Hvordan opnår man impedanstilpasning af bølgeledere?Fra transmissionslinjeteorien i mikrostrip-antenneteori ved vi, at passende serie- 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 impedansfejl.Når impedansforringelse forekommer, er løsningen den samme som for transmissionsledninger, det vil sige at ændre den nødvendige værdi. Den klumpede impedans placeres på forud beregnede punkter i bølgelederen for at overvinde misforholdet og derved eliminere virkningerne af refleksioner.Mens transmissionslinjer bruger klumpede impedanser eller stubbe, bruger bølgeledere metalblokke af forskellige former.
figur 1: Bølgeledeririser og ækvivalent kredsløb,(a)kapacitiv;(b)induktiv;(c)resonant.
Figur 1 viser de forskellige former for impedanstilpasning, idet de har en hvilken som helst af de viste former og kan være kapacitiv, induktiv eller resonant.Den matematiske analyse er kompleks, men den fysiske forklaring er det ikke.I betragtning af den første kapacitive metalstrimmel i figuren kan det ses, at potentialet, der eksisterede mellem bølgelederens top- og bundvæg (i den dominerende tilstand) nu eksisterer mellem de to metaloverflader tættere på hinanden, så kapacitansen er point 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 opstår energilagring i magnetfeltet, og induktansen på det punkt af bølgelederen stiger.Desuden, hvis formen og positionen af metalringen i figur c er udformet rimeligt, vil den indførte induktive reaktans og kapacitive reaktans være ens, og åbningen vil være parallel resonans.Dette betyder, at impedanstilpasningen og tuning af hovedtilstanden er meget god, og shunteffekten af denne tilstand vil være ubetydelig.Andre modes eller frekvenser vil dog blive dæmpet, så den resonante metalring fungerer både som et båndpasfilter og et modefilter.
figur 2: (a) bølgelederstolper; (b) to-skrue matcher
En anden måde at tune på er vist ovenfor, hvor en cylindrisk metalstolpe strækker sig fra en af de brede sider ind i bølgelederen, hvilket har samme effekt som en metalstrimmel med hensyn til at give klumpet reaktans på det punkt.Metalstolpen kan være kapacitiv eller induktiv, afhængig af hvor langt den strækker sig ind i bølgelederen.I bund og grund er denne matchningsmetode, at når en sådan metalsøjle strækker sig lidt ind i bølgelederen, giver den en kapacitiv susceptans på det punkt, og den kapacitive susceptans stiger, indtil penetrationen er omkring en fjerdedel af en bølgelængde. På dette tidspunkt opstår serieresonans .Yderligere gennemtrængning af metalstolpen resulterer i, at der tilvejebringes en induktiv susceptans, som aftager, efterhånden som indføringen bliver mere fuldstændig.Resonansintensiteten ved midtpunktsinstallationen er omvendt proportional med søjlens diameter og kan bruges som et filter, men i dette tilfælde bruges det som et båndstopfilter til at transmittere tilstande af højere orden.Sammenlignet med at øge impedansen af metalstrimler er en stor fordel ved at bruge metalstolper, at de er nemme at justere.For eksempel kan to skruer bruges som tuning-enheder for at opnå effektiv bølgeledertilpasning.
Resistive belastninger og dæmpere:
Som ethvert andet transmissionssystem kræver bølgeledere nogle gange perfekt impedanstilpasning og tunede belastninger for fuldt ud at absorbere indkommende bølger uden refleksion og for at være frekvensufølsomme.En anvendelse for sådanne terminaler er at foretage forskellige effektmålinger på systemet uden faktisk at udstråle nogen effekt.
figur 3 bølgeledermodstandsbelastning(a)enkelt konus(b)dobbelt konus
Den mest almindelige resistive terminering er en sektion af tabsgivende dielektrikum installeret for enden af bølgelederen og tilspidset (med spidsen peget mod den indkommende bølge) for ikke at forårsage refleksioner.Dette tabsgivende medium kan optage hele bredden af bølgelederen, eller det kan kun optage midten af enden af bølgelederen, som vist i figur 3. Tilspidsningen kan være enkelt eller dobbelt konisk og har typisk en længde på λp/2, med en samlet længde på cirka to bølgelængder.Normalt lavet af dielektriske plader som glas, belagt med kulfilm eller vandglas på ydersiden.Til højeffektapplikationer kan sådanne terminaler have køleplader tilføjet til ydersiden af bølgelederen, og den strøm, der leveres til terminalen, kan spredes gennem kølepladen eller gennem tvungen luftkøling.
