Kuinka saavuttaa aaltoputkien impedanssisovitus?Mikroliuskaantenniteorian siirtojohtoteoriasta tiedämme, että sopivat sarja- tai rinnakkaissiirtolinjat voidaan valita impedanssisovituksen saavuttamiseksi siirtolinjojen välillä tai siirtolinjojen ja kuormien välillä maksimaalisen tehonsiirron ja minimaalisen heijastushäviön saavuttamiseksi.Samaa impedanssisovituksen periaatetta mikroliuskajohtoissa pätee aaltoputkien impedanssisovitukseen.Heijastukset aaltoputkijärjestelmissä voivat johtaa impedanssien yhteensopimattomuuteen.Impedanssin heikkenemisen sattuessa ratkaisu on sama kuin siirtolinjoilla, eli vaaditun arvon muuttaminen. Kerrattu impedanssi sijoitetaan ennalta laskettuihin kohtiin aaltoputkessa epäsovituksen voittamiseksi, jolloin eliminoidaan heijastusten vaikutukset.Kun voimajohdot käyttävät niputettuja impedansseja tai typpejä, aaltoputket käyttävät erimuotoisia metallikappaleita.
kuva 1: Aaltoputken iirikset ja vastaavat piirit,(a)kapasitiivinen;(b)induktiivinen;(c)resonanssi.
Kuvassa 1 on esitetty erilaisia impedanssisovitusmuotoja, jotka ovat missä tahansa esitetyistä muodoista ja voivat olla kapasitiivinen, induktiivinen tai resonanssi.Matemaattinen analyysi on monimutkainen, mutta fyysinen selitys ei ole.Kun otetaan huomioon kuvan ensimmäinen kapasitiivinen metallinauha, voidaan nähdä, että aaltoputken ylä- ja alaseinien välissä (dominoivassa tilassa) ollut potentiaali on nyt kahden metallipinnan välissä lähempänä, joten kapasitanssi on piste kasvaa.Sitä vastoin kuvan 1b metallikappale sallii virran kulkea siellä, missä se ei ole virtannut aiemmin.Aiemmin tehostetussa sähkökentän tasossa tulee virtaa metallilohkon lisäämisen vuoksi.Siksi magneettikentässä tapahtuu energian varastoitumista ja induktanssi aaltoputken kyseisessä kohdassa kasvaa.Lisäksi, jos kuvion c metallirenkaan muoto ja sijainti on suunniteltu järkevästi, induktiivinen reaktanssi ja kapasitiivinen reaktanssi ovat samat ja aukko on rinnakkaisresonanssi.Tämä tarkoittaa, että päätilan impedanssisovitus ja viritys on erittäin hyvä, ja tämän tilan ohitusvaikutus on mitätön.Muut tilat tai taajuudet kuitenkin vaimentuvat, joten resonoiva metallirengas toimii sekä kaistanpäästösuodattimena että tilasuodattimena.
kuva 2:(a)aaltoputket;(b)kaksiruuvisovitin
Toinen tapa virittää on esitetty yllä, jossa lieriömäinen metallipylväs ulottuu yhdeltä leveältä sivulta aaltoputkeen, jolla on sama vaikutus kuin metallinauhalla siinä kohdassa, että se tuottaa kokkareen reaktanssin.Metallipylväs voi olla kapasitiivinen tai induktiivinen riippuen siitä, kuinka pitkälle se ulottuu aaltoputkeen.Pohjimmiltaan tämä sovitusmenetelmä on se, että kun tällainen metallipilari ulottuu hieman aaltoputkeen, se tuottaa kapasitiivisen suskeptanssin tässä kohdassa ja kapasitiivinen suskeptanssi kasvaa, kunnes penetraatio on noin neljännes aallonpituudesta. Tässä vaiheessa esiintyy sarjaresonanssia. .Metallipylvään tunkeutuminen edelleen saa aikaan induktiivisen suskeptanssin, joka pienenee sitä mukaa, kun työntäminen tulee täydellisemmäksi.Keskipisteasennuksen resonanssin intensiteetti on kääntäen verrannollinen pylvään halkaisijaan ja sitä voidaan käyttää suodattimena, mutta tässä tapauksessa sitä käytetään kaistanpysäytyssuodattimena siirtämään korkeamman asteen moodeja.Metalliliuskojen impedanssin lisäämiseen verrattuna metallipylväiden käytön suuri etu on, että niitä on helppo säätää.Esimerkiksi kahta ruuvia voidaan käyttää virityslaitteina tehokkaan aaltoputken sovituksen saavuttamiseksi.
Resistiiviset kuormat ja vaimentimet:
Kuten kaikki muutkin siirtojärjestelmät, aaltoputket vaativat joskus täydellisen impedanssisovituksen ja viritetyt kuormat absorboidakseen saapuvat aallot täysin ilman heijastusta ja ollakseen herkkiä taajuudelle.Eräs tällaisten päätteiden sovellus on tehdä erilaisia tehomittauksia järjestelmässä ilman, että se säteilee yhtään tehoa.
kuva 3 aaltoputken resistanssikuorma(a)yksi kartio(b)kaksoiskartio
Yleisin resistiivinen pääte on häviöllisen dielektrisen osa, joka on asennettu aaltoputken päähän ja kartiomainen (kärki osoittaa tulevaa aaltoa kohti), jotta se ei aiheuta heijastuksia.Tämä häviöllinen väliaine voi peittää aaltoputken koko leveyden tai vain aaltoputken pään keskikohdan, kuten kuvassa 3. Suippo voi olla yksi- tai kaksinkertainen kartiomainen ja sen pituus on tyypillisesti λp/2, joiden kokonaispituus on noin kaksi aallonpituutta.Yleensä valmistettu dielektrisistä levyistä, kuten lasista, päällystetty ulkopuolelta hiilikalvolla tai vesilasilla.Suuritehoisissa sovelluksissa tällaisissa liittimissä voi olla jäähdytyselementtejä lisättynä aaltoputken ulkopuolelle, ja terminaaliin syötetty teho voidaan haihduttaa jäähdytyselementin tai pakotetun ilmajäähdytyksen kautta.
