Hoe impedantie-matching van golfgeleiders bereiken?Uit de transmissielijntheorie in de microstrip-antennetheorie weten we dat geschikte serie- of parallelle transmissielijnen kunnen worden geselecteerd om impedantie-aanpassing te bereiken tussen transmissielijnen of tussen transmissielijnen en belastingen om maximale vermogenstransmissie en minimaal reflectieverlies te bereiken.Hetzelfde principe van impedantie-aanpassing in microstriplijnen is van toepassing op impedantie-aanpassing in golfgeleiders.Reflecties in golfgeleidersystemen kunnen leiden tot impedantie-mismatches.Wanneer verslechtering van de impedantie optreedt, is de oplossing dezelfde als voor transmissielijnen, dat wil zeggen het veranderen van de vereiste waarde. De gebundelde impedantie wordt op vooraf berekende punten in de golfgeleider geplaatst om de mismatch te ondervangen, waardoor de effecten van reflecties worden geëlimineerd.Terwijl transmissielijnen gebundelde impedanties of stubs gebruiken, gebruiken golfgeleiders metalen blokken met verschillende vormen.
figuur 1: Golfgeleideririssen en gelijkwaardig circuit, (a) Capacitief; (b) inductief; (c) resonant.
Figuur 1 toont de verschillende soorten impedantie-aanpassing, die een van de getoonde vormen kan aannemen en capacitief, inductief of resonant kan zijn.De wiskundige analyse is complex, maar de fysieke verklaring niet.Als we de eerste capacitieve metalen strip in de figuur bekijken, is te zien dat het potentieel dat bestond tussen de boven- en onderwanden van de golfgeleider (in de dominante modus) nu bestaat tussen de twee metalen oppervlakken die dichter bij elkaar liggen, dus de capaciteit is punt stijgt.Het metalen blok in figuur 1b laat daarentegen stroom stromen waar deze voorheen niet stroomde.Er zal stroom vloeien in het voorheen verbeterde elektrische veldvlak als gevolg van de toevoeging van het metalen blok.Daarom vindt energieopslag plaats in het magnetische veld en neemt de inductantie op dat punt van de golfgeleider toe.Als de vorm en positie van de metalen ring in figuur c redelijk zijn ontworpen, zullen bovendien de geïntroduceerde inductieve reactantie en capacitieve reactantie gelijk zijn, en zal de opening parallelle resonantie zijn.Dit betekent dat de impedantieaanpassing en afstemming van de hoofdmodus zeer goed is, en dat het rangeereffect van deze modus verwaarloosbaar zal zijn.Andere modi of frequenties worden echter verzwakt, dus de resonante metalen ring fungeert zowel als banddoorlaatfilter als als modusfilter.
figuur 2: (a) golfgeleiderpalen; (b) matcher met twee schroeven
Een andere manier om af te stemmen is hierboven weergegeven, waarbij een cilindrische metalen paal zich uitstrekt van een van de brede zijden in de golfgeleider, wat hetzelfde effect heeft als een metalen strip in termen van het verschaffen van geconcentreerde reactantie op dat punt.De metalen paal kan capacitief of inductief zijn, afhankelijk van hoe ver deze in de golfgeleider reikt.In wezen is deze aanpassingsmethode dat wanneer een dergelijke metalen pilaar enigszins in de golfgeleider steekt, deze op dat punt een capacitieve susceptantie oplevert, en de capacitieve susceptantie toeneemt totdat de penetratie ongeveer een kwart van een golflengte bedraagt. Op dit punt treedt serieresonantie op. .Verdere penetratie van de metalen paal resulteert in het verschaffen van een inductieve susceptie die afneemt naarmate het inbrengen vollediger wordt.De resonantie-intensiteit bij de middelpuntinstallatie is omgekeerd evenredig met de diameter van de kolom en kan als filter worden gebruikt, maar in dit geval wordt het gebruikt als bandstopfilter om modi van hogere orde door te geven.Vergeleken met het verhogen van de impedantie van metalen strips is een groot voordeel van het gebruik van metalen palen dat ze eenvoudig te verstellen zijn.Er kunnen bijvoorbeeld twee schroeven worden gebruikt als afstemapparaten om een efficiënte afstemming van de golfgeleiders te bereiken.
