Kako postići usklađivanje impedanse talasovoda? Iz teorije dalekovoda u teoriji mikrostripnih antena znamo da se odgovarajući serijski ili paralelni dalekovodi mogu odabrati kako bi se postiglo usklađivanje impedanse između dalekovoda ili između dalekovoda i opterećenja kako bi se postigao maksimalan prijenos snage i minimalni gubitak refleksije. Isti princip usklađivanja impedanse u mikrostripnim vodovima primjenjuje se i na usklađivanje impedanse u talasovodima. Refleksije u sistemima talasovoda mogu dovesti do neusklađenosti impedanse. Kada dođe do pogoršanja impedanse, rješenje je isto kao i za dalekovode, odnosno promjena potrebne vrijednosti. Zgusnuta impedansa se postavlja na unaprijed izračunate tačke u talasovodu kako bi se prevazišla neusklađenost, čime se eliminišu efekti refleksije. Dok dalekovodi koriste zgusnute impedanse ili krakove, talasovodi koriste metalne blokove različitih oblika.
slika 1: Irisi talasovoda i ekvivalentno kolo, (a) Kapacitivni; (b) induktivni; (c) rezonantni.
Slika 1 prikazuje različite vrste usklađivanja impedanse, koje mogu biti kapacitivne, induktivne ili rezonantne. Matematička analiza je složena, ali fizičko objašnjenje nije. Uzimajući u obzir prvu kapacitivnu metalnu traku na slici, može se vidjeti da potencijal koji je postojao između gornjeg i donjeg zida talasovoda (u dominantnom modu) sada postoji između dvije metalne površine u bližoj blizini, tako da se kapacitivnost povećava. Nasuprot tome, metalni blok na slici 1b omogućava protok struje tamo gdje prije nije tekla. Doći će do protoka struje u prethodno pojačanoj ravni električnog polja zbog dodavanja metalnog bloka. Stoga se energija akumulira u magnetskom polju, a induktivnost u toj tački talasovoda se povećava. Osim toga, ako su oblik i položaj metalnog prstena na slici c razumno dizajnirani, uvedena induktivna i kapacitivna reaktancija bit će jednake, a otvor blende će biti paralelne rezonancije. To znači da je usklađivanje impedanse i podešavanje glavnog moda vrlo dobro, a efekat ranžiranja ovog moda bit će zanemariv. Međutim, drugi modovi ili frekvencije će biti prigušeni, tako da rezonantni metalni prsten djeluje i kao propusnik pojasa i kao modalni filter.
slika 2: (a) stubovi valovoda; (b) dvovijak za usklađivanje
Drugi način podešavanja je prikazan gore, gdje se cilindrični metalni stub proteže s jedne od širokih strana u talasovod, imajući isti efekat kao metalna traka u smislu obezbjeđivanja koncentrisane reaktanse u toj tački. Metalni stub može biti kapacitivan ili induktivan, ovisno o tome koliko se proteže u talasovod. U suštini, ova metoda usklađivanja je da kada se takav metalni stub lagano proteže u talasovod, on obezbjeđuje kapacitivnu susceptansu u toj tački, a kapacitivna susceptansa se povećava sve dok prodiranje ne dostigne oko četvrtine talasne dužine. U ovoj tački dolazi do serijske rezonancije. Daljnje prodiranje metalnog stuba rezultira induktivnom susceptancom koja se smanjuje kako umetanje postaje potpunije. Intenzitet rezonancije u srednjoj tački instalacije je obrnuto proporcionalan prečniku stuba i može se koristiti kao filter, međutim, u ovom slučaju se koristi kao filter za nepropusnik opsega za prenos modova višeg reda. U poređenju sa povećanjem impedanse metalnih traka, glavna prednost korištenja metalnih stubova je što ih je lako podesiti. Na primjer, dva vijka se mogu koristiti kao uređaji za podešavanje kako bi se postiglo efikasno usklađivanje valovoda.
Otporna opterećenja i atenuatori:
Kao i svaki drugi prenosni sistem, talasovodi ponekad zahtevaju savršeno usklađivanje impedanse i podešena opterećenja kako bi u potpunosti apsorbovali dolazne talase bez refleksije i bili frekventno neosjetljivi. Jedna od primena takvih terminala je vršenje različitih merenja snage na sistemu bez stvarnog zračenja bilo kakve snage.
slika 3 otpor opterećenja valovoda (a) jednostruki konus (b) dvostruki konus
Najčešći otporni završetak je dio dielektrika s gubicima instaliran na kraju valovoda i sužen (s vrhom usmjerenim prema dolaznom valu) kako ne bi izazvao refleksije. Ovaj medij s gubicima može zauzeti cijelu širinu valovoda ili može zauzeti samo središte kraja valovoda, kao što je prikazano na slici 3. Konus može biti jednostruki ili dvostruki i obično ima dužinu od λp/2, s ukupnom dužinom od približno dvije valne dužine. Obično je napravljen od dielektričnih ploča kao što je staklo, obloženih ugljičnim filmom ili vodenim staklom s vanjske strane. Za primjene velike snage, takvi terminali mogu imati hladnjake dodane na vanjsku stranu valovoda, a snaga koja se dovodi do terminala može se raspršiti kroz hladnjak ili kroz prisilno hlađenje zrakom.
