Cum se realizează adaptarea impedanței ghidurilor de undă? Din teoria liniilor de transmisie și teoria antenelor microstrip, știm că pot fi selectate linii de transmisie serie sau paralele adecvate pentru a realiza adaptarea impedanței între liniile de transmisie sau între liniile de transmisie și sarcini, pentru a obține o transmisie maximă a puterii și o pierdere minimă prin reflexie. Același principiu de adaptare a impedanței în liniile microstrip se aplică adaptării impedanței în ghidurile de undă. Reflexiile în sistemele cu ghiduri de undă pot duce la nepotriviri de impedanță. Când apare deteriorarea impedanței, soluția este aceeași ca și în cazul liniilor de transmisie, adică modificarea valorii necesare. Impedanța globală este plasată în puncte precalculate în ghidul de undă pentru a depăși nepotrivirea, eliminând astfel efectele reflexiilor. În timp ce liniile de transmisie utilizează impedanțe globalizate sau cioturi, ghidurile de undă utilizează blocuri metalice de diferite forme.
figura 1: Diafragme cu ghid de undă și circuit echivalent, (a) capacitive; (b) inductive; (c) rezonante.
Figura 1 prezintă diferitele tipuri de adaptare a impedanței, luând oricare dintre formele prezentate și putând fi capacitivă, inductivă sau rezonantă. Analiza matematică este complexă, dar explicația fizică nu este. Considerând prima bandă metalică capacitivă din figură, se poate observa că potențialul care exista între pereții superior și inferior ai ghidului de undă (în modul dominant) există acum între cele două suprafețe metalice aflate în apropiere, astfel încât capacitatea este Punctul crește. În schimb, blocul metalic din Figura 1b permite curentului să circule acolo unde nu circula înainte. Va exista un flux de curent în planul câmpului electric îmbunătățit anterior datorită adăugării blocului metalic. Prin urmare, stocarea energiei are loc în câmpul magnetic, iar inductanța în acel punct al ghidului de undă crește. În plus, dacă forma și poziția inelului metalic din Figura c sunt proiectate rezonabil, reactanța inductivă și reactanța capacitivă introduse vor fi egale, iar apertura va fi de rezonanță paralelă. Aceasta înseamnă că adaptarea impedanței și reglarea modului principal sunt foarte bune, iar efectul de șuntare al acestui mod va fi neglijabil. Totuși, alte moduri sau frecvențe vor fi atenuate, astfel încât inelul metalic rezonant acționează atât ca filtru trece-bandă, cât și ca filtru de mod.
figura 2: (a) stâlpi de ghidare a undelor; (b) adaptor cu două șuruburi
O altă modalitate de acordare este prezentată mai sus, unde un stâlp metalic cilindric se extinde de la una dintre laturile late în ghidul de undă, având același efect ca o bandă metalică în ceea ce privește furnizarea unei reactanțe concentrate în acel punct. Stâlpul metalic poate fi capacitiv sau inductiv, în funcție de cât de departe se extinde în ghidul de undă. În esență, această metodă de adaptare constă în faptul că, atunci când un astfel de stâlp metalic se extinde ușor în ghidul de undă, acesta furnizează o susceptanță capacitivă în acel punct, iar susceptanța capacitivă crește până când penetrarea este de aproximativ un sfert de lungime de undă. În acest moment, are loc rezonanța serie. Penetrarea ulterioară a stâlpului metalic are ca rezultat furnizarea unei susceptanțe inductive care scade pe măsură ce inserția devine mai completă. Intensitatea rezonanței la punctul de mijloc al instalării este invers proporțională cu diametrul coloanei și poate fi utilizată ca filtru, însă, în acest caz, este utilizată ca filtru de oprire a benzii pentru a transmite moduri de ordin superior. Comparativ cu creșterea impedanței benzilor metalice, un avantaj major al utilizării stâlpilor metalici este că aceștia sunt ușor de reglat. De exemplu, două șuruburi pot fi utilizate ca dispozitive de ajustare pentru a obține o adaptare eficientă a ghidului de undă.
Sarcini rezistive și atenuatoare:
Ca orice alt sistem de transmisie, ghidurile de undă necesită uneori o adaptare perfectă a impedanței și sarcini reglate pentru a absorbi complet undele primite fără reflexie și pentru a fi insensibile la frecvență. O aplicație pentru astfel de terminale este de a efectua diverse măsurători de putere pe sistem fără a radia efectiv nicio putere.
figura 3 sarcină de rezistență a ghidului de undă (a) conicitate simplă (b) conicitate dublă
Cea mai comună terminație rezistivă este o secțiune de dielectric cu pierderi instalată la capătul ghidului de undă și conică (cu vârful îndreptat spre unda de intrare) pentru a nu provoca reflexii. Acest mediu cu pierderi poate ocupa întreaga lățime a ghidului de undă sau poate ocupa doar centrul capătului ghidului de undă, așa cum se arată în Figura 3. Conicitatea poate fi simplă sau dublă și are de obicei o lungime de λp/2, cu o lungime totală de aproximativ două lungimi de undă. De obicei, este realizată din plăci dielectrice, cum ar fi sticla, acoperite cu peliculă de carbon sau sticlă solubilă la exterior. Pentru aplicații de mare putere, astfel de terminale pot avea radiatoare adăugate la exteriorul ghidului de undă, iar puterea furnizată terminalului poate fi disipată prin radiator sau prin răcire cu aer forțat.
