Wie erreicht man eine Impedanzanpassung von Wellenleitern? Aus der Theorie der Übertragungsleitungen in der Mikrostreifenantennentheorie wissen wir, dass geeignete serielle oder parallele Übertragungsleitungen ausgewählt werden können, um eine Impedanzanpassung zwischen Übertragungsleitungen oder zwischen Übertragungsleitungen und Lasten zu erreichen und so maximale Leistungsübertragung und minimale Reflexionsverluste zu erzielen. Das gleiche Prinzip der Impedanzanpassung in Mikrostreifenleitungen gilt auch für die Impedanzanpassung in Wellenleitern. Reflexionen in Wellenleitersystemen können zu Impedanzfehlanpassungen führen. Bei einer Impedanzverschlechterung ist die Lösung dieselbe wie bei Übertragungsleitungen, d. h. die Änderung des erforderlichen Werts. Die konzentrierte Impedanz wird an vorberechneten Punkten im Wellenleiter platziert, um die Fehlanpassung zu überwinden und so die Auswirkungen von Reflexionen zu eliminieren. Während Übertragungsleitungen konzentrierte Impedanzen oder Stichleitungen verwenden, bestehen Wellenleiter aus Metallblöcken unterschiedlicher Form.
Abbildung 1: Wellenleiterblenden und Ersatzschaltbild, (a) kapazitiv; (b) induktiv; (c) resonant.
Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Arten der Impedanzanpassung. Sie können jede der gezeigten Formen annehmen und kapazitiv, induktiv oder resonant sein. Die mathematische Analyse ist komplex, die physikalische Erklärung jedoch nicht. Betrachtet man den ersten kapazitiven Metallstreifen in der Abbildung, ist zu erkennen, dass das Potenzial, das früher zwischen der Ober- und Unterseite des Wellenleiters bestand (im dominanten Modus), nun zwischen den beiden dichter beieinander liegenden Metallflächen besteht, wodurch die Kapazität an dieser Stelle zunimmt. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Metallblock in Abbildung 1b einen Stromfluss dort, wo er vorher nicht floss. Durch das Hinzufügen des Metallblocks fließt Strom in der zuvor verstärkten elektrischen Feldebene. Dadurch wird Energie im Magnetfeld gespeichert und die Induktivität an dieser Stelle des Wellenleiters nimmt zu. Wenn außerdem Form und Position des Metallrings in Abbildung c sinnvoll gestaltet werden, sind der eingeführte induktive und kapazitive Blindwiderstand gleich, und die Öffnung befindet sich in Parallelresonanz. Dies bedeutet, dass die Impedanzanpassung und Abstimmung des Hauptmodus sehr gut ist und der Nebenschlusseffekt dieses Modus vernachlässigbar ist. Andere Modi oder Frequenzen werden jedoch gedämpft, sodass der resonante Metallring sowohl als Bandpassfilter als auch als Modenfilter fungiert.
Abbildung 2: (a) Wellenleiterpfosten; (b) Zweischrauben-Matcher
Eine weitere Möglichkeit zur Abstimmung ist oben dargestellt. Dabei ragt ein zylindrischer Metallpfosten von einer der breiten Seiten in den Wellenleiter hinein und erzeugt dort wie ein Metallstreifen einen konzentrierten Blindwiderstand. Der Metallpfosten kann kapazitiv oder induktiv sein, je nachdem, wie weit er in den Wellenleiter hineinragt. Im Wesentlichen besteht diese Anpassungsmethode darin, dass ein leicht in den Wellenleiter hineinragender Metallpfosten an dieser Stelle einen kapazitiven Blindwiderstand erzeugt. Dieser steigt an, bis die Eindringtiefe etwa eine Viertelwellenlänge beträgt. An diesem Punkt tritt Serienresonanz auf. Ein weiteres Eindringen des Metallpfostens führt zu einem induktiven Blindwiderstand, der mit zunehmender Eindringtiefe abnimmt. Die Resonanzintensität an der Mittenposition ist umgekehrt proportional zum Durchmesser der Säule und kann als Filter verwendet werden. In diesem Fall wird er jedoch als Bandsperre zur Übertragung höherer Moden eingesetzt. Im Vergleich zur Erhöhung der Impedanz von Metallstreifen liegt der Hauptvorteil von Metallpfosten in ihrer einfachen Anpassung. Beispielsweise können zwei Schrauben als Abstimmvorrichtungen verwendet werden, um eine effiziente Wellenleiteranpassung zu erreichen.
Ohmsche Lasten und Dämpfungsglieder:
Wie jedes andere Übertragungssystem erfordern Wellenleiter manchmal eine perfekte Impedanzanpassung und abgestimmte Lasten, um eingehende Wellen ohne Reflexion vollständig zu absorbieren und frequenzunempfindlich zu sein. Eine Anwendung für solche Anschlüsse besteht darin, verschiedene Leistungsmessungen am System durchzuführen, ohne tatsächlich Leistung abzustrahlen.