Ohmse belastingen en verzwakkers:
Net als elk ander transmissiesysteem vereisen golfgeleiders soms een perfecte impedantie-aanpassing en afgestemde belastingen om inkomende golven volledig te absorberen zonder reflectie en om frequentie-ongevoelig te zijn.Een toepassing van dergelijke terminals is het uitvoeren van verschillende vermogensmetingen op het systeem zonder daadwerkelijk enige stroom uit te stralen.
figuur 3 golfgeleiderweerstandsbelasting(a)enkele conus(b)dubbele conus
De meest voorkomende resistieve afsluiting is een gedeelte van verlieslatend diëlektricum dat aan het uiteinde van de golfgeleider is geïnstalleerd en taps toeloopt (met de punt naar de inkomende golf gericht) om geen reflecties te veroorzaken.Dit verliesgevende medium kan de gehele breedte van de golfgeleider in beslag nemen, of alleen het midden van het uiteinde van de golfgeleider, 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 bij dergelijke terminals koellichamen worden toegevoegd aan de buitenkant van de golfgeleider, en het aan de terminal geleverde vermogen kan worden afgevoerd via het koellichaam of door geforceerde luchtkoeling.
figuur 4 Beweegbare schoependemper
Diëlektrische verzwakkers kunnen verwijderbaar worden gemaakt, zoals weergegeven in figuur 4. Geplaatst in het midden van de golfgeleider, kunnen ze zijdelings worden verplaatst van het midden van de golfgeleider, waar ze de grootste verzwakking zullen opleveren, naar de randen, waar de verzwakking aanzienlijk wordt verminderd. 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 golfgeleiderdiscontinuïteiten of verkeerd uitgelijnde golfgeleidersecties
2. Verliezen veroorzaakt door stroom die door de wanden van de golfgeleiders 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 is afhankelijk van het wandmateriaal en de ruwheid ervan, het gebruikte diëlektricum en de frequentie (vanwege het skin-effect).Voor koperen buizen loopt het bereik van 4 dB/100 m bij 5 GHz tot 12 dB/100 m bij 10 GHz, maar voor aluminium buizen is het bereik lager.Voor golfgeleiders met zilvercoating 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) bedekt met goud of platina.
Zoals reeds opgemerkt, fungeert de golfgeleider als een hoogdoorlaatfilter.Hoewel de golfgeleider zelf vrijwel verliesvrij is, worden frequenties onder de afsnijfrequentie ernstig verzwakt.Deze verzwakking is eerder het gevolg van reflectie aan de golfgeleidermond dan van 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, in het bijzonder een lage externe straling en een lage interne reflectie.
Flens:
Golfgeleiderflenzen worden veel gebruikt in microgolfcommunicatie, radarsystemen, satellietcommunicatie, antennesystemen en laboratoriumapparatuur bij wetenschappelijk onderzoek.Ze worden gebruikt om verschillende golfgeleidersecties met elkaar te verbinden, ervoor te zorgen dat lekkage en interferentie worden voorkomen en om een nauwkeurige uitlijning van de golfgeleider te behouden om een hoge betrouwbare transmissie en nauwkeurige positionering van frequentie-elektromagnetische golven te garanderen.Een typische golfgeleider heeft aan elk uiteinde een flens, zoals weergegeven in figuur 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 platte flens wordt gebruikt.Wanneer twee delen worden samengevoegd, worden de flenzen aan elkaar geschroefd, maar de uiteinden moeten glad worden afgewerkt om discontinuïteiten in de verbinding te voorkomen.Het is uiteraard gemakkelijker om de componenten correct uit te lijnen met enkele aanpassingen, daarom zijn kleinere golfgeleiders soms uitgerust met flenzen met schroefdraad die met een ringmoer aan elkaar kunnen worden geschroefd.Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de grootte van de golfgeleiderkoppeling op natuurlijke wijze af, en wordt de discontinuïteit van de koppeling groter in verhouding tot de signaalgolflengte en de golfgeleidergrootte.Daarom worden discontinuïteiten bij hogere frequenties lastiger.
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 smoorkoppeling bestaande uit een gewone flens en een smoorflens die met elkaar zijn verbonden.Om mogelijke discontinuïteiten te compenseren, wordt in de smoorflens een cirkelvormige smoorring met een L-vormige doorsnede gebruikt om een strakkere passende verbinding te bereiken.In tegenstelling tot gewone flenzen zijn smoorspoelflenzen frequentiegevoelig, maar een geoptimaliseerd ontwerp kan een redelijke bandbreedte garanderen (misschien 10% van de middenfrequentie) waarover de SWR niet groter is dan 1,05.
Posttijd: 15 januari 2024
