Как да се постигне импедансно съгласуване на вълноводите? От теорията на преносните линии в теорията на микролентовите антени знаем, че могат да бъдат избрани подходящи последователни или паралелни преносни линии, за да се постигне импедансно съгласуване между преносните линии или между преносните линии и товарите, за да се постигне максимално предаване на мощност и минимални загуби от отражение. Същият принцип на импедансно съгласуване в микролентовите линии се прилага и за импедансното съгласуване във вълноводите. Отраженията във вълноводните системи могат да доведат до импедансни несъответствия. Когато възникне влошаване на импеданса, решението е същото като при преносните линии, т.е. промяна на необходимата стойност. Събраният импеданс се поставя в предварително изчислени точки във вълновода, за да се преодолее несъответствието, като по този начин се елиминират ефектите от отраженията. Докато преносните линии използват събрани импеданси или накрайници, вълноводите използват метални блокове с различни форми.
Фигура 1: Ириси на вълновода и еквивалентна схема, (а) капацитивни; (б) индуктивни; (в) резонансни.
Фигура 1 показва различните видове импедансно съгласуване, приемащи всяка от показаните форми и може да бъде капацитивно, индуктивно или резонансно. Математическият анализ е сложен, но физическото обяснение не е. Разглеждайки първата капацитивна метална лента на фигурата, може да се види, че потенциалът, който е съществувал между горната и долната стена на вълновода (в доминантния режим), сега съществува между двете метални повърхности в по-голяма близост, така че капацитетът се увеличава. За разлика от това, металният блок на Фигура 1b позволява на тока да тече там, където преди не е текъл. Ще има ток в преди това усилената равнина на електрическото поле поради добавянето на металния блок. Следователно, в магнитното поле се случва съхранение на енергия и индуктивността в тази точка на вълновода се увеличава. Освен това, ако формата и позицията на металния пръстен на Фигура c са проектирани разумно, въведеното индуктивно и капацитивно съпротивление ще бъдат равни, а апертурата ще бъде паралелно резонансна. Това означава, че импедансното съгласуване и настройката на основния режим са много добри и шунтиращият ефект на този режим ще бъде незначителен. Въпреки това, други режими или честоти ще бъдат затихнати, така че резонансният метален пръстен действа едновременно като лентов филтър и като режимов филтър.
фигура 2: (а) вълноводни стълбове; (б) двувинтов съпоставител
Друг начин за настройка е показан по-горе, където цилиндричен метален стълб се простира от едната широка страна във вълновода, имайки същия ефект като метална лента по отношение на осигуряване на скучено реактивно съпротивление в тази точка. Металният стълб може да бъде капацитивен или индуктивен, в зависимост от това колко далеч се простира във вълновода. По същество този метод на съгласуване е, че когато такъв метален стълб се простира леко във вълновода, той осигурява капацитивно съпротивление в тази точка и капацитивното съпротивление се увеличава, докато проникването достигне около една четвърт от дължината на вълната. В тази точка възниква последователен резонанс. По-нататъшното проникване на металния стълб води до осигуряване на индуктивно съпротивление, което намалява с по-пълно вмъкване. Интензитетът на резонанса в средната точка на монтаж е обратно пропорционален на диаметъра на стълба и може да се използва като филтър, но в този случай се използва като лентов ограничител за предаване на модове от по-висок порядък. В сравнение с увеличаването на импеданса на металните ленти, основно предимство на използването на метални стълбове е, че те са лесни за регулиране. Например, два винта могат да се използват като настройващи устройства за постигане на ефективно съгласуване на вълноводите.
Резистивни товари и атенюатори:
Както всяка друга предавателна система, вълноводите понякога изискват перфектно съгласуване на импеданса и настроени товари, за да абсорбират напълно входящите вълни без отражение и да бъдат нечувствителни към честотата. Едно от приложенията на такива терминали е да се правят различни измервания на мощността на системата, без реално да се излъчва каквато и да е мощност.
Фигура 3 Съпротивление на вълновода при натоварване (a) с единична конусност (b) с двойна конусност
Най-често срещаното резистивно завършване е секция от диелектрик със загуби, инсталирана в края на вълновода и заострена (с върха, насочен към входящата вълна), така че да не причинява отражения. Тази среда със загуби може да заема цялата ширина на вълновода или може да заема само центъра на края на вълновода, както е показано на Фигура 3. Заострението може да бъде единично или двойно заострено и обикновено има дължина λp/2, с обща дължина приблизително две дължини на вълната. Обикновено се изработва от диелектрични плочи, като например стъкло, покрити с въглероден филм или водно стъкло отвън. За приложения с висока мощност, такива терминали могат да имат добавени радиатори от външната страна на вълновода, а мощността, подавана към терминала, може да се разсейва през радиатора или чрез принудително въздушно охлаждане.
