Kako postići usklađivanje impedancije valovoda? Iz teorije prijenosnih vodova u teoriji mikrotrakastih antena, znamo da se mogu odabrati odgovarajući serijski ili paralelni prijenosni vodovi kako bi se postiglo usklađivanje impedancije između prijenosnih vodova ili između prijenosnih vodova i opterećenja kako bi se postigao maksimalni prijenos snage i minimalni gubitak refleksije. Isti princip usklađivanja impedancije u mikrotrakastim vodovima vrijedi i za usklađivanje impedancije u valovodima. Refleksije u sustavima valovoda mogu dovesti do neusklađenosti impedancije. Kada dođe do pogoršanja impedancije, rješenje je isto kao i za prijenosne vodove, to jest mijenjanje tražene vrijednosti. Skupljena impedancija postavlja se na unaprijed izračunate točke u valovodu kako bi se prevladala neusklađenost, čime se eliminiraju učinci refleksije. Dok prijenosne linije koriste lumped impedancije ili stubove, valovodne mreže koriste metalne blokove različitih oblika.
Slika 1: Zranice valovoda i ekvivalentni krug, (a) kapacitivni; (b) induktivni; (c) rezonantni.
Slika 1 prikazuje različite vrste usklađivanja impedancije, u bilo kojem od prikazanih oblika i može biti kapacitivno, induktivno ili rezonantno. Matematička analiza je složena, ali fizičko objašnjenje nije. Uzimajući u obzir prvu kapacitivnu metalnu traku na slici, može se vidjeti da potencijal koji je postojao između gornje i donje stijenke valovoda (u dominantnom načinu) sada postoji između dviju metalnih površina u bližem okruženju, tako da je kapacitet povećava se bod. Nasuprot tome, metalni blok na slici 1b omogućuje protok struje tamo gdje prije nije tekla. Postojat će protok struje u prethodno poboljšanoj ravnini električnog polja zbog dodavanja metalnog bloka. Stoga dolazi do skladištenja energije u magnetskom polju i induktivitet u toj točki valovoda raste. Osim toga, ako su oblik i položaj metalnog prstena na slici c projektirani razumno, uvedena induktivna reaktancija i kapacitivna reaktancija bit će jednake, a otvor će biti paralelna rezonancija. To znači da je prilagodba impedancije i ugađanje glavnog načina vrlo dobro, a učinak ranžiranja ovog načina rada bit će zanemariv. Međutim, drugi modovi ili frekvencije bit će prigušeni, tako da rezonantni metalni prsten djeluje i kao pojasni filtar i kao filtar moda.
slika 2: (a) stupovi valovoda; (b) spojnik s dva vijka
Gore je prikazan drugi način ugađanja, gdje se cilindrični metalni stup proteže s jedne od širokih strana u valovod, imajući isti učinak kao metalna traka u smislu pružanja skupne reaktancije na toj točki. Metalni stup može biti kapacitivan ili induktivan, ovisno o tome koliko daleko seže u valovod. U suštini, ova metoda usklađivanja je da kada se takav metalni stup lagano produži u valovod, on osigurava kapacitivnu susceptanciju u toj točki, a kapacitivna susceptancija se povećava sve dok prodor ne bude oko četvrtine valne duljine. U ovoj točki dolazi do serijske rezonancije . Daljnje prodiranje metalnog stupića rezultira induktivnom susceptancijom koja se smanjuje kako umetanje postaje potpunije. Intenzitet rezonancije na središnjoj točki instalacije obrnuto je proporcionalan promjeru stupa i može se koristiti kao filtar, međutim, u ovom slučaju koristi se kao filtar za zaustavljanje pojasa za prijenos modova višeg reda. U usporedbi s povećanjem impedancije metalnih traka, glavna prednost korištenja metalnih stupova je to što se lako podešavaju. Na primjer, dva vijka se mogu koristiti kao uređaji za ugađanje kako bi se postiglo učinkovito usklađivanje valovoda.
Otporna opterećenja i prigušnici:
Kao i svaki drugi prijenosni sustav, valovodima je ponekad potrebno savršeno usklađenje impedancije i podešena opterećenja kako bi u potpunosti apsorbirali dolazne valove bez refleksije i bili neosjetljivi na frekvenciju. Jedna primjena takvih terminala je izvođenje raznih mjerenja snage na sustavu bez stvarnog zračenja.
