Hoe impedantieaanpassing van golfgeleiders te bereiken? Uit de transmissielijntheorie in de microstripantennetheorie weten we dat geschikte serie- of parallelle transmissielijnen kunnen worden geselecteerd om impedantieaanpassing tussen transmissielijnen of tussen transmissielijnen en belastingen te bereiken om maximale vermogensoverdracht en minimaal reflectieverlies te bereiken. Hetzelfde principe van impedantieaanpassing in microstriplijnen is van toepassing op impedantieaanpassing in golfgeleiders. Reflecties in golfgeleidersystemen kunnen leiden tot impedantiemisaanpassingen. Wanneer impedantieverslechtering optreedt, is de oplossing dezelfde als voor transmissielijnen, namelijk het wijzigen van de vereiste waarde. De geconcentreerde impedantie wordt op vooraf berekende punten in de golfgeleider geplaatst om de misaanpassing te overwinnen en zo de effecten van reflecties te elimineren. Terwijl transmissielijnen geconcentreerde impedanties of stubs gebruiken, gebruiken golfgeleiders metalen blokken van verschillende vormen.
Figuur 1: Golfgeleideririssen en equivalent circuit, (a)Capacitief; (b)Inductief; (c)Resonant.
Figuur 1 toont de verschillende soorten impedantieaanpassing, in alle getoonde vormen, capacitief, inductief of resonant. De wiskundige analyse is complex, maar de fysische verklaring niet. Als we de eerste capacitieve metalen strip in de figuur bekijken, zien we dat het potentiaal dat bestond tussen de boven- en onderwand van de golfgeleider (in de dominante modus) nu ook bestaat tussen de twee metalen oppervlakken die dichter bij elkaar liggen, waardoor de capaciteit toeneemt. Het punt neemt toe. Het metalen blok in figuur 1b daarentegen laat stroom vloeien waar dat voorheen niet gebeurde. Door de toevoeging van het metalen blok zal er stroom vloeien in het eerder versterkte elektrische veldvlak. Daardoor vindt energieopslag plaats in het magnetische veld en neemt de inductantie op dat punt van de golfgeleider toe. Bovendien, als de vorm en positie van de metalen ring in figuur c redelijk zijn ontworpen, zullen de geïntroduceerde inductieve en capacitieve reactantie gelijk zijn en zal de opening parallel resonant zijn. Dit betekent dat de impedantie-aanpassing en afstemming van de hoofdmodus zeer goed is en dat het shunteffect van deze modus verwaarloosbaar is. Andere modi of frequenties worden echter verzwakt, waardoor de resonante metalen ring zowel als banddoorlaatfilter als modefilter fungeert.
Figuur 2: (a) golfgeleiderpalen; (b) twee-schroefmatcher
Een andere manier om af te stemmen wordt hierboven getoond, waarbij een cilindrische metalen paal zich vanaf een van de brede zijden in de golfgeleider uitstrekt, met hetzelfde effect als een metalen strip wat betreft het leveren van geconcentreerde reactantie op dat punt. De metalen paal kan capacitief of inductief zijn, afhankelijk van hoe ver deze in de golfgeleider steekt. In wezen houdt deze afstemmingsmethode in dat wanneer zo'n metalen paal zich iets in de golfgeleider uitstrekt, deze op dat punt een capacitieve susceptantie creëert, en de capacitieve susceptantie toeneemt tot de penetratie ongeveer een kwart golflengte bedraagt. Op dit punt treedt serieresonantie op. Verdere penetratie van de metalen paal resulteert in een inductieve susceptantie die afneemt naarmate de insertie vollediger wordt. De resonantie-intensiteit bij de middelste installatie is omgekeerd evenredig met de diameter van de kolom en kan als filter worden gebruikt. In dit geval wordt het echter gebruikt als een bandfilter om hogere-orde modi door te laten. Vergeleken met het verhogen van de impedantie van metalen strips, is een groot voordeel van het gebruik van metalen palen dat ze eenvoudig af te stellen zijn. Zo kunnen bijvoorbeeld twee schroeven worden gebruikt als afstemapparaten om een efficiënte aanpassing van de golfgeleiders te bereiken.
Ohmse belastingen en verzwakkers:
Net als elk ander transmissiesysteem vereisen golfgeleiders soms een perfecte impedantieaanpassing en afgestemde belastingen om inkomende golven volledig te absorberen zonder reflectie en frequentieongevoelig te zijn. Een toepassing voor dergelijke aansluitingen is het uitvoeren van diverse vermogensmetingen op het systeem zonder daadwerkelijk vermogen uit te stralen.
