Πώς να επιτύχετε αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης των κυματοδηγών;Από τη θεωρία των γραμμών μεταφοράς στη θεωρία της κεραίας μικροταινιών, γνωρίζουμε ότι μπορούν να επιλεγούν κατάλληλες σειρές ή παράλληλες γραμμές μετάδοσης για την επίτευξη αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης μεταξύ γραμμών μεταφοράς ή μεταξύ γραμμών μεταφοράς και φορτίων για την επίτευξη μέγιστης μετάδοσης ισχύος και ελάχιστης απώλειας ανάκλασης.Η ίδια αρχή αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης σε γραμμές μικρολωρίδων ισχύει για την αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης σε κυματοδηγούς.Οι αντανακλάσεις σε συστήματα κυματοδηγών μπορεί να οδηγήσουν σε αναντιστοιχίες σύνθετης αντίστασης.Όταν παρουσιάζεται υποβάθμιση της σύνθετης αντίστασης, η λύση είναι η ίδια όπως για τις γραμμές μεταφοράς, δηλαδή αλλαγή της απαιτούμενης τιμής. Η αθροιστική σύνθετη αντίσταση τοποθετείται σε προ-υπολογισμένα σημεία του κυματοδηγού για να ξεπεραστεί η αναντιστοιχία, εξαλείφοντας έτσι τις επιπτώσεις των ανακλάσεων.Ενώ οι γραμμές μεταφοράς χρησιμοποιούν αθροιστικές σύνθετες αντιστάσεις ή στελέχη, οι κυματοδηγοί χρησιμοποιούν μεταλλικά μπλοκ διαφόρων σχημάτων.
Σχήμα 1: Ίριδες κυματοδηγού και ισοδύναμο κύκλωμα, (α) χωρητικό, (β) επαγωγικό, (γ) συντονισμό.
Το σχήμα 1 δείχνει τα διαφορετικά είδη αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης, λαμβάνοντας οποιαδήποτε από τις μορφές που παρουσιάζονται και μπορεί να είναι χωρητική, επαγωγική ή συντονισμένη.Η μαθηματική ανάλυση είναι πολύπλοκη, αλλά η φυσική εξήγηση δεν είναι.Λαμβάνοντας υπόψη την πρώτη χωρητική μεταλλική λωρίδα στο σχήμα, μπορεί να φανεί ότι το δυναμικό που υπήρχε μεταξύ του πάνω και του κάτω τοιχώματος του κυματοδηγού (στην κυρίαρχη λειτουργία) υπάρχει τώρα μεταξύ των δύο μεταλλικών επιφανειών σε πιο κοντινή απόσταση, οπότε η χωρητικότητα είναι η ο βαθμός αυξάνεται.Αντίθετα, το μεταλλικό μπλοκ στο Σχήμα 1β επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει εκεί που δεν έρεε 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 c έχουν σχεδιαστεί λογικά, η επαγωγική αντίδραση και η χωρητική αντίδραση που εισάγονται θα είναι ίσες και το άνοιγμα θα είναι παράλληλος συντονισμός.Αυτό σημαίνει ότι η αντιστοίχιση και ο συντονισμός της σύνθετης αντίστασης του κύριου τρόπου λειτουργίας είναι πολύ καλή και το αποτέλεσμα μετατροπής αυτής της λειτουργίας θα είναι αμελητέα.Ωστόσο, άλλοι τρόποι λειτουργίας ή συχνότητες θα εξασθενήσουν, έτσι ο συντονισμένος μεταλλικός δακτύλιος λειτουργεί τόσο ως φίλτρο διέλευσης ζώνης όσο και ως φίλτρο λειτουργίας.