kuva 4 Siirrettävä siipivaimennin
Dielektriset vaimentimet voidaan tehdä irrotettaviksi kuvan 4 mukaisesti. Aaltoputken keskelle sijoitettuna se voidaan siirtää sivusuunnassa aaltoputken keskustasta, jossa se tuottaa suurimman vaimennuksen, reunoille, joissa vaimennus pienenee huomattavasti koska hallitsevan tilan sähkökentän voimakkuus on paljon pienempi.
Vaimennus aaltoputkessa:
Aaltoputkien energian vaimennus sisältää pääasiassa seuraavat näkökohdat:
1. Heijastukset aaltoputken sisäisistä epäjatkuvuuksista tai väärin kohdistetuista aaltoputken osista
2. Aaltoputken seinissä kulkevan virran aiheuttamat häviöt
3. Dielektriset häviöt täytetyissä aaltoputkissa
Kaksi viimeistä ovat samankaltaisia kuin vastaavat häviöt koaksiaalisissa linjoissa ja ovat molemmat suhteellisen pieniä.Tämä häviö riippuu seinämateriaalista ja sen karheudesta, käytetystä dielektristä ja taajuudesta (johtuen ihovaikutuksesta).Messinkiputken osalta alue on 4 dB/100 m 5 GHz:llä 12 dB/100 m 10 GHz:llä, mutta alumiiniputkessa alue on pienempi.Hopeapinnoitettujen aaltoputkien häviöt ovat tyypillisesti 8 dB/100 m 35 GHz:llä, 30 dB/100 m 70 GHz:llä ja lähes 500 dB/100 m 200 GHz:llä.Häviöiden vähentämiseksi, erityisesti korkeimmilla taajuuksilla, aaltoputket on joskus päällystetty (sisäisesti) kullalla tai platinalla.
Kuten jo todettiin, aaltoputki toimii ylipäästösuodattimena.Vaikka aaltoputki itsessään on käytännössä häviötön, rajataajuuden alapuolella olevat taajuudet vaimentuvat voimakkaasti.Tämä vaimennus johtuu pikemminkin heijastuksesta aaltoputken suussa kuin etenemisestä.
Aaltoputken kytkentä:
Aaltoputken kytkentä tapahtuu yleensä laippojen kautta, kun aaltoputken osat tai komponentit liitetään yhteen.Tämän laipan tehtävänä on varmistaa tasainen mekaaninen liitos ja sopivat sähköiset ominaisuudet, erityisesti vähäinen ulkoinen säteily ja alhainen sisäinen heijastus.
Laippa:
Aaltoputkilaippoja käytetään laajalti mikroaaltoviestinnässä, tutkajärjestelmissä, satelliittiviestinnässä, antennijärjestelmissä ja laboratoriolaitteistoissa tieteellisessä tutkimuksessa.Niitä käytetään yhdistämään eri aaltoputkiosia, varmistamaan vuotojen ja häiriöiden estäminen ja ylläpitämään aaltoputken tarkkaa kohdistusta korkean Luotettavan lähetyksen ja taajuisten sähkömagneettisten aaltojen tarkan paikantamisen varmistamiseksi.Tyypillisessä aaltoputkessa on laippa molemmissa päissä, kuten kuvassa 5.
kuva 5 (a)tasainen laippa;b)laippakytkin.
Matalilla taajuuksilla laippa juotetaan tai hitsataan aaltoputkeen, kun taas korkeammilla taajuuksilla käytetään litteämpää päittäislaippaa.Kun kaksi osaa liitetään yhteen, laipat pultataan yhteen, mutta päät on viimeisteltävä tasaisesti, jotta vältetään liitoksen epäjatkuvuus.Tietysti on helpompi kohdistaa komponentit oikein tietyillä säädöillä, joten pienemmät aaltoputket on joskus varustettu kierrelaipoilla, jotka voidaan ruuvata yhteen rengasmutterilla.Taajuuden kasvaessa aaltoputkikytkennän koko pienenee luonnollisesti ja kytkennän epäjatkuvuus kasvaa suhteessa signaalin aallonpituuteen ja aaltoputken kokoon.Siksi epäjatkuvuudet korkeammilla taajuuksilla tulevat ongelmallisemmiksi.
kuva 6 (a) Rikastinkytkimen poikkileikkaus; (b) Päätykuva rikastimen laipasta
Tämän ongelman ratkaisemiseksi aaltojohtojen väliin voidaan jättää pieni rako, kuten kuvassa 6. Kuristimen kytkentä, joka koostuu tavallisesta laipasta ja kuristinlaipasta, jotka on yhdistetty toisiinsa.Mahdollisten epäjatkuuksien kompensoimiseksi rikastimen laipassa käytetään pyöreää, poikkileikkaukseltaan L-muotoista kuristinrengasta tiiviimmän liitoksen aikaansaamiseksi.Toisin kuin tavalliset laipat, kuristinlaipat ovat taajuusherkkiä, mutta optimoidulla suunnittelulla voidaan varmistaa kohtuullinen kaistanleveys (ehkä 10 % keskitaajuudesta), jolla SWR ei ylitä 1,05.
Postitusaika: 15.1.2024