фигура 4 Подвижен атенюатор с лопатки
Диелектричните атенюатори могат да бъдат подвижни, както е показано на Фигура 4. Поставени в средата на вълновода, те могат да се местят странично от центъра на вълновода, където ще осигурят най-голямо затихване, към краищата, където затихването е значително намалено, тъй като силата на електрическото поле на доминиращия режим е много по-ниска.
Затихване във вълновода:
Затихването на енергията на вълноводите включва главно следните аспекти:
1. Отражения от вътрешни прекъсвания на вълновода или неправилно подравнени секции на вълновода
2. Загуби, причинени от ток, протичащ през стените на вълновода
3. Диелектрични загуби в запълнени вълноводи
Последните две са подобни на съответните загуби в коаксиалните линии и двете са относително малки. Тази загуба зависи от материала на стената и нейната грапавост, използвания диелектрик и честотата (поради скин-ефекта). За месингови тръбопроводи диапазонът е от 4 dB/100m при 5 GHz до 12 dB/100m при 10 GHz, но за алуминиеви тръбопроводи диапазонът е по-нисък. За вълноводи със сребристо покритие загубите обикновено са 8dB/100m при 35 GHz, 30dB/100m при 70 GHz и близо 500 dB/100m при 200 GHz. За да се намалят загубите, особено при най-високите честоти, вълноводите понякога се покриват (вътрешно) със злато или платина.
Както вече беше посочено, вълноводът действа като високочестотен филтър. Въпреки че самият вълновод е практически без загуби, честотите под граничната честота са силно отслабени. Това затихване се дължи на отражението в устието на вълновода, а не на разпространението.
Вълноводно свързване:
Свързването на вълноводите обикновено се осъществява чрез фланци, когато части или компоненти на вълновода се съединяват. Функцията на този фланец е да осигури гладка механична връзка и подходящи електрически свойства, по-специално ниско външно излъчване и ниско вътрешно отражение.
Фланец:
Фланците за вълноводи се използват широко в микровълнови комуникации, радарни системи, сателитни комуникации, антенни системи и лабораторно оборудване в научните изследвания. Те се използват за свързване на различни секции на вълновода, за предотвратяване на изтичане и смущения и за поддържане на прецизно подравняване на вълновода, за да се осигури високо надеждно предаване и прецизно позициониране на честотни електромагнитни вълни. Типичният вълновод има фланец на всеки край, както е показано на Фигура 5.
фигура 5 (а) обикновен фланец; (б) фланцово съединение.
При по-ниски честоти фланецът ще бъде запоен или заварен към вълновода, докато при по-високи честоти се използва плосък фланец с челна повърхност. Когато две части се съединяват, фланците се завинтват заедно, но краищата им трябва да бъдат гладко завършени, за да се избегнат прекъсвания във връзката. Очевидно е по-лесно компонентите да се подравнят правилно с някои корекции, така че по-малките вълноводи понякога са оборудвани с резбовани фланци, които могат да се завинтят заедно с пръстеновидна гайка. С увеличаване на честотата размерът на съединението на вълновода естествено намалява и прекъсването на свързването става по-голямо пропорционално на дължината на вълната на сигнала и размера на вълновода. Следователно, прекъсванията при по-високи честоти стават по-проблематични.
фигура 6 (а) Напречно сечение на дроселовата муфа; (б) Изглед отпред на дроселовия фланец
За да се реши този проблем, между вълноводите може да се остави малка междина, както е показано на Фигура 6. Дроселна връзка, състояща се от обикновен фланец и дроселен фланец, свързани заедно. За да се компенсират евентуални прекъсвания, във фланеца на дросела се използва кръгъл дроселен пръстен с L-образно напречно сечение, за да се постигне по-плътно прилягане. За разлика от обикновените фланци, дроселните фланци са честотно чувствителни, но оптимизираният дизайн може да осигури разумна честотна лента (може би 10% от централната честота), над която КСВ не надвишава 1,05.
Време на публикуване: 15 януари 2024 г.
