Πώς επιτυγχάνεται αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης κυματοδηγών; Από τη θεωρία γραμμών μεταφοράς στη θεωρία κεραιών μικρολωρίδας, γνωρίζουμε ότι μπορούν να επιλεγούν κατάλληλες σειριακές ή παράλληλες γραμμές μεταφοράς για την επίτευξη αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης μεταξύ γραμμών μεταφοράς ή μεταξύ γραμμών μεταφοράς και φορτίων, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη μετάδοση ισχύος και ελάχιστη απώλεια ανάκλασης. Η ίδια αρχή αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης σε γραμμές μικρολωρίδας ισχύει και για την αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης σε κυματοδηγούς. Οι ανακλάσεις σε συστήματα κυματοδηγών μπορούν να οδηγήσουν σε αναντιστοιχίες σύνθετης αντίστασης. Όταν συμβαίνει υποβάθμιση της σύνθετης αντίστασης, η λύση είναι η ίδια όπως και για τις γραμμές μεταφοράς, δηλαδή, η αλλαγή της απαιτούμενης τιμής. Η συγκεντρωμένη σύνθετη αντίσταση τοποθετείται σε προκαθορισμένα σημεία στον κυματοδηγό για να ξεπεραστεί η αναντιστοιχία, εξαλείφοντας έτσι τις επιπτώσεις των ανακλάσεων. Ενώ οι γραμμές μεταφοράς χρησιμοποιούν συγκεντρωμένες σύνθετες αντιστάσεις ή στελέχη, οι κυματοδηγοί χρησιμοποιούν μεταλλικά μπλοκ διαφόρων σχημάτων.
Σχήμα 1: Ίριδες κυματοδηγού και ισοδύναμο κύκλωμα, (α) Χωρητικές, (β) Επαγωγικές, (γ) Συντονιστικές.
Το Σχήμα 1 δείχνει τα διαφορετικά είδη αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης, λαμβάνοντας οποιαδήποτε από τις μορφές που εμφανίζονται και μπορεί να είναι χωρητική, επαγωγική ή συντονισμένη. Η μαθηματική ανάλυση είναι περίπλοκη, αλλά η φυσική εξήγηση όχι. Λαμβάνοντας υπόψη την πρώτη χωρητική μεταλλική ταινία στο σχήμα, μπορεί να φανεί ότι το δυναμικό που υπήρχε μεταξύ του άνω και του κάτω τοιχώματος του κυματοδηγού (στην κυρίαρχη λειτουργία) υπάρχει τώρα μεταξύ των δύο μεταλλικών επιφανειών σε στενότερη γειτνίαση, επομένως η χωρητικότητα αυξάνεται. Το σημείο αυξάνεται. Αντίθετα, το μεταλλικό μπλοκ στο Σχήμα 1β επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει εκεί που δεν ρέει πριν. Θα υπάρχει ροή ρεύματος στο προηγουμένως ενισχυμένο επίπεδο ηλεκτρικού πεδίου λόγω της προσθήκης του μεταλλικού μπλοκ. Επομένως, η αποθήκευση ενέργειας συμβαίνει στο μαγνητικό πεδίο και η επαγωγή σε αυτό το σημείο του κυματοδηγού αυξάνεται. Επιπλέον, εάν το σχήμα και η θέση του μεταλλικού δακτυλίου στο Σχήμα γ σχεδιαστούν λογικά, η επαγωγική αντίδραση και η χωρητική αντίδραση που εισάγονται θα είναι ίσες και το άνοιγμα θα είναι παράλληλο με συντονισμό. Αυτό σημαίνει ότι η αντιστοίχιση και η ρύθμιση της σύνθετης αντίστασης της κύριας λειτουργίας είναι πολύ καλή και το φαινόμενο παράκαμψης αυτής της λειτουργίας θα είναι αμελητέο. Ωστόσο, άλλες λειτουργίες ή συχνότητες θα εξασθενήσουν, επομένως ο συντονισμένος μεταλλικός δακτύλιος λειτουργεί τόσο ως φίλτρο διέλευσης ζώνης όσο και ως φίλτρο λειτουργίας.
