Hoe bereik je impedantieaanpassing in golfgeleiders? Uit de transmissielijntheorie in de microstripantennetheorie weten we dat geschikte serie- of parallelle transmissielijnen kunnen worden geselecteerd om impedantieaanpassing te bereiken tussen transmissielijnen onderling of tussen transmissielijnen en belastingen, om zo maximale vermogensoverdracht en minimale reflectieverliezen te realiseren. Hetzelfde principe van impedantieaanpassing in microstriplijnen is van toepassing op impedantieaanpassing in golfgeleiders. Reflecties in golfgeleidersystemen kunnen leiden tot impedantie-mismatch. Wanneer impedantieverslechtering optreedt, is de oplossing hetzelfde als voor transmissielijnen: het aanpassen van de vereiste waarde. De geconcentreerde impedantie wordt op vooraf berekende punten in de golfgeleider geplaatst om de mismatch te compenseren en zo de effecten van reflecties te elimineren. Terwijl transmissielijnen geconcentreerde impedanties of stubs gebruiken, maken golfgeleiders gebruik van metalen blokken van verschillende vormen.
Figuur 1: Golfgeleiderdiafragma's en equivalent circuit, (a) Capacitief; (b) Inductief; (c) Resonant.
Figuur 1 toont de verschillende soorten impedantieaanpassing, die elk van de getoonde vormen kunnen aannemen en capacitief, inductief of resonant kunnen zijn. De wiskundige analyse is complex, maar de fysische verklaring is dat niet. Als we de eerste capacitieve metalen strip in de figuur bekijken, zien we dat de potentiaal die bestond tussen de boven- en onderwand van de golfgeleider (in de dominante modus) nu bestaat tussen de twee metalen oppervlakken die dichter bij elkaar liggen, waardoor de capaciteit op dat punt toeneemt. Daarentegen laat het metalen blok in figuur 1b stroom vloeien waar die voorheen niet vloeide. Er zal stroom vloeien in het vlak van het eerder versterkte elektrische veld door de toevoeging van het metalen blok. Hierdoor 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 op een verstandige manier worden ontworpen, zullen de geïntroduceerde inductieve reactantie en capacitieve reactantie gelijk zijn en zal de opening parallel resoneren. Dit betekent dat de impedantieaanpassing en afstemming van de hoofdmodus zeer goed zijn, en dat het shunt-effect van deze modus verwaarloosbaar zal zijn. Andere modi of frequenties zullen echter worden verzwakt, waardoor de resonerende metalen ring zowel als banddoorlaatfilter als modusfilter fungeert.
Figuur 2: (a) golfgeleiderpalen; (b) tweeschroefs aanpassingselement
Een andere manier om af te stemmen is hierboven weergegeven, waarbij een cilindrische metalen staaf vanaf een van de brede zijden in de golfgeleider steekt. Deze staaf heeft hetzelfde effect als een metalen strip, namelijk het leveren van een geconcentreerde reactantie op dat punt. De metalen staaf kan capacitief of inductief zijn, afhankelijk van hoe ver deze in de golfgeleider steekt. In essentie komt deze aanpassingsmethode erop neer dat wanneer een dergelijke metalen staaf iets in de golfgeleider steekt, deze een capacitieve susceptantie op dat punt levert. Deze capacitieve susceptantie neemt toe totdat de penetratie ongeveer een kwart golflengte bedraagt. Op dit punt treedt serieresonantie op. Verdere penetratie van de metalen staaf resulteert in een inductieve susceptantie die afneemt naarmate de plaatsing vollediger is. De resonantie-intensiteit bij installatie in het midden is omgekeerd evenredig met de diameter van de staaf en kan als filter worden gebruikt. In dit geval wordt deze echter gebruikt als bandstopfilter om hogere-orde modi door te laten. Een groot voordeel van het gebruik van metalen staven ten opzichte van het verhogen van de impedantie van metalen strips is dat ze eenvoudig aan te passen zijn. Twee schroeven kunnen bijvoorbeeld als afstemmechanismen worden gebruikt om een efficiënte aanpassing van de golfgeleider te realiseren.
Weerstandsbelastingen 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 om frequentieongevoelig te zijn. Een toepassing voor dergelijke terminals is het uitvoeren van diverse vermogensmetingen aan het systeem zonder daadwerkelijk vermogen uit te stralen.