slika 4 Pokretni atenuator s lopaticama
Dielektrični atenuatori mogu se ukloniti kao što je prikazano na Slici 4. Postavljeni u sredinu talasovoda, mogu se pomicati bočno od centra talasovoda, gdje će obezbijediti najveće slabljenje, do ivica, gdje je slabljenje znatno smanjeno jer je jačina električnog polja dominantnog moda mnogo niža.
Slabljenje u talasovodu:
Slabljenje energije talasovoda uglavnom uključuje sljedeće aspekte:
1. Refleksije od unutrašnjih diskontinuiteta talasovoda ili nepravilno poravnatih dijelova talasovoda
2. Gubici uzrokovani protokom struje kroz zidove valovoda
3. Dielektrični gubici u ispunjenim talasovodima
Posljednja dva su slična odgovarajućim gubicima u koaksijalnim linijama i oba su relativno mala. Ovaj gubitak zavisi od materijala zida i njegove hrapavosti, korištenog dielektrika i frekvencije (zbog skin efekta). Za mesingane cijevi, raspon je od 4 dB/100m na 5 GHz do 12 dB/100m na 10 GHz, ali za aluminijske cijevi, raspon je niži. Za posrebrene valovode, gubici su obično 8dB/100m na 35 GHz, 30dB/100m na 70 GHz i blizu 500 dB/100m na 200 GHz. Da bi se smanjili gubici, posebno na najvišim frekvencijama, valovodi su ponekad (iznutra) presvučeni zlatom ili platinom.
Kao što je već istaknuto, talasovod djeluje kao visokopropusni filter. Iako je sam talasovod praktično bez gubitaka, frekvencije ispod granične frekvencije su znatno oslabljene. Ovo slabljenje je posljedica refleksije na ustima talasovoda, a ne širenja.
Sprega valovoda:
Spajanje valovoda obično se događa preko prirubnica kada se dijelovi ili komponente valovoda spajaju. Funkcija ove prirubnice je osigurati glatku mehaničku vezu i odgovarajuća električna svojstva, posebno nisko vanjsko zračenje i nisku unutarnju refleksiju.
Prirubnica:
Prirubnice valovoda se široko koriste u mikrovalnim komunikacijama, radarskim sistemima, satelitskim komunikacijama, antenskim sistemima i laboratorijskoj opremi u naučnim istraživanjima. Koriste se za povezivanje različitih dijelova valovoda, sprječavanje curenja i smetnji te održavanje preciznog poravnanja valovoda kako bi se osigurao visoko pouzdan prijenos i precizno pozicioniranje elektromagnetskih valova određene frekvencije. Tipičan valovod ima prirubnicu na svakom kraju, kao što je prikazano na slici 5.
slika 5 (a) obična prirubnica; (b) prirubnička spojnica.
Na nižim frekvencijama prirubnica će biti lemljena ili zavarena za valovod, dok se na višim frekvencijama koristi ravnija ravna prirubnica. Kada se dva dijela spoje, prirubnice se spajaju vijcima, ali krajevi moraju biti glatko obrađeni kako bi se izbjegli diskontinuiteti u spoju. Očigledno je lakše pravilno poravnati komponente uz neka podešavanja, pa su manji valovodi ponekad opremljeni navojnim prirubnicama koje se mogu zavrnuti zajedno vijcima pomoću prstenaste matice. Kako se frekvencija povećava, veličina spoja valovoda se prirodno smanjuje, a diskontinuitet spoja postaje veći proporcionalno talasnoj dužini signala i veličini valovoda. Stoga, diskontinuiteti na višim frekvencijama postaju problematičniji.
slika 6 (a) Presjek spojnice prigušnice; (b) Pogled na prirubnicu prigušnice s kraja
Da bi se riješio ovaj problem, između talasovoda se može ostaviti mali razmak, kao što je prikazano na slici 6. Spojnica prigušnice se sastoji od obične prirubnice i prirubnice prigušnice spojene zajedno. Da bi se kompenzovali mogući diskontinuiteti, u prirubnici prigušnice se koristi kružni prsten prigušnice sa poprečnim presjekom u obliku slova L kako bi se postigla čvršća veza. Za razliku od običnih prirubnica, prirubnice prigušnice su osjetljive na frekvenciju, ali optimizovan dizajn može osigurati razumnu propusnost (možda 10% centralne frekvencije) preko koje SWR ne prelazi 1,05.
Vrijeme objave: 15. januar 2024.