Σχήμα 2: (α) στύλοι κυματοδηγών· (β) ταιριαστής δύο βιδών
Ένας άλλος τρόπος συντονισμού φαίνεται παραπάνω, όπου ένας κυλινδρικός μεταλλικός στύλος εκτείνεται από μία από τις φαρδιές πλευρές στον κυματοδηγό, έχοντας το ίδιο αποτέλεσμα με μια μεταλλική λωρίδα όσον αφορά την παροχή συσσωματωμένης αντίδρασης σε αυτό το σημείο.Ο μεταλλικός στύλος μπορεί να είναι χωρητικός ή επαγωγικός, ανάλογα με το πόσο εκτείνεται στον κυματοδηγό.Ουσιαστικά, αυτή η μέθοδος αντιστοίχισης είναι ότι όταν ένας τέτοιος μεταλλικός πυλώνας εκτείνεται ελαφρά στον κυματοδηγό, παρέχει μια χωρητική επιδεκτικότητα σε αυτό το σημείο και η χωρητική επιδεκτικότητα αυξάνεται έως ότου η διείσδυση είναι περίπου το ένα τέταρτο του μήκους κύματος. Σε αυτό το σημείο, εμφανίζεται συντονισμός σειράς .Περαιτέρω διείσδυση του μεταλλικού στύλου έχει ως αποτέλεσμα την παροχή μιας επαγωγικής επιρροής η οποία μειώνεται καθώς η εισαγωγή γίνεται πιο πλήρης.Η ένταση συντονισμού στην εγκατάσταση του μεσαίου σημείου είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη διάμετρο της στήλης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φίλτρο, ωστόσο, σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιείται ως φίλτρο διακοπής ζώνης για τη μετάδοση τρόπων λειτουργίας υψηλότερης τάξης.Σε σύγκριση με την αύξηση της σύνθετης αντίστασης των μεταλλικών λωρίδων, ένα σημαντικό πλεονέκτημα της χρήσης μεταλλικών στύλων είναι ότι προσαρμόζονται εύκολα.Για παράδειγμα, δύο βίδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συσκευές συντονισμού για την επίτευξη αποτελεσματικής αντιστοίχισης κυματοδηγού.
Φορτία αντίστασης 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 τέτοιων ακροδεκτών είναι η πραγματοποίηση διαφόρων μετρήσεων ισχύος στο σύστημα χωρίς στην πραγματικότητα να εκπέμπουν ισχύ.
σχήμα 3 Φορτίο αντίστασης κυματοδηγού(α)μονό κωνικό(β)διπλό κωνικό
Ο πιο συνηθισμένος τερματισμός αντίστασης είναι ένα τμήμα διηλεκτρικού με απώλειες εγκατεστημένο στο άκρο του κυματοδηγού και κωνικό (με την άκρη στραμμένη προς το εισερχόμενο κύμα) έτσι ώστε να μην προκαλούνται αντανακλάσεις.Αυτό το μέσο με απώλειες 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 κωνικότητα και τυπικά έχει μήκος λp/2, με συνολικό μήκος περίπου δύο μήκη κύματος.Συνήθως κατασκευάζονται από διηλεκτρικές πλάκες όπως γυαλί, επικαλυμμένες με μεμβράνη άνθρακα ή γυαλί νερού στο εξωτερικό.Για εφαρμογές υψηλής ισχύος, τέτοια τερματικά μπορούν να έχουν ψύκτες θερμότητας που προστίθενται στο εξωτερικό του κυματοδηγού και η ισχύς που παρέχεται στο τερματικό μπορεί να διαχέεται μέσω της ψύκτρας ή μέσω εξαναγκασμένης ψύξης αέρα.
σχήμα 4 Κινούμενος εξασθενητής πτερυγίων
Οι διηλεκτρικοί εξασθενητές μπορούν να αφαιρεθούν όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Τοποθετημένος στη μέση του κυματοδηγού, μπορεί να μετακινηθεί πλευρικά από το κέντρο του κυματοδηγού, όπου θα παρέχει τη μεγαλύτερη εξασθένηση, στις άκρες, όπου η εξασθένηση μειώνεται σημαντικά αφού η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου του κυρίαρχου τρόπου λειτουργίας είναι πολύ μικρότερη.
Εξασθένηση στον κυματοδηγό:
Η ενεργειακή εξασθένηση των κυματοδηγών περιλαμβάνει κυρίως τις ακόλουθες πτυχές:
1. Αντανακλάσεις από εσωτερικές ασυνέχειες κυματοδηγού ή κακώς ευθυγραμμισμένα τμήματα κυματοδηγού
2. Απώλειες που προκαλούνται από το ρεύμα που ρέει στα τοιχώματα των κυματοδηγών
3. Διηλεκτρικές απώλειες σε γεμάτους κυματοδηγούς
Οι δύο τελευταίες είναι παρόμοιες με τις αντίστοιχες απώλειες στις ομοαξονικές γραμμές και είναι και οι δύο σχετικά μικρές.Αυτή η απώλεια εξαρτάται από το υλικό του τοίχου και την τραχύτητα του, το διηλεκτρικό που χρησιμοποιείται και τη συχνότητα (λόγω του δερματικού φαινομένου).Για ορειχάλκινο αγωγό, το εύρος είναι από 4 dB/100m στα 5 GHz έως 12 dB/100m στα 10 GHz, αλλά για τον αγωγό αλουμινίου, το εύρος είναι χαμηλότερο.Για 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 να μειωθούν οι απώλειες, ειδικά στις υψηλότερες συχνότητες, οι κυματοδηγοί μερικές φορές επικαλύπτονται (εσωτερικά) με χρυσό ή πλατίνα.