Slika 3 Otporno opterećenje valovoda (a)jednostruki konus (b)dvostruki konus
Najčešći otporni završetak je dio dielektrika s gubicima postavljen na kraju valovoda i sužen (s vrhom usmjerenim prema nadolazećem valu) kako ne bi uzrokovao refleksije. Ovaj medij s gubicima može zauzimati cijelu širinu valovoda ili može zauzimati samo središte kraja valovoda, kao što je prikazano na slici 3. Konus može biti jednostruki ili dvostruki i tipično ima duljinu od λp/2, s ukupnom duljinom od približno dvije valne duljine. Obično se izrađuju od dielektričnih ploča kao što je staklo, obloženih ugljičnim filmom ili vodenim staklom izvana. Za aplikacije velike snage, takvi terminali mogu imati hladnjake dodane na vanjsku stranu valovoda, a snaga koja se isporučuje terminalu može se raspršiti kroz hladnjak ili kroz prisilno hlađenje zrakom.
slika 4 Pomični prigušivač lopatica
Dielektrični prigušivači mogu biti uklonjivi kao što je prikazano na slici 4. Postavljeni u sredinu valovoda, mogu se pomicati bočno od središta valovoda, gdje će osigurati najveće prigušenje, do rubova, gdje je prigušenje uvelike smanjeno budući da je jakost električnog polja dominantnog moda mnogo manja.
Prigušenje u valovodu:
Prigušenje energije valovoda uglavnom uključuje sljedeće aspekte:
1. Refleksije od unutarnjih diskontinuiteta valovoda ili neusklađenih dijelova valovoda
2. Gubici uzrokovani strujom koja teče u stijenkama valovoda
3. Dielektrični gubici u ispunjenim valovodima
Posljednja dva slična su odgovarajućim gubicima u koaksijalnim vodovima i oba su relativno mala. Ovaj gubitak ovisi o materijalu stijenke i njegovoj hrapavosti, korištenom dielektriku i frekvenciji (zbog skin efekta). Za mjedenu cijev, raspon je od 4 dB/100 m na 5 GHz do 12 dB/100 m na 10 GHz, ali za aluminijsku cijev, raspon je niži. Za valovode obložene srebrom gubici su obično 8dB/100m na 35 GHz, 30dB/100m na 70 GHz i blizu 500 dB/100m na 200 GHz. Kako bi se smanjili gubici, posebno na najvišim frekvencijama, valovod se ponekad presvuče (iznutra) zlatom ili platinom.
Kao što je već istaknuto, valovod djeluje kao visokopropusni filtar. Iako je sam valovod gotovo bez gubitaka, frekvencije ispod granične frekvencije ozbiljno su prigušene. Ovo slabljenje je uzrokovano refleksijom na ulazu valovoda, a ne širenjem.
Sprezanje valovoda:
Povezivanje valovoda obično se događa kroz prirubnice kada su dijelovi ili komponente valovoda međusobno spojeni. Funkcija ove prirubnice je osigurati glatku mehaničku vezu i odgovarajuća električna svojstva, posebno nisko vanjsko zračenje i nisku unutarnju refleksiju.
Prirubnica:
Prirubnice valovoda naširoko se koriste u mikrovalnim komunikacijama, radarskim sustavima, satelitskim komunikacijama, antenskim sustavima i laboratorijskoj opremi u znanstvenim istraživanjima. Koriste se za spajanje različitih dijelova valovoda, osiguravaju sprječavanje curenja i smetnji i održavaju precizno poravnanje valovoda kako bi se osigurao visok pouzdan prijenos i precizno pozicioniranje frekvencijskih elektromagnetskih valova. Tipični valovod ima prirubnicu na svakom kraju, kao što je prikazano na slici 5.
slika 5 (a) obična prirubnica; (b) prirubnička spojka.
Na nižim frekvencijama prirubnica će biti lemljena ili zavarena na valovod, dok se na višim frekvencijama koristi ravnija ravna prirubnica. Kada su dva dijela spojena, prirubnice su spojene vijcima, ali krajevi moraju biti glatko završeni kako bi se izbjegli prekidi u spoju. Očito je jednostavnije ispravno poravnati komponente s nekim prilagodbama, pa su manji valovodi ponekad opremljeni navojnim prirubnicama koje se mogu spojiti pomoću prstenaste matice. Kako frekvencija raste, veličina sprege valovoda prirodno se smanjuje, a diskontinuitet sprege postaje veći proporcionalno valnoj duljini signala i veličini valovoda. Stoga, diskontinuiteti na višim frekvencijama postaju problematičniji.
slika 6 (a) Poprečni presjek spojke prigušnice; (b) pogled s kraja na prirubnicu prigušnice
Da bi se riješio ovaj problem, može se ostaviti mali razmak između valovoda, kao što je prikazano na slici 6. Spojka prigušnice koja se sastoji od obične prirubnice i prirubnice prigušnice povezanih zajedno. Kako bi se kompenzirali mogući diskontinuiteti, kružni prsten prigušnice s poprečnim presjekom u obliku slova L koristi se u prirubnici prigušnice kako bi se postigao čvršći spoj. Za razliku od običnih prirubnica, prirubnice prigušnice osjetljive su na frekvenciju, ali optimizirani dizajn može osigurati razumnu propusnost (možda 10% središnje frekvencije) preko koje SWR ne prelazi 1,05.
Vrijeme objave: 15. siječnja 2024
