Kako postići usklađivanje impedancije valovoda? Iz teorije dalekovoda u teoriji mikrotrakastih antena znamo da se mogu odabrati odgovarajući serijski ili paralelni dalekovodi kako bi se postiglo usklađivanje impedancije između dalekovoda ili između dalekovoda i opterećenja kako bi se postigao maksimalan prijenos snage i minimalni gubitak refleksije. Isti princip usklađivanja impedancije u mikrotrakastim vodovima primjenjuje se i na usklađivanje impedancije u valovodima. Refleksije u sustavima valovoda mogu dovesti do neusklađenosti impedancije. Kada dođe do pogoršanja impedancije, rješenje je isto kao i za dalekovode, odnosno promjena potrebne vrijednosti. Zgusnuta impedancija postavlja se na unaprijed izračunate točke u valovodu kako bi se prevladala neusklađenost, čime se eliminiraju učinci refleksija. Dok dalekovodi koriste zgusnute impedancije ili krakove, valovodi koriste metalne blokove različitih oblika.
slika 1: Šarenice valovoda i ekvivalentni krug, (a) kapacitivni; (b) induktivni; (c) rezonantni.
Slika 1 prikazuje različite vrste impedancijskog usklađivanja, bilo koji 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 modu) sada postoji između dvije metalne površine u bližoj blizini, pa se kapacitet povećava. Točka se povećava. Nasuprot tome, metalni blok na slici 1b omogućuje protok struje tamo gdje prije nije tekla. Doći će do protoka struje u prethodno pojačanoj ravnini električnog polja zbog dodavanja metalnog bloka. Stoga se energija pohranjuje u magnetskom polju, a induktivitet u toj točki valovoda se povećava. Osim toga, ako su oblik i položaj metalnog prstena na slici c razumno dizajnirani, uvedena induktivna i kapacitivna reaktancija bit će jednake, a otvor će biti paralelne rezonancije. To znači da je impedancijsko usklađivanje i podešavanje glavnog moda vrlo dobro, a učinak ranžiranja ovog moda bit će zanemariv. Međutim, drugi modovi ili frekvencije bit će prigušeni, pa rezonantni metalni prsten djeluje i kao pojasnopropusni filtar i kao modalni filtar.
slika 2: (a) stupovi valovoda; (b) dvovijak za usklađivanje
Gore je prikazan drugi način podešavanja, gdje se cilindrični metalni stup proteže s jedne od širokih strana u valovod, imajući isti učinak kao metalna traka u smislu osiguravanja koncentrirane reaktancije u toj točki. Metalni stup može biti kapacitivan ili induktivan, ovisno o tome koliko se proteže u valovod. U osnovi, ova metoda usklađivanja je da kada se takav metalni stup lagano proteže u valovod, on osigurava kapacitivnu susceptanciju u toj točki, a kapacitivna susceptancija se povećava dok prodiranje ne dostigne otprilike četvrtinu valne duljine. U ovoj točki dolazi do serijske rezonancije. Daljnje prodiranje metalnog stupa rezultira induktivnom susceptancijom koja se smanjuje kako umetanje postaje potpunije. Intenzitet rezonancije u središnjoj točki instalacije obrnuto je proporcionalan promjeru stupa i može se koristiti kao filter, međutim, u ovom slučaju se koristi kao filtar za zaustavljanje pojasa za prijenos modova višeg reda. U usporedbi s povećanjem impedancije metalnih traka, glavna prednost korištenja metalnih stupova je što ih je lako podesiti. Na primjer, dva vijka mogu se koristiti kao uređaji za podešavanje kako bi se postiglo učinkovito usklađivanje valovoda.
Otporna opterećenja i atenuatori:
Kao i svaki drugi prijenosni sustav, valovodi ponekad zahtijevaju savršeno usklađivanje impedancije i podešena opterećenja kako bi u potpunosti apsorbirali dolazne valove bez refleksije i bili neosjetljivi na frekvenciju. Jedna od primjena takvih terminala je izvođenje različitih mjerenja snage na sustavu bez stvarnog zračenja ikakve snage.
