Hvordan opnår man impedanstilpasning af bølgeledere? Fra transmissionslinjeteorien i mikrostripantenneteorien ved vi, at passende serielle eller parallelle transmissionslinjer kan vælges for at opnå impedanstilpasning mellem transmissionslinjer eller mellem transmissionslinjer og belastninger for at opnå maksimal effekttransmission og minimalt refleksionstab. Det samme princip for impedanstilpasning i mikrostriplinjer gælder for impedanstilpasning i bølgeledere. Refleksioner i bølgeledersystemer kan føre til impedansforringelser. Når der opstår impedansforringelse, er løsningen den samme som for transmissionslinjer, dvs. at ændre den krævede værdi. Den klumpede impedans placeres på forudberegnede punkter i bølgelederen for at overvinde uoverensstemmelsen og derved eliminere virkningerne af refleksioner. Mens transmissionslinjer bruger klumpede impedanser eller stubber, bruger bølgeledere metalblokke i forskellige former.
Figur 1: Bølgeledeririser og tilsvarende kredsløb, (a) Kapacitiv; (b) Induktiv; (c) Resonant.
Figur 1 viser de forskellige typer impedanstilpasning, der kan tage enhver af de viste former og kan være kapacitiv, induktiv eller resonant. Den matematiske analyse er kompleks, men den fysiske forklaring er det ikke. Når man betragter den første kapacitive metalstrimmel i figuren, kan man se, at potentialet, der eksisterede mellem bølgelederens top- og bundvægge (i den dominerende tilstand), nu eksisterer mellem de to metaloverflader i tættere på hinanden, så kapacitansen stiger. I modsætning hertil tillader metalblokken i figur 1b strøm at flyde, hvor den ikke flød før. Der vil være strøm i det tidligere forbedrede elektriske feltplan på grund af tilføjelsen af metalblokken. Derfor forekommer energilagring i magnetfeltet, og induktansen på dette punkt i bølgelederen øges. Derudover, hvis formen og positionen af metalringen i figur c er designet rimeligt, vil den introducerede induktive reaktans og kapacitive reaktans være ens, og aperturen vil være parallel resonans. Dette betyder, at impedanstilpasningen og tuningen af hovedtilstanden er meget god, og shunteffekten af denne tilstand vil være ubetydelig. Andre tilstande eller frekvenser vil dog blive dæmpet, så den resonante metalring fungerer som både et båndpasfilter og et tilstandsfilter.
figur 2: (a) bølgelederstolper; (b) to-skrues matcher
En anden måde at justere på er vist ovenfor, hvor en cylindrisk metalstolpe strækker sig fra en af de brede sider ind i bølgelederen og har samme effekt som en metalstrimmel med hensyn til at give en klumpet reaktans på det punkt. Metalstolpen kan være kapacitiv eller induktiv, afhængigt af hvor langt den strækker sig ind i bølgelederen. Denne tilpasningsmetode går i bund og grund ud på, at når en sådan metalstolpe strækker sig en smule ind i bølgelederen, giver den en kapacitiv susceptans på det punkt, og den kapacitive susceptans øges, indtil penetrationen er omkring en fjerdedel af en bølgelængde. På dette punkt opstår serieresonans. Yderligere penetration af metalstolpen resulterer i en induktiv susceptans, som falder, efterhånden som indsættelsen bliver mere fuldstændig. Resonansintensiteten ved midtpunktsinstallationen er omvendt proportional med søjlens diameter og kan bruges som et filter, men i dette tilfælde bruges den som et båndstopfilter til at transmittere højere ordens tilstande. Sammenlignet med at øge impedansen af metalstrimler er en væsentlig fordel ved at bruge metalstolper, at de er nemme at justere. For eksempel kan to skruer bruges som tuningsenheder for at opnå effektiv bølgeledertilpasning.
Resistive belastninger og dæmpere:
Ligesom ethvert andet transmissionssystem kræver bølgeledere nogle gange perfekt impedanstilpasning og afstemte belastninger for fuldt ud at absorbere indkommende bølger uden refleksion og for at være frekvensufølsomme. En anvendelse af sådanne terminaler er at foretage forskellige effektmålinger på systemet uden rent faktisk at udstråle nogen effekt.
