Wie erreicht man eine Impedanzanpassung von Wellenleitern?Aus der Übertragungsleitungstheorie 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 eine maximale Leistungsübertragung und minimale Reflexionsverluste zu erreichen.Das gleiche Prinzip der Impedanzanpassung in Mikrostreifenleitungen gilt für die Impedanzanpassung in Wellenleitern.Reflexionen in Wellenleitersystemen können zu Impedanzfehlanpassungen führen.Tritt eine Impedanzverschlechterung auf, ist die Lösung dieselbe wie bei Übertragungsleitungen, d.Während Übertragungsleitungen konzentrierte Impedanzen oder Stichleitungen verwenden, verwenden Wellenleiter Metallblöcke unterschiedlicher Form.
Abbildung 1: Wellenleiter-Iris und Ersatzschaltbild, (a) kapazitiv; (b) induktiv; (c) resonant.
Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Arten der Impedanzanpassung, die alle gezeigten Formen annehmen und kapazitiv, induktiv oder resonant sein können.Die mathematische Analyse ist komplex, die physikalische Erklärung jedoch nicht.Wenn man den ersten kapazitiven Metallstreifen in der Abbildung betrachtet, erkennt man, dass das Potenzial, das zwischen der oberen und unteren Wand des Wellenleiters (im dominanten Modus) bestand, jetzt zwischen den beiden Metalloberflächen in größerer Nähe besteht, sodass die Kapazität The beträgt Punkt steigt.Im Gegensatz dazu ermöglicht der Metallblock in Abbildung 1b, dass Strom dort fließt, wo er vorher nicht geflossen ist.Aufgrund der Hinzufügung des Metallblocks wird es einen Stromfluss in der zuvor verstärkten Ebene des elektrischen Feldes geben.Daher findet im Magnetfeld eine Energiespeicherung statt und die Induktivität an diesem Punkt des Wellenleiters nimmt zu.Wenn außerdem Form und Position des Metallrings in Abbildung c sinnvoll gestaltet sind, sind die eingeführte induktive Reaktanz und die kapazitive Reaktanz gleich und die Apertur ist Parallelresonanz.Dies bedeutet, dass die Impedanzanpassung und Abstimmung des Hauptmodus sehr gut ist und der Nebenschlusseffekt dieses Modus vernachlässigbar ist.Andere Moden oder Frequenzen werden jedoch gedämpft, sodass der resonante Metallring sowohl als Bandpassfilter als auch als Modenfilter fungiert.
Abbildung 2: (a) Wellenleiterpfosten; (b) Zwei-Schrauben-Matcher
Oben wird eine andere Möglichkeit zur Abstimmung gezeigt, bei der sich ein zylindrischer Metallpfosten von einer der breiten Seiten in den Wellenleiter erstreckt und den gleichen Effekt wie ein Metallstreifen hat, indem an dieser Stelle eine konzentrierte Reaktanz bereitgestellt wird.Der Metallpfosten kann kapazitiv oder induktiv sein, je nachdem, wie weit er in den Wellenleiter hineinragt.Im Wesentlichen besteht diese Anpassungsmethode darin, dass, wenn eine solche Metallsäule leicht in den Wellenleiter hineinragt, sie an diesem Punkt eine kapazitive Suszeptanz bereitstellt und die kapazitive Suszeptanz zunimmt, bis die Eindringtiefe etwa eine Viertelwellenlänge beträgt. An diesem Punkt tritt Serienresonanz auf .Ein weiteres Eindringen des Metallpfostens führt dazu, dass eine induktive Suszeptanz bereitgestellt wird, die mit zunehmender Einfügung abnimmt.Die Resonanzintensität bei der Installation in der Mitte ist umgekehrt proportional zum Durchmesser der Säule und kann als Filter verwendet werden. In diesem Fall wird sie jedoch als Bandsperrfilter zur Übertragung von Moden höherer Ordnung verwendet.Ein großer Vorteil der Verwendung von Metallpfosten im Vergleich zur Impedanzerhöhung von Metallstreifen besteht darin, dass sie einfach anzupassen sind.Beispielsweise können zwei Schrauben als Abstimmvorrichtungen verwendet werden, um eine effiziente Wellenleiteranpassung zu erreichen.
Widerstandslasten 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 Terminals besteht darin, verschiedene Leistungsmessungen im System durchzuführen, ohne tatsächlich Leistung abzustrahlen.
Abbildung 3: Wellenleiter-Widerstandslast (a) einfache Verjüngung (b) doppelte Verjüngung
Der gebräuchlichste Widerstandsabschluss ist ein Abschnitt aus verlustbehaftetem Dielektrikum, der am Ende des Wellenleiters installiert und verjüngt ist (wobei die Spitze zur eingehenden Welle zeigt), um keine Reflexionen zu verursachen.Dieses verlustbehaftete Medium kann die gesamte Breite des Wellenleiters einnehmen oder nur die Mitte des Endes des Wellenleiters, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Verjüngung kann einfach oder doppelt sein und hat typischerweise eine Länge von λp/2. mit einer Gesamtlänge von etwa zwei Wellenlängen.Normalerweise bestehen sie aus dielektrischen Platten wie Glas, die außen mit einer Kohlenstofffolie oder Wasserglas beschichtet sind.Für Hochleistungsanwendungen können solche Anschlüsse über Kühlkörper an der Außenseite des Wellenleiters verfügen, und die an den Anschluss gelieferte Leistung kann über den Kühlkörper oder durch Zwangsluftkühlung abgeführt werden.
