Hvordan oppnå impedanstilpasning av bølgeledere? Fra transmisjonslinjeteorien i mikrostripantenneteorien vet vi at passende serie- eller parallelle transmisjonslinjer kan velges for å oppnå impedanstilpasning mellom transmisjonslinjer eller mellom transmisjonslinjer og laster for å oppnå maksimal effektoverføring og minimalt refleksjonstap. Det samme prinsippet for impedanstilpasning i mikrostriplinjer gjelder for impedanstilpasning i bølgeledere. Refleksjoner i bølgeledersystemer kan føre til impedansavvik. Når impedansforringelse oppstår, er løsningen den samme som for transmisjonslinjer, det vil si å endre den nødvendige verdien. Den klumpede impedansen plasseres på forhåndsberegnede punkter i bølgelederen for å overvinne avviket, og dermed eliminere effekten av refleksjoner. Mens transmisjonslinjer bruker klumpede impedanser eller stubber, bruker bølgeledere metallblokker i forskjellige former.
Figur 1: Bølgeledeririser og tilsvarende kretser, (a) Kapasitiv; (b) induktiv; (c) resonant.
Figur 1 viser de ulike typene impedanstilpasning, i alle de viste formene og kan være kapasitiv, induktiv eller resonant. Den matematiske analysen er kompleks, men den fysiske forklaringen er ikke det. Ved å se på den første kapasitive metallstripen i figuren, kan man se at potensialet som eksisterte mellom bølgelederens topp- og bunnvegger (i dominant modus) nå eksisterer mellom de to metalloverflatene i tettere avstand, slik at kapasitansen øker. I motsetning til dette lar metallblokken i figur 1b strøm flyte der den ikke flytet før. Det vil være strømflyt i det tidligere forbedrede elektriske feltplanet på grunn av tillegget av metallblokken. Derfor skjer energilagring i magnetfeltet, og induktansen på det punktet i bølgelederen øker. I tillegg, hvis formen og plasseringen av metallringen i figur c er utformet på en rimelig måte, vil den induktive reaktansen og den kapasitive reaktansen som introduseres være like, og aperturen vil være parallell resonans. Dette betyr at impedanstilpasningen og innstillingen av hovedmodusen er veldig god, og shunteffekten av denne modusen vil være ubetydelig. Imidlertid vil andre moduser eller frekvenser bli dempet, slik at den resonante metallringen fungerer som både et båndpassfilter og et modusfilter.
figur 2: (a) bølgelederstolper; (b) toskrues matcher
En annen måte å justere på 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 klumpete reaktans på det punktet. Metallstolpen kan være kapasitiv eller induktiv, avhengig av hvor langt den strekker seg inn i bølgelederen. I hovedsak går denne tilpasningsmetoden ut på 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 penetrasjon av metallstolpen resulterer i en induktiv susceptans som avtar etter hvert som innsettingen blir mer fullstendig. Resonansintensiteten ved midtpunktsinstallasjonen er omvendt proporsjonal med diameteren til søylen og kan brukes som et filter, men i dette tilfellet brukes den som et båndstoppfilter for å overføre moduser av høyere orden. Sammenlignet med å øke impedansen til metallstrimler, 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 transmisjonssystemer krever bølgeledere noen ganger perfekt impedanstilpasning og avstemte belastninger for å absorbere innkommende bølger fullt ut uten refleksjon og for å være frekvensufølsomme. En bruksområde for slike terminaler er å foreta forskjellige effektmålinger på systemet uten faktisk å utstråle noen effekt.
Figur 3 bølgeledermotstandsbelastning (a) enkel konisk (b) dobbel konisk
Den vanligste resistive termineringen er en del av et tapsgivende dielektrikum installert på enden av bølgelederen og konisk (med spissen pekende mot den innkommende bølgen) for ikke å forårsake refleksjoner. Dette tapsgivende mediet kan oppta hele bredden av bølgelederen, eller det kan bare oppta midten av enden av bølgelederen, som vist i figur 3. Koniskheten kan være enkel eller dobbel konisk og har vanligvis 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 høyeffektsapplikasjoner kan slike terminaler ha kjøleribber lagt til utsiden av bølgelederen, og effekten som leveres til terminalen kan avgis gjennom kjøleribben eller gjennom tvungen luftkjøling.
figur 4 Bevegelig vingedemper
Dielektriske dempere kan gjøres avtakbare som vist i figur 4. Plassert midt i bølgelederen, kan de flyttes sidelengs fra midten av bølgelederen, hvor den vil gi størst dempning, til kantene, hvor dempningen er kraftig redusert siden den elektriske feltstyrken til den dominerende modusen er mye lavere.
Dempning i bølgeleder:
Energidempingen av bølgeledere omfatter 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 på de tilsvarende tapene i koaksiallinjer, og begge er relativt små. Dette tapet avhenger av veggmaterialet og dets ruhet, det dielektrikum som brukes og frekvensen (på grunn av skinneffekten). For messingrør er området fra 4 dB/100 m ved 5 GHz til 12 dB/100 m ved 10 GHz, men for aluminiumrør er området lavere. For sølvbelagte bølgeledere er tapene vanligvis 8 dB/100 m ved 35 GHz, 30 dB/100 m ved 70 GHz, og nær 500 dB/100 m 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 bølgelederen i seg selv er praktisk talt tapsfri, er frekvenser under grensefrekvensen kraftig dempet. Denne dempningen skyldes refleksjon ved bølgelederens munn snarere enn forplantning.
Bølgelederkobling:
Bølgelederkobling skjer vanligvis gjennom flenser når bølgelederdeler eller -komponenter skjøtes sammen. 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 plassering av elektromagnetiske bølger med høy frekvens. En typisk bølgeleder har en flens i hver ende, som vist i figur 5.
figur 5 (a) vanlig flens; (b) flenskobling.
Ved lavere frekvenser vil flensen bli loddet eller sveiset til bølgelederen, mens ved høyere frekvenser brukes en flatere butt flat flens. Når to deler er sammenføyd, boltes flensene sammen, men endene må være glatt avsluttet for å unngå diskontinuiteter i forbindelsen. Det er åpenbart enklere å justere komponentene riktig med noen justeringer, så mindre bølgeledere er noen ganger utstyrt med gjengede flenser som kan skrus sammen med en ringmutter. Etter hvert som frekvensen øker, reduseres størrelsen på bølgelederkoblingen naturlig, og koblingsdiskontinuiteten blir større i forhold til signalbølgelengden og bølgelederstørrelsen. Derfor blir diskontinuiteter ved høyere frekvenser mer problematiske.
figur 6 (a) Tverrsnitt av chokekobling; (b) Endevisning av chokeflens
For å løse dette problemet kan det etterlates et lite mellomrom mellom bølgelederne, som vist i figur 6. En drosselkobling bestående av en vanlig flens og en drosselflens koblet sammen. For å kompensere for mulige diskontinuiteter brukes en sirkulær drosselring med et L-formet tverrsnitt i drosselflensen for å oppnå en tettere forbindelse. I motsetning til vanlige flenser er drosselflenser frekvensfølsomme, men en optimalisert design kan sikre en rimelig båndbredde (kanskje 10 % av senterfrekvensen) der SWR ikke overstiger 1,05.
Publisert: 15. januar 2024
