Jak dosáhnout impedančního přizpůsobení vlnovodů? Z teorie přenosových vedení v teorii mikropáskových antén víme, že pro dosažení impedančního přizpůsobení mezi přenosovými vedeními nebo mezi přenosovými vedeními a zátěží, aby se dosáhlo maximálního přenosu výkonu a minimálních ztrát odrazem, lze zvolit vhodná sériová nebo paralelní přenosová vedení. Stejný princip impedančního přizpůsobení v mikropáskových vedeních platí i pro impedanční přizpůsobení ve vlnovodech. Odrazy ve vlnovodových systémech mohou vést k impedančnímu nesouladu. Pokud dojde ke zhoršení impedance, řešení je stejné jako u přenosových vedení, tj. změna požadované hodnoty. Soustředěná impedance se umístí do předem vypočítaných bodů vlnovodu, aby se překonal nesoulad, a tím se eliminovaly účinky odrazů. Zatímco přenosová vedení používají soustředěné impedance neboli pahýly, vlnovody používají kovové bloky různých tvarů.
obrázek 1: Clony vlnovodu a ekvivalentní obvod, (a) kapacitní; (b) indukční; (c) rezonanční.
Obrázek 1 ukazuje různé druhy impedančního přizpůsobení, které mohou mít jakoukoli z zobrazených forem a mohou být kapacitní, indukční nebo rezonanční. Matematická analýza je složitá, ale fyzikální vysvětlení nikoli. Vzhledem k prvnímu kapacitnímu kovovému proužku na obrázku je vidět, že potenciál, který existoval mezi horní a spodní stěnou vlnovodu (v dominantním módu), nyní existuje mezi dvěma kovovými povrchy v bližší blízkosti, takže kapacita se zvětšuje. Naproti tomu kovový blok na obrázku 1b umožňuje proudu protékat tam, kde dříve neprotékal. V důsledku přidání kovového bloku bude proud protékat v dříve zesílené rovině elektrického pole. Proto dochází k ukládání energie v magnetickém poli a indukčnost v tomto bodě vlnovodu se zvýší. Kromě toho, pokud jsou tvar a poloha kovového kroužku na obrázku c navrženy rozumně, bude zavedená indukční a kapacitní reaktance stejná a clona bude mít paralelní rezonanci. To znamená, že impedanční přizpůsobení a ladění hlavního módu je velmi dobré a posunovací efekt tohoto módu bude zanedbatelný. Jiné módy nebo frekvence však budou utlumeny, takže rezonanční kovový kroužek funguje jak jako pásmová propust, tak jako módový filtr.
obrázek 2: (a) vlnovodné sloupky; (b) dvoušroubový porovnávač
Výše je znázorněn další způsob ladění, kde válcový kovový sloupek vyčnívá z jedné ze širokých stran do vlnovodu a má stejný účinek jako kovový pásek, pokud jde o zajištění koncentrované reaktance v tomto bodě. Kovový sloupek může být kapacitní nebo indukční, v závislosti na tom, jak hluboko zasahuje do vlnovodu. V podstatě tato metoda přizpůsobení spočívá v tom, že když takový kovový sloupek mírně zasahuje do vlnovodu, poskytuje v tomto bodě kapacitní susceptanci a kapacitní susceptance se zvyšuje, dokud penetrace nedosáhne přibližně čtvrtiny vlnové délky. V tomto bodě dochází k sériové rezonanci. Další penetrace kovového sloupku vede k indukční susceptanci, která se snižuje s postupnějším vložením. Intenzita rezonance ve středu instalace je nepřímo úměrná průměru sloupku a lze jej použít jako filtr, v tomto případě se však používá jako pásmová zábrana pro přenos módů vyššího řádu. Ve srovnání se zvyšováním impedance kovových pásků je hlavní výhodou použití kovových sloupků jejich snadné nastavení. Například dva šrouby lze použít jako ladicí zařízení k dosažení efektivního přizpůsobení vlnovodu.
Odporové zátěže a atenuátory:
Stejně jako jakýkoli jiný přenosový systém, i vlnovody někdy vyžadují dokonalé impedanční přizpůsobení a vyladěné zátěže, aby plně absorbovaly příchozí vlny bez odrazu a byly frekvenčně necitlivé. Jednou z aplikací takových terminálů je provádění různých měření výkonu v systému, aniž by skutečně vyzařovaly jakýkoli výkon.