figur 4 Bevægelig vingedæmper
Dielektriske dæmpere kan gøres aftagelige som vist i figur 4. Placeret i midten af bølgelederen kan den flyttes sideværts fra midten af bølgelederen, hvor den vil give den største dæmpning, til kanterne, hvor dæmpningen er stærkt reduceret da den elektriske feltstyrke af den dominerende tilstand er meget lavere.
Dæmpning i bølgeleder:
Energidæmpningen af bølgeledere omfatter hovedsageligt følgende aspekter:
1. Refleksioner fra interne bølgelederdiskontinuiteter eller forkert justerede bølgeledersektioner
2. Tab forårsaget af strøm, der løber i bølgeledervægge
3. Dielektriske tab i fyldte bølgeledere
De to sidste ligner de tilsvarende tab i koaksiale linjer og er begge relativt små.Dette tab afhænger af vægmaterialet og dets ruhed, det anvendte dielektrikum og frekvensen (på grund af hudeffekten).For messingrør er området fra 4 dB/100m ved 5 GHz til 12 dB/100m ved 10 GHz, men for aluminiumsrør er rækkevidden lavere.For sølvbelagte bølgeledere er tabene typisk 8dB/100m ved 35 GHz, 30dB/100m ved 70 GHz og tæt på 500 dB/100m ved 200 GHz.For at reducere tab, især ved de højeste frekvenser, er bølgeledere nogle gange belagt (internt) med guld eller platin.
Som allerede nævnt fungerer bølgelederen som et højpasfilter.Selvom selve bølgelederen er praktisk talt tabsfri, er frekvenser under afskæringsfrekvensen kraftigt dæmpet.Denne dæmpning skyldes refleksion ved bølgeledermundingen snarere end udbredelse.
Bølgelederkobling:
Bølgelederkobling sker normalt gennem flanger, når bølgelederstykker eller komponenter er forbundet med hinanden.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 er meget udbredt i mikrobølgekommunikation, radarsystemer, satellitkommunikation, antennesystemer og laboratorieudstyr i videnskabelig forskning.De bruges til at forbinde forskellige bølgeledersektioner, sikre lækage og interferens forhindres og opretholde præcis justering af bølgelederen for at sikre høj Pålidelig transmission og præcis positionering af frekvens elektromagnetiske bølger.En typisk bølgeleder har en flange i hver ende, som vist i figur 5.
figur 5 (a) almindelig flange; (b) flangekobling.
Ved lavere frekvenser vil flangen blive loddet eller svejset til bølgelederen, mens der ved højere frekvenser anvendes en fladere stødflange.Når to dele samles, boltes flangerne sammen, men enderne skal afsluttes glat for at undgå diskontinuiteter i forbindelsen.Det er naturligvis nemmere at justere komponenterne korrekt med nogle justeringer, så mindre bølgeledere er nogle gange udstyret med gevindflanger, der kan skrues sammen med en ringmøtrik.Når frekvensen stiger, falder størrelsen af bølgelederkoblingen naturligt, og koblingsdiskontinuiteten bliver større i forhold til signalbølgelængden og bølgelederstørrelsen.Derfor bliver diskontinuiteter ved højere frekvenser mere besværlige.
figur 6 (a) Tværsnit af chokerkoblingen; (b) endebillede af chokerflange
For at løse dette problem kan der efterlades et lille mellemrum mellem bølgelederne, som vist på figur 6. En chokerkobling bestående af en almindelig flange og en chokerflange forbundet med hinanden.For at kompensere for eventuelle diskontinuiteter anvendes en cirkulær chokering med et L-formet tværsnit i chokerflangen for at opnå en tættere monteringsforbindelse.I modsætning til almindelige flanger er choker-flanger frekvensfølsomme, men et optimeret design kan sikre en rimelig båndbredde (måske 10% af centerfrekvensen), hvor SWR ikke overstiger 1,05.
Indlægstid: 15-jan-2024