Figuur 3 Weerstandsbelasting van de golfgeleider (a) enkele taps toelopende vorm (b) dubbele taps toelopende vorm
De meest voorkomende resistieve afsluiting is een stuk verlieslatend diëlektricum aan het uiteinde van de golfgeleider en loopt taps toe (met de punt gericht naar de inkomende golf) om reflecties te voorkomen. Dit verlieslatende medium kan de volledige breedte van de golfgeleider beslaan, of alleen het midden van het uiteinde, zoals weergegeven in figuur 3. De tapsheid kan enkel of dubbel taps zijn en heeft doorgaans een lengte van λp/2, met een totale lengte van ongeveer twee golflengten. Meestal gemaakt van diëlektrische platen zoals glas, aan de buitenkant bedekt met koolstoffilm of waterglas. Voor toepassingen met hoog vermogen kunnen dergelijke aansluitingen voorzien zijn van koellichamen aan de buitenkant van de golfgeleider, en kan het aan de aansluiting geleverde vermogen worden afgevoerd via het koellichaam of via geforceerde luchtkoeling.
figuur 4 Beweegbare schoependemper
Diëlektrische verzwakkers kunnen verwijderbaar worden gemaakt, zoals weergegeven in Afbeelding 4. Geplaatst in het midden van de golfgeleider, kan deze lateraal worden verplaatst van het midden van de golfgeleider, waar deze de grootste verzwakking zal opleveren, naar de randen, waar de verzwakking sterk afneemt omdat de elektrische veldsterkte van de dominante modus veel lager is.
Verzwakking in golfgeleider:
De energieverzwakking van golfgeleiders omvat voornamelijk de volgende aspecten:
1. Reflecties van interne discontinuïteiten in de golfgeleider of verkeerd uitgelijnde golfgeleidersecties
2. Verliezen veroorzaakt door stroom die door de wanden van de golfgeleider stroomt
3. Diëlektrische verliezen in gevulde golfgeleiders
De laatste twee zijn vergelijkbaar met de overeenkomstige verliezen in coaxiale leidingen en zijn beide relatief klein. Dit verlies is afhankelijk van het wandmateriaal en de ruwheid ervan, het gebruikte diëlektricum en de frequentie (vanwege het skin-effect). Voor messing leidingen loopt het bereik van 4 dB/100 m bij 5 GHz tot 12 dB/100 m bij 10 GHz, maar voor aluminium leidingen is het bereik lager. Voor verzilverde golfgeleiders bedragen de verliezen doorgaans 8 dB/100 m bij 35 GHz, 30 dB/100 m bij 70 GHz en bijna 500 dB/100 m bij 200 GHz. Om verliezen te verminderen, vooral bij de hoogste frequenties, worden golfgeleiders soms (intern) geplateerd met goud of platina.
Zoals reeds opgemerkt, fungeert de golfgeleider als een hoogdoorlaatfilter. Hoewel de golfgeleider zelf vrijwel verliesloos is, worden frequenties onder de afsnijfrequentie sterk verzwakt. Deze verzwakking is te wijten aan reflectie aan de mond van de golfgeleider, en niet aan voortplanting.
Golfgeleiderkoppeling:
Golfgeleiderkoppeling vindt meestal plaats via flenzen wanneer golfgeleiderstukken of -componenten met elkaar worden verbonden. De functie van deze flens is het garanderen van een soepele mechanische verbinding en geschikte elektrische eigenschappen, met name een lage externe straling en lage interne reflectie.
Flens:
Golfgeleiderflenzen worden veel gebruikt in microgolfcommunicatie, radarsystemen, satellietcommunicatie, antennesystemen en laboratoriumapparatuur voor wetenschappelijk onderzoek. Ze worden gebruikt om verschillende golfgeleidersecties met elkaar te verbinden, lekkage en interferentie te voorkomen en de golfgeleider nauwkeurig uit te lijnen om een hoge betrouwbaarheid en nauwkeurige positionering van elektromagnetische golven te garanderen. Een typische golfgeleider heeft aan elk uiteinde een flens, zoals weergegeven in Afbeelding 5.
figuur 5 (a)gewone flens;(b)flenskoppeling.
Bij lagere frequenties wordt de flens aan de golfgeleider gesoldeerd of gelast, terwijl bij hogere frequenties een vlakkere, stompe flens wordt gebruikt. Wanneer twee onderdelen worden verbonden, worden de flenzen aan elkaar geschroefd, maar de uiteinden moeten glad worden afgewerkt om oneffenheden in de verbinding te voorkomen. Het is uiteraard gemakkelijker om de componenten correct uit te lijnen met wat aanpassingen, dus kleinere golfgeleiders zijn soms voorzien van schroefdraadflenzen die met een ringmoer aan elkaar kunnen worden geschroefd. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de grootte van de golfgeleiderkoppeling natuurlijk af en wordt de koppelingsoncontinuïteit groter in verhouding tot de signaalgolflengte en de grootte van de golfgeleider. Daarom worden onvolkomenheden bij hogere frequenties hinderlijker.
figuur 6 (a)Dwarsdoorsnede van de chokekoppeling;(b)eindaanzicht van de chokeflens
Om dit probleem op te lossen, kan een kleine opening tussen de golfgeleiders worden gelaten, zoals weergegeven in figuur 6. Een chokekoppeling bestaande uit een gewone flens en een chokeflens die met elkaar zijn verbonden. Om mogelijke discontinuïteiten te compenseren, wordt een ronde chokering met een L-vormige doorsnede in de chokeflens gebruikt om een strakkere verbinding te verkrijgen. In tegenstelling tot gewone flenzen zijn chokeflenzen frequentiegevoelig, maar een geoptimaliseerd ontwerp kan een redelijke bandbreedte garanderen (bijvoorbeeld 10% van de centrale frequentie) waarbij de SWR niet hoger is dan 1,05.
Plaatsingstijd: 15-01-2024