Όπως έχει ήδη επισημανθεί, ο κυματοδηγός λειτουργεί ως υψηλοπερατό φίλτρο.Αν και ο ίδιος ο κυματοδηγός είναι ουσιαστικά χωρίς απώλειες, οι συχνότητες κάτω από τη συχνότητα αποκοπής μειώνονται σημαντικά.Αυτή η εξασθένηση οφείλεται στην ανάκλαση στο στόμιο του κυματοδηγού και όχι στη διάδοση.
Σύζευξη κυματοδηγού:
Η σύζευξη κυματοδηγού συνήθως συμβαίνει μέσω φλάντζες όταν ενώνονται τεμάχια ή εξαρτήματα του κυματοδηγού μεταξύ τους.Η λειτουργία αυτής της φλάντζας είναι να εξασφαλίζει ομαλή μηχανική σύνδεση και κατάλληλες ηλεκτρικές ιδιότητες, ιδιαίτερα χαμηλή εξωτερική ακτινοβολία και χαμηλή εσωτερική ανάκλαση.
Φλάντζα:
Οι φλάντζες κυματοδηγών χρησιμοποιούνται ευρέως σε επικοινωνίες μικροκυμάτων, συστήματα ραντάρ, δορυφορικές επικοινωνίες, συστήματα κεραιών και εργαστηριακό εξοπλισμό στην επιστημονική έρευνα.Χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση διαφορετικών τμημάτων κυματοδηγού, για την αποφυγή διαρροών και παρεμβολών και για 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) σύζευξη φλάντζας.
Σε χαμηλότερες συχνότητες η φλάντζα θα συγκολληθεί ή θα συγκολληθεί στον κυματοδηγό, ενώ στις υψηλότερες συχνότητες χρησιμοποιείται μια πιο επίπεδη φλάντζα πισινών.Όταν ενώνονται δύο μέρη, οι φλάντζες βιδώνονται μεταξύ τους, αλλά τα άκρα πρέπει να τελειώνουν ομαλά 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 φλάντζες με σπείρωμα που μπορούν να βιδωθούν μεταξύ τους με ένα δακτυλιοειδές παξιμάδι.Καθώς αυξάνεται η συχνότητα, το μέγεθος της σύζευξης του κυματοδηγού μειώνεται φυσικά και η ασυνέχεια σύζευξης γίνεται μεγαλύτερη σε αναλογία με το μήκος κύματος του σήματος και το μέγεθος του κυματοδηγού.Επομένως, οι ασυνέχειες σε υψηλότερες συχνότητες γίνονται πιο ενοχλητικές.
σχήμα 6 (α)Διατομή του συνδέσμου τσοκ· (β) όψη άκρου της φλάντζας του τσοκ
Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, μπορεί να αφεθεί ένα μικρό κενό μεταξύ των κυματοδηγών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6. Ένας σύνδεσμος τσοκ που αποτελείται από μια συνηθισμένη φλάντζα και μια φλάντζα τσοκ που συνδέονται μεταξύ τους.Για να αντισταθμιστούν πιθανές ασυνέχειες, χρησιμοποιείται ένας κυκλικός δακτύλιος τσοκ με διατομή σχήματος L στη φλάντζα του τσοκ για να επιτευχθεί πιο σφιχτή σύνδεση.Σε αντίθεση με τις συνηθισμένες φλάντζες, οι φλάντζες τσοκ είναι ευαίσθητες στη συχνότητα, αλλά ένας βελτιστοποιημένος σχεδιασμός μπορεί να εξασφαλίσει ένα λογικό εύρος ζώνης (ίσως 10% της κεντρικής συχνότητας) πάνω από το οποίο το SWR δεν υπερβαίνει το 1,05.
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-15-2024
