Hvordan oppnå impedanstilpasning av bølgeledere? Fra overføringslinjeteorien i mikrostripantenneteori vet vi at passende serie- eller parallelle overføringslinjer kan velges for å oppnå impedanstilpasning mellom overføringslinjer eller mellom overføringslinjer og belastninger for å oppnå maksimal kraftoverføring og minimalt refleksjonstap. Det samme prinsippet for impedanstilpasning i mikrostriplinjer gjelder for impedanstilpasning i bølgeledere. Refleksjoner i bølgeledersystemer kan føre til impedansfeil. Når det oppstår impedansforringelse, er løsningen den samme som for transmisjonslinjer, det vil si å endre den nødvendige verdien. Den klumpede impedansen plasseres på forhåndsberegnet punkter i bølgelederen for å overvinne misforholdet, og dermed eliminere effekten av refleksjoner. Mens overføringslinjer bruker klumpede impedanser eller stubber, bruker bølgeledere metallblokker av forskjellige former.
figur 1: Bølgeledeririser og ekvivalent krets,(a)Kapasitiv;(b)induktiv;(c)resonant.
Figur 1 viser de forskjellige typene av impedanstilpasning, med hvilken som helst av de viste formene og kan være kapasitiv, induktiv eller resonant. Den matematiske analysen er kompleks, men den fysiske forklaringen er det ikke. Tatt i betraktning den første kapasitive metallstripen i figuren, kan det sees at potensialet som eksisterte mellom topp- og bunnveggene til bølgelederen (i den dominerende modusen) nå eksisterer mellom de to metalloverflatene i tettere nærhet, så kapasitansen er poeng øker. I motsetning til dette lar metallblokken i figur 1b strøm flyte der den ikke strømmet før. Det vil være strøm i det tidligere forbedrede elektriske feltplanet på grunn av tilsetningen av metallblokken. Derfor skjer energilagring i magnetfeltet og induktansen ved det punktet av bølgelederen øker. I tillegg, hvis formen og posisjonen til metallringen i figur c er utformet rimelig, vil den induktive reaktansen og den kapasitive reaktansen som innføres være like, og aperturen vil være parallell resonans. Dette betyr at impedanstilpasningen og innstillingen av hovedmodusen er veldig god, og shunteffekten til denne modusen vil være ubetydelig. Imidlertid vil andre moduser eller frekvenser bli dempet, så den resonante metallringen fungerer både som et båndpassfilter og et modusfilter.
figur 2: (a) bølgelederstolper; (b) to-skrue matcher
En annen måte å stille inn er vist ovenfor, hvor en sylindrisk metallstolpe strekker seg fra en av de brede sidene inn i bølgelederen, og har samme effekt som en metallstrimmel når det gjelder å gi klumpet reaktans på det punktet. Metallstolpen kan være kapasitiv eller induktiv, avhengig av hvor langt den strekker seg inn i bølgelederen. I hovedsak er denne matchingsmetoden at når en slik metallsøyle strekker seg litt inn i bølgelederen, gir den en kapasitiv susceptans på det punktet, og den kapasitive susceptansen øker til penetrasjonen er omtrent en fjerdedel av en bølgelengde. På dette punktet oppstår serieresonans . Ytterligere penetrering av metallstolpen resulterer i at det tilveiebringes en induktiv susceptans som avtar når innføringen blir mer fullstendig. Resonansintensiteten ved midtpunktsinstallasjonen er omvendt proporsjonal med diameteren til søylen og kan brukes som et filter, men i dette tilfellet brukes det som et båndstoppfilter for å overføre moduser av høyere orden. Sammenlignet med å øke impedansen til metalllister, er en stor fordel med å bruke metallstolper at de er enkle å justere. For eksempel kan to skruer brukes som innstillingsenheter for å oppnå effektiv bølgeledertilpasning.
Resistive belastninger og dempere:
Som alle andre overføringssystem, krever bølgeledere noen ganger perfekt impedanstilpasning og innstilte belastninger for å absorbere innkommende bølger fullt ut uten refleksjon og for å være frekvensufølsomme. En applikasjon for slike terminaler er å foreta ulike effektmålinger på systemet uten egentlig å utstråle noen effekt.
