Съгласуване на импеданса на вълноводае процес на намаляване на електрическото прекъсване между вълновода и свързания към него компонент. Когато импедансите не съвпадат, част от падащия микровълнов сигнал се отразява към източника. Резултатът е по-високо КСВ (VSWR), по-малка мощност, подавана към товара, и по-непредсказуема производителност на системата.
За разлика от коаксиалната линия, кухият вълновод обикновено не използва конвенционални резистори с струпвания или накрайници за предавателна линия за съгласуване. Вместо това, проектантите оформят електромагнитното поле с ириси, стълбове, настройващи винтове, конуси, преходи, съгласувани товари и внимателно проектирани фланцови интерфейси. Най-подходящият метод зависи от работната честота, честотната лента, нивото на мощност, размера на вълновода и дали настройката трябва да бъде фиксирана или настройваема.
Защо е важно съвпадението на импеданса на вълновода
Всяка рязка промяна в геометрията на вълновода може да наруши разпределението на полето и да създаде отразена вълна. Добре съгласуваният монтаж помага за:
- намаляване на отразената мощност и VSWR;
- подобряване на преноса на енергия между източник, предавателен път и товар;
- предпазвайте мощните микровълнови източници от прекомерна отразена енергия;
- стабилизиране на измервания, направени с антени, адаптери, товари и други компоненти на вълновода;
- поддържат повтаряема производителност в целия необходим честотен диапазон.
Често срещани източници на несъответствие включват промени в размера на вълновода, огъвания, стъпала, сонди, несъвършени преходи, междини между фланците, несъответствие и товар, чийто импеданс се различава от импеданса на вълновода.
Фигура 1: Ириси на вълновода и еквивалентна схема, (а) капацитивни; (б) индуктивни; (в) резонансни.
1. Вълноводни ириси: капацитивно, индуктивно и резонансно съгласуване
Ирисът на вълновода е тънка проводима диафрагма, поставена върху част от вълновода. Чрез промяна на локалното електрическо или магнитно поле, ирисът въвежда контролирано шунтово реактивно съпротивление, което може да компенсира реактивното съпротивление на прекъсване или товар.
Капацитивен ирис
Капацитивният ирис концентрира електрическото поле в по-малка област. Увеличената енергия на електрическото поле създава капацитивен ефект в равнината на съвпадение. Може да се използва, когато съществуващото прекъсване изисква компенсиране на индуктивното съпротивление.
Индуктивен ирис
Индуктивният ирис променя пътя на повърхностния ток и увеличава енергията на магнитното поле около отвора. Неговата индуктивна сусцептанс може да компенсира капацитивно несъответствие. Размерите на отвора и неговото положение по протежение на водача определят силата на корекцията.
Резонансен ирис
Резонансният ирис комбинира капацитивни и индуктивни ефекти. При проектната честота двата ефекта могат да се балансират, така че доминиращият режим да преминава с малко отражение. Далеч от резонанса, същата структура може да осигури и честотна или модова селективност.
Ирисите са компактни и механично стабилни, но обикновено се фиксират след производството. Следователно размерите им трябва да бъдат проектирани за предвидената лента на вълновода, режим на работа и честотна лента, а не да се регулират след сглобяването.
фигура 2: (а) вълноводни стълбове; (б) двувинтов съпоставител
2. Тунинг стълбове и винтове
Проводящ стълб или настройващ винт, вкаран през стената на вълновода, въвежда локализирано реактивно съпротивление. Неговият диаметър, дълбочина на проникване и позиция спрямо прекъсването определят дали ефектът е предимно капацитивен или индуктивен и колко силно променя съвпадението.
Плиткото проникване обикновено води до малка корекция. С навлизането на стълба във водача, сусцептансът се променя и може да премине през резонанс. Това прави настройващите винтове практични за лабораторна настройка, производствено подрязване и компенсация на допуски, които не могат да бъдат предвидени перфектно по време на проектирането.
Предимства на регулируемото съвпадение
- Съвпадението може да се настройва, докато се следи загубата на отражение или VSWR;
- два или повече винта осигуряват допълнителен контрол върху амплитудата и фазата;
- Регулирането може да компенсира адаптер, сонда, огъване или натоварване;
- Крайната настройка може да бъде заключена след проверка.