σχήμα 2: (α) στύλοι κυματοδηγού· (β) αντιστοιχιστής δύο κοχλιών
Ένας άλλος τρόπος συντονισμού φαίνεται παραπάνω, όπου ένας κυλινδρικός μεταλλικός στύλος εκτείνεται από μία από τις ευρείες πλευρές στον κυματοδηγό, έχοντας το ίδιο αποτέλεσμα με μια μεταλλική ταινία όσον αφορά την παροχή συσσωματωμένης άεργης αντίστασης σε αυτό το σημείο. Ο μεταλλικός στύλος μπορεί να είναι χωρητικός ή επαγωγικός, ανάλογα με το πόσο μακριά εκτείνεται στον κυματοδηγό. Ουσιαστικά, αυτή η μέθοδος αντιστοίχισης είναι ότι όταν ένας τέτοιος μεταλλικός στύλος εκτείνεται ελαφρώς στον κυματοδηγό, παρέχει μια χωρητική ανοχή σε αυτό το σημείο και η χωρητική ανοχή αυξάνεται μέχρι η διείσδυση να φτάσει περίπου το ένα τέταρτο του μήκους κύματος. Σε αυτό το σημείο, συμβαίνει συντονισμός σειράς. Περαιτέρω διείσδυση του μεταλλικού στύλου έχει ως αποτέλεσμα την παροχή επαγωγικής ανοχής η οποία μειώνεται καθώς η εισαγωγή γίνεται πιο ολοκληρωμένη. Η ένταση συντονισμού στο μεσαίο σημείο εγκατάστασης είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη διάμετρο της στήλης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φίλτρο, ωστόσο, σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιείται ως φίλτρο ζώνης διακοπής για τη μετάδοση λειτουργιών υψηλότερης τάξης. Σε σύγκριση με την αύξηση της σύνθετης αντίστασης των μεταλλικών ταινιών, ένα σημαντικό πλεονέκτημα της χρήσης μεταλλικών στύλων είναι ότι είναι εύκολο να ρυθμιστούν. Για παράδειγμα, δύο βίδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συσκευές συντονισμού για την επίτευξη αποτελεσματικής αντιστοίχισης κυματοδηγού.
Ωμικά φορτία και εξασθενητές:
Όπως κάθε άλλο σύστημα μετάδοσης, οι κυματοδηγοί απαιτούν μερικές φορές τέλεια αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης και συντονισμένα φορτία για να απορροφούν πλήρως τα εισερχόμενα κύματα χωρίς ανάκλαση και να μην είναι ευαίσθητοι στη συχνότητα. Μια εφαρμογή για τέτοιους ακροδέκτες είναι η πραγματοποίηση διαφόρων μετρήσεων ισχύος στο σύστημα χωρίς στην πραγματικότητα να ακτινοβολούν ισχύ.
σχήμα 3 αντίσταση κυματοδηγού φορτίου (α) μονής κωνικότητας (β) διπλής κωνικότητας
Ο πιο συνηθισμένος ωμικός τερματισμός είναι ένα τμήμα απωλεστικού διηλεκτρικού που εγκαθίσταται στο άκρο του κυματοδηγού και κωνικό (με την άκρη στραμμένη προς το εισερχόμενο κύμα) έτσι ώστε να μην προκαλεί ανακλάσεις. Αυτό το απωλεστικό μέσο μπορεί να καταλαμβάνει ολόκληρο το πλάτος του κυματοδηγού ή μπορεί να καταλαμβάνει μόνο το κέντρο του άκρου του κυματοδηγού, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Η κωνικότητα μπορεί να είναι μονή ή διπλή και συνήθως έχει μήκος λp/2, με συνολικό μήκος περίπου δύο μήκη κύματος. Συνήθως κατασκευάζεται από διηλεκτρικές πλάκες όπως γυαλί, επικαλυμμένες με μεμβράνη άνθρακα ή υδρύαλο στο εξωτερικό. Για εφαρμογές υψηλής ισχύος, τέτοιοι ακροδέκτες μπορούν να έχουν ψύκτρες που προστίθενται στο εξωτερικό του κυματοδηγού και η ισχύς που παρέχεται στον ακροδέκτη μπορεί να διαχέεται μέσω της ψύκτρας ή μέσω ψύξης με εξαναγκασμένο αέρα.
σχήμα 4 Κινητός εξασθενητής πτερυγίων
Οι διηλεκτρικοί εξασθενητές μπορούν να αφαιρεθούν όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Τοποθετημένοι στη μέση του κυματοδηγού, μπορούν να μετακινηθούν πλευρικά από το κέντρο του κυματοδηγού, όπου θα παρέχουν τη μεγαλύτερη εξασθένηση, προς τις άκρες, όπου η εξασθένηση μειώνεται σημαντικά, καθώς η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου της κυρίαρχης λειτουργίας είναι πολύ χαμηλότερη.
Εξασθένηση στον κυματοδηγό:
Η ενεργειακή εξασθένηση των κυματοδηγών περιλαμβάνει κυρίως τις ακόλουθες πτυχές:
1. Ανακλάσεις από εσωτερικές ασυνέχειες κυματοδηγού ή μη ευθυγραμμισμένα τμήματα κυματοδηγού
2. Απώλειες που προκαλούνται από το ρεύμα που ρέει σε τοιχώματα κυματοδηγού
3. Διηλεκτρικές απώλειες σε γεμάτους κυματοδηγούς
Οι δύο τελευταίες είναι παρόμοιες με τις αντίστοιχες απώλειες σε ομοαξονικές γραμμές και είναι και οι δύο σχετικά μικρές. Αυτή η απώλεια εξαρτάται από το υλικό του τοιχώματος και την τραχύτητά του, το διηλεκτρικό που χρησιμοποιείται και τη συχνότητα (λόγω του φαινομένου του δέρματος). Για τους ορειχάλκινους αγωγούς, το εύρος κυμαίνεται από 4 dB/100m στα 5 GHz έως 12 dB/100m στα 10 GHz, αλλά για τους αλουμινένιους αγωγούς, το εύρος είναι χαμηλότερο. Για τους κυματοδηγούς με επικάλυψη αργύρου, οι απώλειες είναι συνήθως 8dB/100m στα 35 GHz, 30dB/100m στα 70 GHz και κοντά στα 500 dB/100m στα 200 GHz. Για τη μείωση των απωλειών, ειδικά στις υψηλότερες συχνότητες, οι κυματοδηγοί μερικές φορές επιμεταλλώνονται (εσωτερικά) με χρυσό ή πλατίνα.
