Kuinka saavuttaa aaltojohtimien impedanssisovitus? Mikroliuska-antenniteorian siirtolinjateoriasta tiedämme, että sopivat sarja- tai rinnakkaissiirtolinjat voidaan valita impedanssisovituksen saavuttamiseksi siirtolinjojen välillä tai siirtolinjojen ja kuormien välillä maksimaalisen tehonsiirron ja minimaalisen heijastushäviön saavuttamiseksi. Sama mikroliuskajohtojen impedanssisovituksen periaate pätee myös aaltojohtimien impedanssisovitukseen. Aaltojohtimien heijastukset voivat johtaa impedanssin epäsuhtaan. Kun impedanssi heikkenee, ratkaisu on sama kuin siirtolinjoille, eli vaaditun arvon muuttaminen. Kerätty impedanssi sijoitetaan aaltojohteeseen ennalta laskettuihin pisteisiin epäsuhdan voittamiseksi ja siten heijastusten vaikutusten poistamiseksi. Siirtolinjat käyttävät kerättyjä impedansseja eli tynkiä, kun taas aaltojohteet käyttävät erimuotoisia metallilohkoja.
kuva 1: Aaltojohtoiirikset ja vastaava kytkentä, (a) kapasitiivinen; (b) induktiivinen; (c) resonoiva.
Kuvassa 1 on esitetty erilaisia impedanssin sovitustyyppejä, jotka voivat olla kapasitiivisia, induktiivisia tai resonanssisia. Matemaattinen analyysi on monimutkainen, mutta fyysinen selitys ei ole. Tarkasteltaessa kuvan ensimmäistä kapasitiivista metallinauhaa voidaan nähdä, että aaltojohtimen ylä- ja alapintojen välillä (dominoivassa tilassa) ollut potentiaali on nyt olemassa kahden lähempänä toisiaan olevan metallipinnan välillä, joten kapasitanssi kasvaa. Sitä vastoin kuvan 1b metallilohko päästää virran kulkemaan siellä, missä se ei aiemmin kulkenut. Virta kulkee aiemmin parannetun sähkökentän tasossa metallilohkon lisäämisen vuoksi. Näin ollen energian varastointi tapahtuu magneettikentässä ja induktanssi aaltojohtimen kyseisessä kohdassa kasvaa. Lisäksi, jos kuvan c metallirenkaan muoto ja sijainti suunnitellaan järkevästi, induktiivinen ja kapasitiivinen reaktanssi ovat yhtä suuret ja aukko on rinnakkaisresonanssi. Tämä tarkoittaa, että päämoodin impedanssin sovitus ja viritys on erittäin hyvä, ja tämän moodin ohitusvaikutus on merkityksetön. Muut moodit tai taajuudet kuitenkin vaimenevat, joten resonoiva metallirengas toimii sekä kaistanpäästösuodattimena että moodisuodattimena.
kuva 2: (a) aaltojohtimen pylväät; (b) kaksiruuvinen sovitin
Yllä on esitetty toinen viritystapa, jossa sylinterimäinen metallipylväs ulottuu aaltojohtimen toiselta leveältä sivulta ja sillä on sama vaikutus kuin metalliliuskalla, eli se tuottaa kertyneen reaktanssin kyseisessä kohdassa. Metallipylväs voi olla kapasitiivinen tai induktiivinen riippuen siitä, kuinka pitkälle se ulottuu aaltojohtimeen. Pohjimmiltaan tämä sovitusmenetelmä on se, että kun tällainen metallipylväs ulottuu hieman aaltojohtimeen, se tuottaa kapasitiivisen suskeptanssin kyseisessä kohdassa, ja kapasitiivinen suskeptanssi kasvaa, kunnes tunkeutuminen on noin neljännes aallonpituudesta. Tässä kohdassa tapahtuu sarjaresonanssi. Metallipylvään lisätunkeutuminen johtaa induktiiviseen suskeptanssiin, joka pienenee työntymisen edetessä. Keskipisteasennuksen resonanssi-intensiteetti on kääntäen verrannollinen pylvään halkaisijaan ja sitä voidaan käyttää suodattimena, mutta tässä tapauksessa sitä käytetään kaistanestosuodattimena korkeamman asteen aaltomuotojen lähettämiseen. Metalliliuskojen impedanssin kasvattamiseen verrattuna metallipylväiden käytön merkittävä etu on niiden helppo säätö. Esimerkiksi kahta ruuvia voidaan käyttää viritysalustana tehokkaan aaltojohtimen sovituksen saavuttamiseksi.
Resistiiviset kuormat ja vaimentimet:
Kuten missä tahansa muussakin siirtojärjestelmässä, aaltojohtimissa tarvitaan joskus täydellistä impedanssisovitusta ja viritettyjä kuormia, jotta ne absorboivat tulevat aallot täysin heijastumatta ja ovat taajuusherkkiä. Yksi tällaisten päätelaitteiden sovellus on tehdä erilaisia tehomittauksia järjestelmästä ilman, että tehoa itse asiassa säteillään.