Abbildung 3 Wellenleiterwiderstandslast (a) einfache Verjüngung (b) doppelte Verjüngung
Der gebräuchlichste resistive Abschluss ist ein verlustbehafteter dielektrischer Abschnitt am Ende des Wellenleiters, der sich verjüngt (mit der Spitze zur eingehenden Welle zeigend), um Reflexionen zu vermeiden. Dieses verlustbehaftete Medium kann die gesamte Breite des Wellenleiters einnehmen oder nur die Mitte seines Endes, wie in Abbildung 3 gezeigt. Die Verjüngung kann einfach oder doppelt sein und hat typischerweise eine Länge von λp/2, bei einer Gesamtlänge von etwa zwei Wellenlängen. Sie besteht in der Regel aus dielektrischen Platten, beispielsweise Glas, die außen mit einer Kohlenstoffschicht oder Wasserglas beschichtet sind. Für Hochleistungsanwendungen können solche Anschlüsse mit Kühlkörpern an der Außenseite des Wellenleiters versehen werden, und die an den Anschluss gelieferte Leistung kann über den Kühlkörper oder durch Zwangslüftung abgeleitet werden.
Abbildung 4 Beweglicher Flügeldämpfer
Dielektrische Dämpfungsglieder können abnehmbar hergestellt werden, wie in Abbildung 4 gezeigt. In der Mitte des Wellenleiters platziert, können sie seitlich von der Mitte des Wellenleiters, wo sie die größte Dämpfung bieten, zu den Rändern bewegt werden, wo die Dämpfung stark reduziert ist, da die elektrische Feldstärke des dominanten Modus viel geringer ist.
Dämpfung im Wellenleiter:
Die Energiedämpfung von Wellenleitern umfasst im Wesentlichen folgende Aspekte:
1. Reflexionen von internen Wellenleiterdiskontinuitäten oder falsch ausgerichteten Wellenleiterabschnitten
2. Verluste durch Stromfluss in Wellenleiterwänden
3. Dielektrische Verluste in gefüllten Wellenleitern
Die letzten beiden ähneln den entsprechenden Verlusten in Koaxialleitungen und sind beide relativ gering. Dieser Verlust hängt vom Wandmaterial und dessen Rauheit, dem verwendeten Dielektrikum und der Frequenz (aufgrund des Skin-Effekts) ab. Bei Messingrohren liegt der Bereich zwischen 4 dB/100 m bei 5 GHz und 12 dB/100 m bei 10 GHz, bei Aluminiumrohren ist er geringer. Bei versilberten Hohlleitern liegen die Verluste typischerweise bei 8 dB/100 m bei 35 GHz, 30 dB/100 m bei 70 GHz und knapp 500 dB/100 m bei 200 GHz. Um Verluste, insbesondere bei höchsten Frequenzen, zu reduzieren, werden Hohlleiter manchmal (innen) mit Gold oder Platin beschichtet.
Wie bereits erwähnt, fungiert der Wellenleiter als Hochpassfilter. Obwohl der Wellenleiter selbst nahezu verlustfrei ist, werden Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz stark gedämpft. Diese Dämpfung ist eher auf Reflexion an der Wellenleitermündung als auf Ausbreitung zurückzuführen.
Wellenleiterkopplung:
Die Hohlleiterkopplung erfolgt üblicherweise über Flansche, wenn Hohlleiterstücke oder -komponenten miteinander verbunden werden. Die Funktion dieses Flansches besteht darin, eine reibungslose mechanische Verbindung und geeignete elektrische Eigenschaften, insbesondere geringe externe Strahlung und geringe interne Reflexion, sicherzustellen.
Flansch:
Hohlleiterflansche werden häufig in der Mikrowellenkommunikation, Radarsystemen, Satellitenkommunikation, Antennensystemen und Laborgeräten in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Sie dienen dazu, verschiedene Hohlleiterabschnitte zu verbinden, Leckagen und Interferenzen zu verhindern und die präzise Ausrichtung des Hohlleiters sicherzustellen, um eine zuverlässige Übertragung und präzise Positionierung elektromagnetischer Wellen mit hoher Frequenz zu gewährleisten. Ein typischer Hohlleiter hat an jedem Ende einen Flansch, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Abbildung 5 (a) einfacher Flansch; (b) Flanschkupplung.
Bei niedrigeren Frequenzen wird der Flansch mit dem Wellenleiter verlötet oder verschweißt, während bei höheren Frequenzen ein flacherer Flansch verwendet wird. Beim Verbinden zweier Teile werden die Flansche verschraubt, die Enden müssen jedoch glatt bearbeitet werden, um Verbindungsfehler zu vermeiden. Die korrekte Ausrichtung der Komponenten lässt sich mit einigen Anpassungen natürlich einfacher gestalten. Daher werden kleinere Wellenleiter manchmal mit Gewindeflanschen ausgestattet, die mit einer Ringmutter verschraubt werden können. Mit steigender Frequenz verringert sich naturgemäß die Größe der Wellenleiterkopplung, und die Kopplungsfehler werden proportional zur Signalwellenlänge und Wellenleitergröße größer. Daher werden Fehler bei höheren Frequenzen problematischer.
Abbildung 6 (a) Querschnitt der Choke-Kupplung; (b) Endansicht des Choke-Flansches
Um dieses Problem zu lösen, kann ein kleiner Spalt zwischen den Wellenleitern gelassen werden, wie in Abbildung 6 dargestellt. Eine Drosselkupplung besteht aus einem gewöhnlichen Flansch und einem Drosselflansch, die miteinander verbunden sind. Um mögliche Unstetigkeiten auszugleichen, wird im Drosselflansch ein kreisförmiger Drosselring mit L-förmigem Querschnitt verwendet, um eine dichtere Verbindung zu erreichen. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Flanschen sind Drosselflansche frequenzempfindlich. Ein optimiertes Design kann jedoch eine angemessene Bandbreite (beispielsweise 10 % der Mittenfrequenz) gewährleisten, über die das SWR 1,05 nicht überschreitet.
Veröffentlichungszeit: 15. Januar 2024