Полезната честотна лента се определя от цялата структура, а не само от винта. Прекомерното проникване може да създаде остър резонанс, да увеличи загубите, да наруши режимите от по-висок порядък или да намали мощността. Следователно настройката трябва да се извършва в цялата работна лента, а не само на една честота.
Стълбовете и винтовете обикновено се вграждат вадаптери от вълновод към коаксиален кабели други компоненти на вълновода, където полето трябва да преминава между различни предавателни структури.
3. Съвпадащи товари и атенюатори
Съвпадащ вълноводен товар прекратява пътя на предаване и преобразува падащата микровълнова енергия в топлина с минимално отражение. Използва се за измервания на мощност, тестови настройки, неизползвани портове и всяко приложение, което изисква дефинирано прекратяване с ниско отражение.
Атенюаторът служи за различна цел: той намалява амплитудата на сигнала с контролирано количество, като същевременно поддържа приемливо съответствие и на двата порта. И двете устройства зависят от постепенно взаимодействие с материал със загуби, така че полето да се абсорбира, без да се създава рязка промяна в импеданса.
Разгледайте RF MISOвълноводни товариза опции на компоненти в различните вълноводни ленти и изисквания за мощност.
Фигура 3 Съпротивление на вълновода при натоварване (a) с единична конусност (b) с двойна конусност
Конични вълноводни товари
Най-често срещаното съгласувано завършване използва диелектричен или резистивен елемент със загуби, който е скосен към входящата вълна. Постепенната промяна позволява на полето да навлезе в абсорбера с по-малко отражение, отколкото при рязък блок от материал.
Абсорбаторът може да обхваща водача или да заема областта с високо поле близо до центъра му. Дължината на конуса, разпределението на загубите и термичният му дизайн се избират спрямо честотната лента и нивото на мощност. Натоварванията с по-висока мощност може да изискват по-голям корпус, радиатор или принудително въздушно охлаждане, за да се отстрани безопасно абсорбираната енергия.
фигура 4 Подвижен атенюатор с лопатки
Подвижни лопаткови атенюатори
Подвижна диелектрична лопатка променя затихването, като се движи през области с различна сила на електрическото поле. В центъра на полето с доминиращ режим лопатката абсорбира повече енергия; близо до странична стена полето е по-слабо и затихването намалява. Механизмът осигурява регулируемо намаляване на сигнала, без да се променя пътя на вълновода.
Загуби на вълновода спрямо несъответствие на импеданса
Затихването и несъответствието са свързани, но не са едно и също нещо. Несъответствието връща част от падащата енергия към източника, докато загубите в проводника и диелектричните загуби преобразуват част от предаваната енергия в топлина.
Основните източници на деградация са:
- отражения от стъпала, извивки, сонди, фланцови пролуки или неправилно подравнени секции;
- загуба на проводник, причинена от повърхностен ток в стените на вълновода;
- диелектрични загуби от прозорци, опори, абсорбатори или запълнени секции;
- грапавост на повърхността, замърсяване, корозия и лош електрически контакт.
Вълноводът се държи и като високочестотна структура. Честотите под граничната стойност на избрания режим не се разпространяват нормално и са силно затихнати. Поради тази причина, работната лента, размерът на вълновода и желаният режим трябва да бъдат потвърдени, преди да се оптимизира съгласуването.
4. Преходи, адаптери и фланцови съединения
Преход или адаптер променя полето постепенно между различни размери на вълноводите, ориентации или предавателни среди. Постепенните стеснявания обикновено осигуряват по-широко съгласуване от единична остра стъпка, докато компактен стъпаловиден преход може да е за предпочитане, когато пространството е ограничено.
Адаптери от вълновод към коаксиален кабелкомбинирайте механичен преход със сонда или пусково устройство, което възбужда необходимия вълноводен режим. Позицията на сондата, разстоянието между късите лъчи и всеки настройващ елемент трябва да работят заедно в указаната лента.
Защо е важно подравняването на фланците
Вълноводните секции обикновено се свързват с фланци. Тяхната задача е да поддържат механично подравняване, да осигуряват надежден електрически контакт и да минимизират течовете и вътрешното отражение. Пролука, отместване, повредена уплътнителна повърхност или неравномерен натиск на болта могат да доведат до значително прекъсване, особено при по-къси дължини на вълната.