slika 3 otpor valovoda opterećenje (a) jednostruki konus (b) dvostruki konus
Najčešći otporni završetak je dio dielektrika s gubicima postavljen na kraj valovoda i sužen (s vrhom usmjerenim prema dolaznom 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. Suženje može biti jednostruko ili dvostruko suženje i obično ima duljinu od λp/2, s ukupnom duljinom od približno dvije valne duljine. Obično su izrađeni od dielektričnih ploča poput stakla, obloženih ugljičnim filmom ili vodenim staklom s vanjske strane. Za primjene velike snage, takvi terminali mogu imati hladnjake dodane na vanjsku stranu valovoda, a snaga isporučena terminalu može se raspršiti kroz hladnjak ili kroz prisilno hlađenje zrakom.
slika 4 Pomični krilni atenuator
Dielektrični atenuatori mogu se ukloniti kao što je prikazano na slici 4. Postavljeni u sredinu valovoda, mogu se pomicati bočno od središta valovoda, gdje će osigurati najveće slabljenje, do rubova, gdje je slabljenje znatno smanjeno budući da je jakost električnog polja dominantnog moda znatno niža.
Slabljenje u valovodu:
Slabljenje energije valovoda uglavnom uključuje sljedeće aspekte:
1. Refleksije od unutarnjih diskontinuiteta valovoda ili nepravilno poravnanih dijelova valovoda
2. Gubitci uzrokovani protokom struje kroz stijenke valovoda
3. Dielektrični gubici u ispunjenim valovodima
Posljednja dva su slična odgovarajućim gubicima u koaksijalnim vodovima i oba su relativno mala. Ovaj gubitak ovisi o materijalu stijenke i njezinoj hrapavosti, korištenom dielektriku i frekvenciji (zbog skin efekta). Za mjedene cijevi, raspon je od 4 dB/100m na 5 GHz do 12 dB/100m na 10 GHz, ali za aluminijske cijevi 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, valovodi su ponekad (iznutra) obloženi zlatom ili platinom.
Kao što je već istaknuto, valovod djeluje kao visokopropusni filtar. Iako je sam valovod praktički bez gubitaka, frekvencije ispod granične frekvencije su znatno smanjene. To slabljenje je posljedica refleksije na ušću valovoda, a ne širenja.
Spajanje valovoda:
Spajanje valovoda obično se događa putem prirubnica kada se dijelovi ili komponente valovoda spajaju. Funkcija ove prirubnice je osigurati glatku mehaničku vezu i odgovarajuća električna svojstva, posebno nisko vanjsko zračenje i nisku unutarnju refleksiju.
Prirubnica:
Prirubnice valovoda široko se koriste u mikrovalnim komunikacijama, radarskim sustavima, satelitskim komunikacijama, antenskim sustavima i laboratorijskoj opremi u znanstvenim istraživanjima. Koriste se za spajanje različitih dijelova valovoda, sprječavanje curenja i smetnji te održavanje preciznog poravnanja valovoda kako bi se osigurao visokopouzdan 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 spojnica.
Na nižim frekvencijama prirubnica će biti lemljena ili zavarena za valovod, dok se na višim frekvencijama koristi ravnija ravna prirubnica. Kada se dva dijela spajaju, prirubnice se vijcima spajaju, ali krajevi moraju biti glatko obrađeni kako bi se izbjegli diskontinuiteti u spoju. Očito je lakše ispravno poravnati komponente uz neka podešavanja, pa su manji valovodi ponekad opremljeni navojnim prirubnicama koje se mogu zavrnuti vijcima s prstenastom maticom. Kako se frekvencija povećava, veličina spoja valovoda prirodno se smanjuje, a diskontinuitet spoja postaje veći proporcionalno valnoj duljini signala i veličini valovoda. Stoga diskontinuiteti na višim frekvencijama postaju problematičniji.
slika 6 (a) Presjek spojnice prigušnice; (b) pogled s kraja prirubnice prigušnice
Kako bi se riješio ovaj problem, između valovoda može se ostaviti mali razmak, kao što je prikazano na slici 6. Spojnica prigušnice sastoji se od obične prirubnice i prirubnice prigušnice spojene zajedno. Kako bi se kompenzirali mogući diskontinuiteti, u prirubnici prigušnice koristi se kružni prsten prigušnice s presjekom u obliku slova L kako bi se postigla čvršća veza. Za razliku od običnih prirubnica, prirubnice prigušnice su frekvencijski osjetljive, ali optimizirani dizajn može osigurati razumnu propusnost (možda 10% središnje frekvencije) preko koje SWR ne prelazi 1,05.
Vrijeme objave: 15. siječnja 2024.