Obrázek 3 odporové zatížení vlnovodu (a) jednoduchý kužel (b) dvojitý kužel
Nejběžnějším odporovým zakončením je úsek ztrátového dielektrika instalovaný na konci vlnovodu a zužující se (s hrotem směřujícím k přicházející vlně), aby nezpůsoboval odrazy. Toto ztrátové médium může zabírat celou šířku vlnovodu nebo může zabírat pouze střed konce vlnovodu, jak je znázorněno na obrázku 3. Zúžení může být jednoduché nebo dvojité a obvykle má délku λp/2, s celkovou délkou přibližně dvou vlnových délek. Obvykle jsou vyrobeny z dielektrických desek, jako je sklo, potažených na vnější straně uhlíkovou vrstvou nebo vodním sklem. Pro aplikace s vysokým výkonem mohou mít takové terminály na vnější straně vlnovodu chladiče a výkon dodávaný do terminálu může být rozptýlen přes chladič nebo nuceným chlazením vzduchem.
obrázek 4 Pohyblivý lopatkový atenuátor
Dielektrické atenuátory lze vyjmout, jak je znázorněno na obrázku 4. Jsou umístěny uprostřed vlnovodu a lze je laterálně posouvat od středu vlnovodu, kde poskytují největší útlum, k okrajům, kde je útlum výrazně snížen, protože síla elektrického pole dominantního módu je mnohem nižší.
Útlum ve vlnovodu:
Útlum energie vlnovodů zahrnuje především následující aspekty:
1. Odrazy od vnitřních nespojitostí vlnovodu nebo špatně zarovnaných částí vlnovodu
2. Ztráty způsobené proudem tekoucím ve stěnách vlnovodu
3. Dielektrické ztráty v plněných vlnovodech
Poslední dva jsou podobné odpovídajícím ztrátám v koaxiálních vedeních a oba jsou relativně malé. Tato ztráta závisí na materiálu stěny a její drsnosti, použitém dielektriku a frekvenci (v důsledku skin efektu). U mosazných trubek je rozsah od 4 dB/100 m při 5 GHz do 12 dB/100 m při 10 GHz, ale u hliníkových trubek je rozsah nižší. U postříbřených vlnovodů jsou ztráty typicky 8 dB/100 m při 35 GHz, 30 dB/100 m při 70 GHz a blízké 500 dB/100 m při 200 GHz. Pro snížení ztrát, zejména na nejvyšších frekvencích, jsou vlnovody někdy (vnitřně) pokoveny zlatem nebo platinou.
Jak již bylo zmíněno, vlnovod funguje jako horní propust. Ačkoli je samotný vlnovod prakticky bezztrátový, frekvence pod mezní frekvencí jsou výrazně utlumené. Toto utlumení je způsobeno spíše odrazem v ústí vlnovodu než šířením.
Vlnovodová vazba:
Spojení vlnovodů se obvykle provádí pomocí přírub, když jsou díly nebo komponenty vlnovodu spojeny dohromady. Funkcí této příruby je zajistit hladké mechanické spojení a vhodné elektrické vlastnosti, zejména nízké vnější záření a nízký vnitřní odraz.
Příruba:
Příruby vlnovodu se široce používají v mikrovlnné komunikaci, radarových systémech, satelitní komunikaci, anténních systémech a laboratorních zařízeních ve vědeckém výzkumu. Používají se k propojení různých částí vlnovodu, k zajištění prevence úniku a rušení a k udržení přesného vyrovnání vlnovodu pro zajištění vysoce spolehlivého přenosu a přesného umístění elektromagnetických vln dané frekvence. Typický vlnovod má na každém konci přírubu, jak je znázorněno na obrázku 5.
obrázek 5 (a) hladká příruba; (b) přírubová spojka.
Při nižších frekvencích se příruba k vlnovodu připájí nebo přivaří, zatímco při vyšších frekvencích se používá plošší tupá příruba. Při spojení dvou částí se příruby sešroubují, ale konce musí být hladce opracovány, aby se zabránilo nespojitostem ve spojení. Je samozřejmě snazší správně zarovnat součásti s určitými úpravami, proto jsou menší vlnovody někdy vybaveny závitovými přírubami, které lze sešroubovat pomocí kruhové matice. S rostoucí frekvencí se velikost spojení vlnovodu přirozeně zmenšuje a nespojitost spojení se zvětšuje úměrně k vlnové délce signálu a velikosti vlnovodu. Proto se nespojitosti při vyšších frekvencích stávají problematičtějšími.
obrázek 6 (a) Průřez spojkou tlumivky; (b) pohled na přírubu tlumivky zezadu
Pro vyřešení tohoto problému lze mezi vlnovody ponechat malou mezeru, jak je znázorněno na obrázku 6. Tlumivková spojka se skládá z běžné příruby a tlumivkové příruby spojené dohromady. Pro kompenzaci možných nespojitostí se v tlumivkové přírubě používá kruhový tlumivkový kroužek s průřezem ve tvaru L, aby se dosáhlo těsnějšího spojení. Na rozdíl od běžných přírub jsou tlumivkové příruby frekvenčně citlivé, ale optimalizovaná konstrukce může zajistit rozumnou šířku pásma (možná 10 % střední frekvence), nad kterou SWR nepřekročí 1,05.
Čas zveřejnění: 15. ledna 2024
