande dielektrikum som är installerat i änden av vågledaren och avsmalnande (med spetsen riktad mot den inkommande vågen) för att inte orsaka reflektioner. Detta förlustgivande medium kan uppta hela bredden av vågledaren, eller så kan det uppta endast mitten av änden av vågledaren, som visas i figur 3. Avsmalningen kan vara enkel eller dubbel avsmalnande och har typiskt en längd av λp/2, med en total längd av cirka två våglängder. Vanligtvis gjorda av dielektriska plattor som glas, belagda med kolfilm eller vattenglas på utsidan. För applikationer med hög effekt kan sådana terminaler ha kylflänsar läggas till utsidan av vågledaren, och kraften som levereras till terminalen kan avledas genom kylflänsen eller genom forcerad luftkylning.
figur 4 Rörlig lamelldämpare
Dielektriska dämpare kan göras borttagbara som visas i figur 4. Placerade i mitten av vågledaren, kan den flyttas i sidled från mitten av vågledaren, där den ger den största dämpningen, till kanterna, där dämpningen reduceras kraftigt. eftersom den elektriska fältstyrkan för den dominanta moden är mycket lägre.
Dämpning i vågledare:
Energidämpningen av vågledare inkluderar huvudsakligen följande aspekter:
1. Reflektioner från interna vågledardiskontinuiteter eller felinriktade vågledarsektioner
2. Förluster orsakade av ström som flyter i vågledarväggar
3. Dielektriska förluster i fyllda vågledare
De två sista liknar motsvarande förluster i koaxialledningar och är båda relativt små. Denna förlust beror på väggmaterialet och dess grovhet, det dielektriska som används och frekvensen (på grund av hudeffekten). För mässingsrör är intervallet från 4 dB/100m vid 5 GHz till 12 dB/100m vid 10 GHz, men för aluminiumrör är räckvidden lägre. För silverbelagda vågledare är förlusterna vanligtvis 8dB/100m vid 35 GHz, 30dB/100m vid 70 GHz och nära 500 dB/100m vid 200 GHz. För att minska förlusterna, speciellt vid de högsta frekvenserna, pläteras vågledare ibland (internt) med guld eller platina.
Som redan påpekats fungerar vågledaren som ett högpassfilter. Även om själva vågledaren är praktiskt taget förlustfri, är frekvenser under gränsfrekvensen kraftigt dämpade. Denna dämpning beror på reflektion vid vågledarens mynning snarare än utbredning.
Vågledare koppling:
Vågledarkoppling sker vanligtvis genom flänsar när vågledardelar eller komponenter är sammanfogade. Funktionen hos denna fläns är att säkerställa en jämn mekanisk anslutning och lämpliga elektriska egenskaper, i synnerhet låg extern strålning och låg inre reflektion.
Fläns:
Vågledarflänsar används ofta i mikrovågskommunikation, radarsystem, satellitkommunikation, antennsystem och laboratorieutrustning inom vetenskaplig forskning. De används för att koppla ihop olika vågledarsektioner, säkerställa att läckage och störningar förhindras, och bibehålla exakt inriktning av vågledaren för att säkerställa hög tillförlitlig överföring och exakt positionering av elektromagnetiska frekvensvågor. En typisk vågledare har en fläns i varje ände, som visas i figur 5.
figur 5 (a)slät fläns;(b)flänskoppling.
Vid lägre frekvenser kommer flänsen att lödas eller svetsas till vågledaren, medan vid högre frekvenser används en plattare fläns. När två delar är sammanfogade skruvas flänsarna ihop, men ändarna måste avslutas smidigt för att undvika diskontinuiteter i anslutningen. Det är självklart lättare att rikta in komponenterna korrekt med vissa justeringar, så mindre vågledare är ibland utrustade med gängade flänsar som kan skruvas ihop med en ringmutter. När frekvensen ökar, minskar naturligtvis storleken på vågledarkopplingen, och kopplingsdiskontinuiteten blir större i proportion till signalens våglängd och vågledarstorlek. Därför blir diskontinuiteter vid högre frekvenser mer besvärliga.
figur 6 (a) Tvärsnitt av chokekopplingen; (b) ändvy av chokefläns
För att lösa detta problem kan ett litet gap lämnas mellan vågledarna, som visas i figur 6. En chokekoppling bestående av en vanlig fläns och en chokefläns sammankopplade. För att kompensera för eventuella diskontinuiteter används en cirkulär chokering med ett L-format tvärsnitt i chokeflänsen för att uppnå en tätare passande koppling. Till skillnad från vanliga flänsar är strypflänsar frekvenskänsliga, men en optimerad design kan säkerställa en rimlig bandbredd (kanske 10 % av mittfrekvensen) över vilken SWR inte överstiger 1,05.
Posttid: 2024-jan-15