Όπως έχει ήδη επισημανθεί, ο κυματοδηγός λειτουργεί ως φίλτρο υψιπερατού. Παρόλο που ο ίδιος ο κυματοδηγός είναι ουσιαστικά χωρίς απώλειες, οι συχνότητες κάτω από τη συχνότητα αποκοπής εξασθενούν σημαντικά. Αυτή η εξασθένηση οφείλεται στην ανάκλαση στο στόμιο του κυματοδηγού και όχι στη διάδοση.
Σύζευξη κυματοδηγού:
Η σύζευξη κυματοδηγού συνήθως συμβαίνει μέσω φλαντζών όταν ενώνονται μεταξύ τους κομμάτια ή εξαρτήματα κυματοδηγού. Η λειτουργία αυτής της φλάντζας είναι να εξασφαλίζει ομαλή μηχανική σύνδεση και κατάλληλες ηλεκτρικές ιδιότητες, ιδίως χαμηλή εξωτερική ακτινοβολία και χαμηλή εσωτερική ανάκλαση.
Φλάντζα:
Οι φλάντζες κυματοδηγού χρησιμοποιούνται ευρέως σε επικοινωνίες μικροκυμάτων, συστήματα ραντάρ, δορυφορικές επικοινωνίες, συστήματα κεραιών και εργαστηριακό εξοπλισμό στην επιστημονική έρευνα. Χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση διαφορετικών τμημάτων κυματοδηγού, την εξασφάλιση της πρόληψης διαρροών και παρεμβολών και τη διατήρηση της ακριβούς ευθυγράμμισης του κυματοδηγού για την εξασφάλιση υψηλής αξιόπιστης μετάδοσης και ακριβούς τοποθέτησης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων συχνότητας. Ένας τυπικός κυματοδηγός έχει μια φλάντζα σε κάθε άκρο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.
σχήμα 5 (α) απλή φλάντζα· (β) σύνδεσμος φλάντζας.
Σε χαμηλότερες συχνότητες, η φλάντζα θα συγκολληθεί με συγκόλληση στον κυματοδηγό, ενώ σε υψηλότερες συχνότητες χρησιμοποιείται μια πιο επίπεδη φλάντζα. Όταν ενώνονται δύο μέρη, οι φλάντζες βιδώνονται μεταξύ τους, αλλά τα άκρα πρέπει να έχουν λεία τελική επεξεργασία για να αποφευχθούν ασυνέχειες στη σύνδεση. Είναι προφανώς ευκολότερο να ευθυγραμμιστούν σωστά τα εξαρτήματα με ορισμένες ρυθμίσεις, επομένως οι μικρότεροι κυματοδηγοί είναι μερικές φορές εξοπλισμένοι με σπειροειδείς φλάντζες που μπορούν να βιδωθούν μεταξύ τους με ένα παξιμάδι δακτυλίου. Καθώς αυξάνεται η συχνότητα, το μέγεθος της σύζευξης του κυματοδηγού μειώνεται φυσικά και η ασυνέχεια της σύζευξης γίνεται μεγαλύτερη αναλογικά με το μήκος κύματος του σήματος και το μέγεθος του κυματοδηγού. Επομένως, οι ασυνέχειες σε υψηλότερες συχνότητες γίνονται πιο προβληματικές.
σχήμα 6 (α) Διατομή του συνδέσμου στραγγαλισμού· (β) όψη από το άκρο της φλάντζας στραγγαλισμού
Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, μπορεί να αφεθεί ένα μικρό κενό μεταξύ των κυματοδηγών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6. Ένας σύνδεσμος στραγγαλισμού που αποτελείται από μια συνηθισμένη φλάντζα και μια φλάντζα στραγγαλισμού συνδεδεμένες μεταξύ τους. Για την αντιστάθμιση πιθανών ασυνέχειων, ένας κυκλικός δακτύλιος στραγγαλισμού με διατομή σχήματος L χρησιμοποιείται στη φλάντζα στραγγαλισμού για να επιτευχθεί μια πιο σφιχτή σύνδεση. Σε αντίθεση με τις συνηθισμένες φλάντζες, οι φλάντζες στραγγαλισμού είναι ευαίσθητες στη συχνότητα, αλλά ένας βελτιστοποιημένος σχεδιασμός μπορεί να εξασφαλίσει ένα λογικό εύρος ζώνης (ίσως 10% της κεντρικής συχνότητας) στο οποίο το SWR δεν υπερβαίνει το 1,05.
Ώρα δημοσίευσης: 15 Ιανουαρίου 2024