Figur 3 bølgeledermodstandsbelastning (a) enkelt konisk (b) dobbelt konisk
Den mest almindelige resistive terminering er en sektion af et tabsgivende dielektrikum, der er installeret i enden af bølgelederen og konisk (med spidsen pegende mod den indkommende bølge) for ikke at forårsage refleksioner. Dette tabsgivende medium kan optage hele bølgelederens bredde, eller det kan kun optage midten af enden af bølgelederen, som vist i figur 3. Konussen kan være enkelt- eller dobbeltkonisk og har typisk en længde på λp/2 med en samlet længde på cirka to bølgelængder. Normalt lavet af dielektriske plader såsom glas, belagt med kulfilm eller vandglas på ydersiden. Til højeffektapplikationer kan sådanne terminaler have køleplader tilføjet til ydersiden af bølgelederen, og den effekt, der leveres til terminalen, kan afgives gennem kølepladen eller gennem tvungen luftkøling.
figur 4 Bevægelig vingedæmper
Dielektriske dæmpere kan gøres aftagelige som vist i figur 4. Placeret midt i bølgelederen kan de flyttes sidelæns fra midten af bølgelederen, hvor de vil give den største dæmpning, til kanterne, hvor dæmpningen er kraftigt reduceret, da den elektriske feltstyrke i den dominerende tilstand er meget lavere.
Dæmpning i bølgeleder:
Energidæmpningen af bølgeledere omfatter hovedsageligt følgende aspekter:
1. Reflektioner fra interne bølgelederdiskontinuiteter eller forkert justerede bølgeledersektioner
2. Tab forårsaget af strøm, der flyder i bølgeledervægge
3. Dielektriske tab i fyldte bølgeledere
De to sidste svarer til de tilsvarende tab i koaksiale linjer og er begge relativt små. Dette tab afhænger af vægmaterialet og dets ruhed, det anvendte dielektriske materiale og frekvensen (på grund af hudeffekten). For messingrør er intervallet fra 4 dB/100 m ved 5 GHz til 12 dB/100 m ved 10 GHz, men for aluminiumrør er intervallet lavere. For sølvbelagte bølgeledere er tabene typisk 8 dB/100 m ved 35 GHz, 30 dB/100 m ved 70 GHz og tæt på 500 dB/100 m ved 200 GHz. For at reducere tab, især ved de højeste frekvenser, er bølgeledere undertiden belagt (internt) med guld eller platin.
Som allerede påpeget fungerer bølgelederen som et højpasfilter. Selvom bølgelederen i sig selv er stort set tabsfri, er frekvenser under afskæringsfrekvensen kraftigt dæmpede. Denne dæmpning skyldes refleksion ved bølgelederens mund snarere end udbredelse.
Bølgelederkobling:
Bølgelederkobling sker normalt gennem flanger, når bølgelederdele eller -komponenter samles. Funktionen af denne flange er at sikre en jævn mekanisk forbindelse og passende elektriske egenskaber, især lav ekstern stråling og lav intern refleksion.
Flange:
Bølgelederflanger anvendes i vid udstrækning i mikrobølgekommunikation, radarsystemer, satellitkommunikation, antennesystemer og laboratorieudstyr i videnskabelig forskning. De bruges til at forbinde forskellige bølgeledersektioner, sikre, at lækage og interferens forhindres, og opretholde præcis justering af bølgelederen for at sikre høj pålidelig transmission og præcis positionering af elektromagnetiske bølger med høj frekvens. En typisk bølgeleder har en flange i hver ende, som vist i figur 5.
Figur 5 (a) glat flange; (b) flangekobling.
Ved lavere frekvenser vil flangen blive loddet eller svejset til bølgelederen, mens der ved højere frekvenser anvendes en fladere flad flange. Når to dele samles, boltes flangerne sammen, men enderne skal afsluttes glat for at undgå diskontinuiteter i forbindelsen. Det er naturligvis lettere at justere komponenterne korrekt med nogle justeringer, så mindre bølgeledere er undertiden udstyret med gevindflanger, der kan skrues sammen med en ringmøtrik. Efterhånden som frekvensen stiger, mindskes størrelsen af bølgelederkoblingen naturligt, og koblingsdiskontinuiteten bliver større i forhold til signalbølgelængden og bølgelederstørrelsen. Derfor bliver diskontinuiteter ved højere frekvenser mere problematiske.
Figur 6 (a) Tværsnit af chokekobling; (b) Endebillede af chokeflange
For at løse dette problem kan der efterlades et lille mellemrum mellem bølgelederne, som vist i figur 6. En drosselskobling bestående af en almindelig flange og en drosselsflange forbundet sammen. For at kompensere for mulige diskontinuiteter anvendes en cirkulær drosselsring med et L-formet tværsnit i drosselsflangen for at opnå en tættere forbindelse. I modsætning til almindelige flanger er drosselsflanger frekvensfølsomme, men et optimeret design kan sikre en rimelig båndbredde (måske 10 % af centerfrekvensen), over hvilken SWR ikke overstiger 1,05.
Opslagstidspunkt: 15. januar 2024