фигура 5 (а) обикновен фланец; (б) фланцово съединение.
Обикновени и прецизни фланци
Гладките контактни фланци работят добре, когато свързващите повърхности са плоски, чисти и точно подравнени. При по-високи честоти малките размерни грешки представляват по-голяма част от дължината на вълната, така че обработката на повърхността, подравняването на направляващите елементи и въртящият момент на болтовете стават по-важни.
Практически проверки на сглобяването
- потвърдете, че и двата компонента използват един и същ размер на вълновода и съвместим стандарт за фланци;
- почистете свързващите повърхности и ги проверете за вдлъбнатини, грапавини или корозия;
- подравнете отворите, преди да затегнете крепежните елементи;
- затегнете болтовете равномерно, така че повърхностите на фланците да останат успоредни;
- Проверете сглобения път с калибриран векторен мрежов анализатор.
фигура 6 (а) Напречно сечение на дроселовата муфа; (б) Изглед отпред на дроселовия фланец
Съединител на дроселов фланец
Дроселният фланец използва вдлъбнат пръстен или жлеб около отвора, за да контролира тока в съединението. Когато е правилно оразмерен за работната лента, той може да намали чувствителността към малка механична междина и да подобри електрическата връзка. Тъй като дроселът зависи от честотата, неговата геометрия трябва да бъде съобразена с предвидената лента.
Как да проверим съвпадение на вълновода
- Калибрирайте векторен мрежов анализатор в съответните референтни равнини.
- Измерете S11 или загубата на отражение в целия работен диапазон, а не само на една честота.
- Преобразувайте резултата във VSWR, ако това е спецификацията на проекта.
- Регулирайте настройващите винтове или други променливи елементи на малки стъпки, докато наблюдавате пълния обхват.
- Проверете отново след окончателното затягане, термичната стабилизация и монтажа на съседните компоненти.
Добрият резултат се определя от системната спецификация. Една единствена точка с ниско отражение може да е недостатъчна, ако приложението изисква широка честотна лента, стабилно захранване или повтаряема производителност след сглобяване.
Как да изберем метод за съвпадение
- Ириси:компактен, фиксиран и подходящ за проектирана честотна характеристика.
- Стълбове или винтове:регулируем и полезен за настройване на производствените допуски.
- Стеснения и преходи:предпочитан, когато е необходима постепенна трансформация на полето и по-широка честотна лента.
- Съответстващи товари:завършват порт и абсорбират падащата мощност с ниско отражение.
- Дроселни фланци:подобрете избраните фланцови съединения, когато не може да се избегне малка хлабина.
Приложения
Съвпадението на импеданса на вълновода е важно в радарните входове, сателитното комуникационно оборудване, антенните захранвания, микровълновите измервателни системи, предавателите, приемниците и мощните тестови установки. То е от основно значение и за работата на адаптери, товари, превключватели, ортомодни преобразуватели и други.компоненти на вълновода.
Често задавани въпроси
Какво показва високият VSWR във вълноводна система?
Високият VSWR показва, че значителна част от падащата вълна се отразява. Причината може да е самият товар или прекъсване, като например адаптер, сонда, огъване, хлабина на фланеца или неправилно подравнена секция.
Може ли настройващ винт да осигури широколентово съгласуване?
Настройващият винт може ефективно да коригира несъответствие, но силната резонансна настройка може да е тяснолентова. Широколентовите характеристики обикновено изискват целият преход, позицията на винта и околната геометрия да бъдат проектирани заедно.
Как могат да се намалят отраженията от фланеца на вълновода?
Използвайте съвместими фланци, поддържайте свързващите повърхности чисти и плоски, подравнете отворите точно и затегнете крепежните елементи равномерно. Потвърдете крайния монтаж с мрежов анализатор.
Каква е разликата между вълноводен товар и атенюатор?
Товарът завършва порт и абсорбира почти цялата падаща енергия. Атенюаторът е устройство с два порта, което намалява нивото на сигнала с определено количество, като същевременно предава останалата енергия към своя изход.
За помощ при избора на адаптер за вълновод, товар или персонализирана структура за съгласуване,свържете се с RF MISOс честотния диапазон, размера на вълновода, честотната лента, нивото на мощност и целевия VSWR (стойност на КСВ).
Време на публикуване: 15 януари 2024 г.