figura 4 Atenuator cu paletă mobilă
Atenuatoarele dielectrice pot fi detașabile, așa cum se arată în Figura 4. Plasate în mijlocul ghidului de undă, acestea pot fi deplasate lateral din centrul ghidului de undă, unde vor oferi cea mai mare atenuare, spre margini, unde atenuarea este mult redusă, deoarece intensitatea câmpului electric al modului dominant este mult mai mică.
Atenuarea în ghidul de undă:
Atenuarea energetică a ghidurilor de undă include în principal următoarele aspecte:
1. Reflexii din discontinuitățile interne ale ghidului de undă sau din secțiunile nealiniate ale ghidului de undă
2. Pierderi cauzate de curentul care curge prin pereții ghidului de undă
3. Pierderi dielectrice în ghiduri de undă umplute
Ultimele două sunt similare cu pierderile corespunzătoare din liniile coaxiale și ambele sunt relativ mici. Această pierdere depinde de materialul peretelui și de rugozitatea acestuia, de dielectricul utilizat și de frecvență (datorită efectului pelicular). Pentru conductele de alamă, intervalul este de la 4 dB/100 m la 5 GHz la 12 dB/100 m la 10 GHz, dar pentru conductele de aluminiu, intervalul este mai mic. Pentru ghidurile de undă acoperite cu argint, pierderile sunt de obicei de 8 dB/100 m la 35 GHz, 30 dB/100 m la 70 GHz și aproape de 500 dB/100 m la 200 GHz. Pentru a reduce pierderile, în special la cele mai înalte frecvențe, ghidurile de undă sunt uneori placate (intern) cu aur sau platină.
Așa cum s-a subliniat deja, ghidul de undă acționează ca un filtru trece-sus. Deși ghidul de undă în sine este practic fără pierderi, frecvențele sub frecvența de tăiere sunt puternic atenuate. Această atenuare se datorează reflexiei la gura ghidului de undă, mai degrabă decât propagării.
Cuplare ghid de undă:
Cuplarea ghidului de undă are loc de obicei prin flanșe atunci când piesele sau componentele ghidului de undă sunt îmbinate. Funcția acestei flanșe este de a asigura o conexiune mecanică lină și proprietăți electrice adecvate, în special radiații externe reduse și reflexie internă redusă.
Flanşă:
Flanșele ghidului de undă sunt utilizate pe scară largă în comunicațiile cu microunde, sistemele radar, comunicațiile prin satelit, sistemele de antene și echipamentele de laborator din cercetarea științifică. Acestea sunt utilizate pentru a conecta diferite secțiuni ale ghidului de undă, pentru a asigura prevenirea scurgerilor și interferențelor și pentru a menține o aliniere precisă a ghidului de undă pentru a asigura o transmisie fiabilă ridicată și o poziționare precisă a undelor electromagnetice de frecvență. Un ghid de undă tipic are o flanșă la fiecare capăt, așa cum se arată în Figura 5.
figura 5 (a) flanșă simplă; (b) cuplaj cu flanșă.
La frecvențe mai joase, flanșa va fi lipită sau sudată la ghidul de undă, în timp ce la frecvențe mai mari se utilizează o flanșă plată. Când două piese sunt îmbinate, flanșele sunt prinse cu șuruburi, dar capetele trebuie finisate neted pentru a evita discontinuitățile în conexiune. Evident, este mai ușor să aliniați corect componentele cu unele ajustări, așa că ghidurile de undă mai mici sunt uneori echipate cu flanșe filetate care pot fi înșurubate împreună cu o piuliță inelară. Pe măsură ce frecvența crește, dimensiunea cuplajului ghidului de undă scade în mod natural, iar discontinuitatea cuplajului devine mai mare proporțional cu lungimea de undă a semnalului și dimensiunea ghidului de undă. Prin urmare, discontinuitățile la frecvențe mai mari devin mai problematice.
figura 6 (a) Secțiune transversală a cuplajului de sufocare; (b) vedere din capăt a flanșei de sufocare
Pentru a rezolva această problemă, se poate lăsa un mic spațiu între ghidurile de undă, așa cum se arată în Figura 6. Un cuplaj de sufocare constând dintr-o flanșă obișnuită și o flanșă de sufocare conectate împreună. Pentru a compensa posibilele discontinuități, în flanșa de sufocare se utilizează un inel circular de sufocare cu secțiune transversală în formă de L pentru a obține o conexiune mai strânsă. Spre deosebire de flanșele obișnuite, flanșele de sufocare sunt sensibile la frecvență, dar un design optimizat poate asigura o lățime de bandă rezonabilă (poate 10% din frecvența centrală) peste care SWR-ul nu depășește 1,05.
Data publicării: 15 ian. 2024