Kuva 3 aaltojohtimen vastuskuorma (a) yksi kartio (b) kaksi kartio
Yleisin resistiivinen pääte on aaltojohtimen päähän asennettu häviöllisen dielektrisen materiaalin osa, joka on kapeneva (kärki osoittaa tulevaa aaltoa kohti) heijastusten välttämiseksi. Tämä häviöllinen väliaine voi täyttää aaltojohtimen koko leveyden tai vain aaltojohtimen pään keskiosan, kuten kuvassa 3 on esitetty. Kartio voi olla yksinkertainen tai kaksinkertainen ja sen pituus on tyypillisesti λp/2, kokonaispituuden ollessa noin kaksi aallonpituutta. Yleensä se on valmistettu dielektrisistä levyistä, kuten lasista, ja päällystetty ulkopuolelta hiilikalvolla tai vesilasilla. Suuritehoisissa sovelluksissa tällaisiin liittimiin voidaan lisätä jäähdytyselementtejä aaltojohtimen ulkopuolelle, ja liittimeen syötetty teho voidaan johtaa pois jäähdytyselementin kautta tai pakotetulla ilmajäähdytyksellä.
kuva 4 Liikkuva siipivaimennin
Dielektriset vaimentimet voidaan tehdä irrotettaviksi, kuten kuvassa 4 on esitetty. Aaltoputken keskelle sijoitettuna se voidaan siirtää sivusuunnassa aaltoputken keskeltä, jossa se vaimentaa eniten, reunoille, missä vaimennus pienenee huomattavasti, koska hallitsevan moodin sähkökentän voimakkuus on paljon pienempi.
Vaimennus aaltojohtimessa:
Aaltojohtimien energianvaimennus sisältää pääasiassa seuraavat näkökohdat:
1. Heijastukset sisäisistä aaltojohtimen epäjatkuvuuksista tai väärin kohdistetuista aaltojohtimen osista
2. Aaltojohtimien seinissä kulkevan virran aiheuttamat häviöt
3. Täytetyissä aaltojohteissa olevat dielektriset häviöt
Kaksi viimeistä ovat samankaltaisia kuin vastaavat häviöt koaksiaalijohdoissa ja ovat molemmat suhteellisen pieniä. Tämä häviö riippuu seinämämateriaalista ja sen karheudesta, käytetystä dielektrisestä materiaalista ja taajuudesta (ihovaikutuksen vuoksi). Messinkiputkella alue on 4 dB/100 m 5 GHz:n taajuudella 12 dB/100 m 10 GHz:n taajuudella, mutta alumiiniputkella alue on pienempi. Hopeapäällysteisillä aaltojohteilla häviöt ovat tyypillisesti 8 dB/100 m 35 GHz:n taajuudella, 30 dB/100 m 70 GHz:n taajuudella ja lähes 500 dB/100 m 200 GHz:n taajuudella. Häviöiden vähentämiseksi, erityisesti korkeimmilla taajuuksilla, aaltojohteet joskus pinnoitetaan (sisäisesti) kullalla tai platinalla.
Kuten jo todettiin, aaltojohdin toimii ylipäästösuodattimena. Vaikka aaltojohdin itsessään on käytännössä häviötön, rajataajuuden alapuolella olevat taajuudet vaimenevat merkittävästi. Tämä vaimennus johtuu pikemminkin heijastumisesta aaltojohtimen suulla kuin etenemisestä.
Aaltojohdinkytkentä:
Aaltojohdinkytkentä tapahtuu yleensä laippojen kautta, kun aaltojohdinkappaleet tai -komponentit liitetään yhteen. Tämän laipan tehtävänä on varmistaa sujuva mekaaninen liitos ja sopivat sähköiset ominaisuudet, erityisesti alhainen ulkoinen säteily ja alhainen sisäinen heijastus.
Laippa:
Aaltojohtimien laippoja käytetään laajalti mikroaaltoviestinnässä, tutkajärjestelmissä, satelliittiviestinnässä, antennijärjestelmissä ja laboratoriolaitteissa tieteellisessä tutkimuksessa. Niitä käytetään eri aaltojohtimien osien yhdistämiseen, vuotojen ja häiriöiden estämiseen sekä aaltojohtimien tarkan kohdistuksen ylläpitämiseen korkeataajuisten sähkömagneettisten aaltojen luotettavan siirron ja tarkan asemoinnin varmistamiseksi. Tyypillisessä aaltojohteessa on laippa molemmissa päissä, kuten kuvassa 5 on esitetty.
kuva 5 (a) sileä laippa; (b) laippaliitos.
Alemmilla taajuuksilla laippa juotetaan tai hitsataan aaltojohtimeen, kun taas korkeammilla taajuuksilla käytetään litteämpää, litteää laippaa. Kun kaksi osaa liitetään yhteen, laipat pultataan yhteen, mutta päät on viimeisteltävä tasaisesti, jotta liitoksessa ei synny epäjatkuvuuksia. Komponenttien oikea kohdistaminen on luonnollisesti helpompaa muutamilla säädöillä, joten pienemmissä aaltojohteissa on joskus kierteitetyt laipat, jotka voidaan ruuvata yhteen rengasmutterilla. Taajuuden kasvaessa aaltojohtimen kytkennän koko luonnollisesti pienenee ja kytkennän epäjatkuvuus kasvaa suhteessa signaalin aallonpituuteen ja aaltojohtimen kokoon. Siksi epäjatkuvuudet korkeammilla taajuuksilla ovat ongelmallisempia.
kuva 6 (a) Kuristimen kytkimen poikkileikkaus; (b) Kuristimen laipan päätykuva
Tämän ongelman ratkaisemiseksi aaltojohtimien väliin voidaan jättää pieni rako, kuten kuvassa 6 on esitetty. Kuristinkytkentä koostuu tavallisesta laipasta ja kuristinlaipasta, jotka on yhdistetty toisiinsa. Mahdollisten epäjatkuvuuksien kompensoimiseksi kuristinlaipassa käytetään pyöreää, L-muotoista kuristinrengasta tiiviimmän liitoksen aikaansaamiseksi. Toisin kuin tavalliset laipat, kuristinlaipat ovat taajuusherkkiä, mutta optimoitu rakenne voi varmistaa kohtuullisen kaistanleveyden (ehkä 10 % keskitaajuudesta), jonka yli SWR ei ylitä 1,05:ttä.
Julkaisun aika: 15. tammikuuta 2024