Figuur 3 golfgeleiderweerstandbelasting (a) enkelvoudige tapsheid (b) dubbele tapsheid
De meest voorkomende resistieve afsluiting bestaat uit een stuk verliesgevend diëlektrisch materiaal dat aan het uiteinde van de golfgeleider is aangebracht en taps toeloopt (met de punt naar de inkomende golf gericht) om reflecties te voorkomen. Dit verliesgevende medium kan de volledige breedte van de golfgeleider beslaan, of alleen het midden van het uiteinde, zoals weergegeven in figuur 3. De taps toelopende vorm kan enkel- of dubbelvoudig zijn en heeft doorgaans een lengte van λp/2, met een totale lengte van ongeveer twee golflengten. Meestal zijn ze gemaakt van diëlektrische platen zoals glas, aan de buitenkant bedekt met een koolstoffilm of waterglas. Voor toepassingen met hoog vermogen kunnen dergelijke terminals worden voorzien van koelribben aan de buitenkant van de golfgeleider, waardoor het aan de terminal geleverde vermogen kan worden afgevoerd via de koelribben of door geforceerde luchtkoeling.
Figuur 4. Verplaatsbare schoependemper.
Diëlektrische verzwakkers kunnen verwijderbaar worden gemaakt, zoals weergegeven in figuur 4. Geplaatst in het midden van de golfgeleider, kan deze zijdelings worden verplaatst van het midden van de golfgeleider, waar de grootste verzwakking wordt bereikt, naar de randen, waar de verzwakking aanzienlijk kleiner is omdat de elektrische veldsterkte van de dominante modus veel lager is.
Verzwakking in golfgeleider:
De energieverzwakking van golfgeleiders omvat hoofdzakelijk de volgende aspecten:
1. Reflecties van interne discontinuïteiten in de golfgeleider of verkeerd uitgelijnde secties van de golfgeleider.
2. Verliezen veroorzaakt door stroom die door de wanden van de golfgeleider vloeit
3. Diëlektrische verliezen in gevulde golfgeleiders
De laatste twee zijn vergelijkbaar met de overeenkomstige verliezen in coaxiale lijnen en zijn beide relatief klein. Dit verlies hangt af van het wandmateriaal en de ruwheid ervan, het gebruikte diëlektricum en de frequentie (vanwege het skineffect). Voor messing buizen ligt het bereik van 4 dB/100m bij 5 GHz tot 12 dB/100m bij 10 GHz, maar voor aluminium buizen is het bereik lager. Voor met zilver beklede golfgeleiders bedragen de verliezen doorgaans 8 dB/100m bij 35 GHz, 30 dB/100m bij 70 GHz en bijna 500 dB/100m bij 200 GHz. Om verliezen te verminderen, met name bij de hoogste frequenties, worden golfgeleiders soms (intern) geplateerd met goud of platina.
Zoals reeds aangegeven, fungeert de golfgeleider als een hoogdoorlaatfilter. Hoewel de golfgeleider zelf vrijwel verliesvrij is, worden frequenties onder de afsnijfrequentie sterk verzwakt. Deze verzwakking wordt veroorzaakt door reflectie bij de opening van de golfgeleider en niet door 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 lage externe straling en lage interne reflectie.
Flens:
Golfgeleiderflenzen worden veelvuldig gebruikt in microgolfcommunicatie, radarsystemen, satellietcommunicatie, antennesystemen en laboratoriumapparatuur in wetenschappelijk onderzoek. Ze dienen om verschillende golfgeleidersecties met elkaar te verbinden, lekkage en interferentie te voorkomen en een nauwkeurige uitlijning van de golfgeleider te garanderen. Dit zorgt voor een zeer betrouwbare transmissie en precieze positionering van elektromagnetische golven. Een typische golfgeleider heeft aan elk uiteinde een flens, zoals weergegeven in figuur 5.
Figuur 5 (a) vlakke 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 samengevoegd, worden de flenzen aan elkaar vastgeschroefd, maar de uiteinden moeten glad afgewerkt zijn om onderbrekingen 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 vanzelfsprekend af en wordt de koppelingsonderbreking groter in verhouding tot de signaalgolflengte en de golfgeleidergrootte. Daarom worden onderbrekingen bij hogere frequenties problematischer.
Figuur 6 (a) Doorsnede van de choke-koppeling; (b) zijaanzicht van de choke-flens
Om dit probleem op te lossen, kan een kleine opening tussen de golfgeleiders worden gelaten, zoals weergegeven in figuur 6. Een choke-koppeling bestaat uit een gewone flens en een choke-flens die met elkaar verbonden zijn. Om mogelijke discontinuïteiten te compenseren, wordt in de choke-flens een cirkelvormige choke-ring met een L-vormige doorsnede gebruikt om een strakkere verbinding te verkrijgen. In tegenstelling tot gewone flenzen zijn choke-flenzen frequentiegevoelig, maar een geoptimaliseerd ontwerp kan een redelijke bandbreedte garanderen (misschien 10% van de middenfrequentie) waarbinnen de SWR niet hoger is dan 1,05.
Geplaatst op: 15 januari 2024