figur 3 bølgeledermotstandsbelastning(a)enkelt taper(b)dobbelt taper
Den vanligste resistive termineringen er en del av dielektrikum med tap som er installert på enden av bølgelederen og avsmalnet (med spissen pekt mot den innkommende bølgen) for ikke å forårsake refleksjoner. Dette tapsgivende mediet kan okkupere hele bredden av bølgelederen, eller det kan oppta bare midten av enden av bølgelederen, som vist i figur 3. Taperen kan være enkel eller dobbel konisk og har typisk en lengde på λp/2, med en total lengde på omtrent to bølgelengder. Vanligvis laget av dielektriske plater som glass, belagt med karbonfilm eller vannglass på utsiden. For høyeffektapplikasjoner kan slike terminaler ha kjøleribber lagt til utsiden av bølgelederen, og kraften som leveres til terminalen kan spres gjennom kjøleribben eller gjennom tvungen luftkjøling.
figur 4 Bevegelig vingedemper
Dielektriske attenuatorer kan gjøres avtagbare som vist i figur 4. Plassert i midten av bølgelederen, kan den flyttes sideveis fra midten av bølgelederen, hvor den vil gi størst dempning, til kantene, hvor dempningen reduseres kraftig. siden den elektriske feltstyrken til den dominerende modusen er mye lavere.
Dempning i bølgeleder:
Energidempingen av bølgeledere inkluderer hovedsakelig følgende aspekter:
1. Refleksjoner fra interne bølgelederdiskontinuiteter eller feiljusterte bølgelederseksjoner
2. Tap forårsaket av strøm som flyter i bølgeledervegger
3. Dielektriske tap i fylte bølgeledere
De to siste ligner de tilsvarende tapene i koaksiallinjer og er begge relativt små. Dette tapet avhenger av veggmaterialet og dets ruhet, dielektrikumet som brukes og frekvensen (på grunn av hudeffekten). For messingrør er rekkevidden fra 4 dB/100m ved 5 GHz til 12 dB/100m ved 10 GHz, men for aluminiumsrør er rekkevidden lavere. For sølvbelagte bølgeledere er tapene typisk 8dB/100m ved 35 GHz, 30dB/100m ved 70 GHz og nær 500 dB/100m ved 200 GHz. For å redusere tap, spesielt ved de høyeste frekvensene, er bølgeledere noen ganger belagt (internt) med gull eller platina.
Som allerede påpekt, fungerer bølgelederen som et høypassfilter. Selv om selve bølgelederen er praktisk talt tapsfri, er frekvenser under grensefrekvensen sterkt dempet. Denne dempningen skyldes refleksjon ved bølgeledermunningen snarere enn forplantning.
Bølgelederkobling:
Bølgelederkobling skjer vanligvis gjennom flenser når bølgelederstykker eller komponenter er sammenføyd. Funksjonen til denne flensen er å sikre en jevn mekanisk forbindelse og passende elektriske egenskaper, spesielt lav ekstern stråling og lav intern refleksjon.
Flens:
Bølgelederflenser er mye brukt i mikrobølgekommunikasjon, radarsystemer, satellittkommunikasjon, antennesystemer og laboratorieutstyr i vitenskapelig forskning. De brukes til å koble sammen forskjellige bølgelederseksjoner, sikre at lekkasje og interferens forhindres, og opprettholde presis justering av bølgelederen for å sikre høy pålitelig overføring og presis posisjonering av elektromagnetiske frekvensbølger. En typisk bølgeleder har en flens i hver ende, som vist i figur 5.
figur 5 (a) ren flens; (b) flenskobling.
Ved lavere frekvenser vil flensen være loddet eller sveiset til bølgelederen, mens ved høyere frekvenser brukes en flatere flens. Ved sammenføyning av to deler boltes flensene sammen, men endene må etterbehandles jevnt for å unngå diskontinuiteter i forbindelsen. Det er åpenbart lettere å justere komponentene riktig med noen justeringer, så mindre bølgeledere er noen ganger utstyrt med gjengede flenser som kan skrus sammen med en ringmutter. Når frekvensen øker, avtar størrelsen på bølgelederkoblingen naturlig, og koblingsdiskontinuiteten blir større proporsjonalt med signalbølgelengden og bølgelederstørrelsen. Derfor blir diskontinuiteter ved høyere frekvenser mer plagsomme.
figur 6 (a) Tverrsnitt av chokekoblingen; (b) enderiss av chokeflensen
For å løse dette problemet kan det etterlates et lite gap mellom bølgelederne, som vist i figur 6. En strupekopling som består av en vanlig flens og en strupeflens koblet sammen. For å kompensere for mulige diskontinuiteter brukes en sirkulær strupering med L-formet tverrsnitt i strupeflensen for å oppnå en tettere monteringsforbindelse. I motsetning til vanlige flenser er chokeflenser frekvensfølsomme, men en optimalisert design kan sikre en rimelig båndbredde (kanskje 10 % av senterfrekvensen) som SWR ikke overstiger 1,05.
Innleggstid: 15-jan-2024