Abbildung 4 Beweglicher Flügeldämpfer
Dielektrische Dämpfungsglieder können wie in Abbildung 4 gezeigt abnehmbar gemacht werden. In der Mitte des Wellenleiters platziert, kann es seitlich von der Mitte des Wellenleiters, wo es die größte Dämpfung liefert, zu den Rändern bewegt werden, wo die Dämpfung stark reduziert wird da die elektrische Feldstärke der dominanten Mode viel geringer ist.
Dämpfung im Hohlleiter:
Die Energiedämpfung von Wellenleitern umfasst hauptsächlich folgende Aspekte:
1. Reflexionen von internen Wellenleiterdiskontinuitäten oder falsch ausgerichteten Wellenleiterabschnitten
2. Verluste, die durch den Stromfluss in Wellenleiterwänden verursacht werden
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 seiner Rauheit, dem verwendeten Dielektrikum und der Frequenz (aufgrund des Skin-Effekts) ab.Bei Messingrohren liegt die Reichweite zwischen 4 dB/100 m bei 5 GHz und 12 dB/100 m bei 10 GHz, bei Aluminiumrohren ist die Reichweite jedoch geringer.Bei silberbeschichteten Wellenleitern betragen die Verluste typischerweise 8 dB/100 m bei 35 GHz, 30 dB/100 m bei 70 GHz und nahezu 500 dB/100 m bei 200 GHz.Um Verluste zu reduzieren, insbesondere bei höchsten Frequenzen, werden Wellenleiter manchmal (innen) mit Gold oder Platin plattiert.
Wie bereits erwähnt, fungiert der Wellenleiter als Hochpassfilter.Obwohl der Wellenleiter selbst praktisch verlustfrei ist, werden Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz stark gedämpft.Diese Dämpfung ist eher auf die Reflexion an der Wellenleitermündung als auf die Ausbreitung zurückzuführen.
Wellenleiterkopplung:
Die Wellenleiterkopplung erfolgt normalerweise über Flansche, wenn Wellenleiterteile oder -komponenten miteinander verbunden werden.Die Funktion dieses Flansches besteht darin, eine reibungslose mechanische Verbindung und geeignete elektrische Eigenschaften, insbesondere geringe äußere Strahlung und geringe innere Reflexion, sicherzustellen.
Flansch:
Wellenleiterflansche werden häufig in der Mikrowellenkommunikation, Radarsystemen, Satellitenkommunikation, Antennensystemen und Laborgeräten in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt.Sie werden verwendet, um verschiedene Wellenleiterabschnitte zu verbinden, sicherzustellen, dass Leckagen und Interferenzen verhindert werden, und sorgen für eine präzise Ausrichtung des Wellenleiters, um eine hohe Zuverlässigkeit der Übertragung und präzise Positionierung elektromagnetischer Frequenzwellen zu gewährleisten.Ein typischer Wellenleiter hat an jedem Ende einen Flansch, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Abbildung 5 (a) glatter Flansch; (b) Flanschkupplung.
Bei niedrigeren Frequenzen wird der Flansch mit dem Wellenleiter verlötet oder verschweißt, während bei höheren Frequenzen ein flacherer, flacher Flansch verwendet wird.Beim Zusammenfügen zweier Teile werden die Flansche miteinander verschraubt, die Enden müssen jedoch glatt bearbeitet werden, um Unterbrechungen in der Verbindung zu vermeiden.Mit einigen Anpassungen ist es natürlich einfacher, die Komponenten richtig auszurichten, daher sind kleinere Wellenleiter manchmal mit Gewindeflanschen ausgestattet, die mit einer Ringmutter zusammengeschraubt werden können.Mit zunehmender Frequenz nimmt die Größe der Wellenleiterkopplung natürlich ab und die Kopplungsdiskontinuität wird proportional zur Signalwellenlänge und Wellenleitergröße größer.Daher werden Diskontinuitäten bei höheren Frequenzen problematischer.
Abbildung 6 (a) Querschnitt der Choke-Kupplung; (b) Endansicht des Choke-Flanschs
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 eventuelle Unstetigkeiten auszugleichen, wird im Drosselflansch ein kreisförmiger Drosselring mit L-förmigem Querschnitt eingesetzt, um eine festere Passverbindung zu erreichen.Im Gegensatz zu gewöhnlichen Flanschen sind Drosselflansche frequenzempfindlich, aber ein optimiertes Design kann eine angemessene Bandbreite (vielleicht 10 % der Mittenfrequenz) gewährleisten, über die das SWR 1,05 nicht überschreitet.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. Januar 2024
