Come ottenere l'adattamento di impedenza delle guide d'onda? Dalla teoria delle linee di trasmissione nella teoria delle antenne a microstriscia, sappiamo che è possibile selezionare linee di trasmissione appropriate in serie o in parallelo per ottenere l'adattamento di impedenza tra linee di trasmissione o tra linee di trasmissione e carichi per ottenere la massima trasmissione di potenza e la minima perdita di riflessione. Lo stesso principio dell'adattamento di impedenza nelle linee a microstriscia si applica all'adattamento di impedenza nelle guide d'onda. Le riflessioni nei sistemi a guida d'onda possono portare a disadattamenti di impedenza. Quando si verifica un deterioramento dell'impedenza, la soluzione è la stessa delle linee di trasmissione, ovvero modificare il valore richiesto. L'impedenza concentrata viene posizionata in punti precalcolati nella guida d'onda per superare il disadattamento, eliminando così gli effetti delle riflessioni. Mentre le linee di trasmissione utilizzano impedenze concentrate o tronchi, le guide d'onda utilizzano blocchi metallici di varie forme.
figura 1: Iridi della guida d'onda e circuito equivalente, (a) capacitivo; (b) induttivo; (c) risonante.
La Figura 1 mostra i diversi tipi di adattamento di impedenza, che possono assumere una qualsiasi delle forme illustrate e possono essere capacitivi, induttivi o risonanti. L'analisi matematica è complessa, ma la spiegazione fisica non lo è. Considerando la prima striscia metallica capacitiva in figura, si può osservare che il potenziale che esisteva tra le pareti superiore e inferiore della guida d'onda (in modo dominante) ora esiste tra le due superfici metalliche più vicine, quindi la capacità è . Il punto aumenta. Al contrario, il blocco metallico in Figura 1b consente alla corrente di fluire dove prima non scorreva. Ci sarà flusso di corrente nel piano del campo elettrico precedentemente migliorato a causa dell'aggiunta del blocco metallico. Pertanto, si verifica un accumulo di energia nel campo magnetico e l'induttanza in quel punto della guida d'onda aumenta. Inoltre, se la forma e la posizione dell'anello metallico in Figura c sono progettate in modo ragionevole, la reattanza induttiva e la reattanza capacitiva introdotte saranno uguali e l'apertura sarà di risonanza parallela. Ciò significa che l'adattamento di impedenza e la sintonia del modo principale sono molto buoni e l'effetto di shunt di questo modo sarà trascurabile. Tuttavia, altri modi o frequenze saranno attenuati, quindi l'anello metallico risonante funge sia da filtro passa-banda che da filtro modale.
figura 2: (a) perni della guida d'onda; (b) accoppiatore a due viti
Un altro metodo di sintonizzazione è mostrato sopra, dove un perno metallico cilindrico si estende da uno dei lati larghi nella guida d'onda, ottenendo lo stesso effetto di una striscia metallica in termini di fornitura di reattanza concentrata in quel punto. Il perno metallico può essere capacitivo o induttivo, a seconda di quanto si estende nella guida d'onda. In sostanza, questo metodo di adattamento consiste nel fatto che quando un perno metallico di questo tipo si estende leggermente nella guida d'onda, fornisce una suscettanza capacitiva in quel punto, che aumenta fino a raggiungere una penetrazione di circa un quarto di lunghezza d'onda. A questo punto, si verifica una risonanza in serie. Un'ulteriore penetrazione del perno metallico produce una suscettanza induttiva che diminuisce man mano che l'inserimento diventa più completo. L'intensità di risonanza nel punto medio di installazione è inversamente proporzionale al diametro della colonna e può essere utilizzata come filtro; tuttavia, in questo caso viene utilizzata come filtro elimina-banda per trasmettere modalità di ordine superiore. Rispetto all'aumento dell'impedenza delle strisce metalliche, un vantaggio importante dell'utilizzo di perni metallici è la loro facilità di regolazione. Ad esempio, è possibile utilizzare due viti come dispositivi di sintonizzazione per ottenere un adattamento efficiente della guida d'onda.
Carichi resistivi e attenuatori:
Come qualsiasi altro sistema di trasmissione, le guide d'onda a volte richiedono un perfetto adattamento di impedenza e carichi sintonizzati per assorbire completamente le onde in arrivo senza riflessione e per essere insensibili alla frequenza. Un'applicazione per tali terminali è quella di effettuare diverse misurazioni di potenza sul sistema senza effettivamente irradiare energia.
figura 3 carico di resistenza della guida d'onda (a) conicità singola (b) conicità doppia
La terminazione resistiva più comune è una sezione di dielettrico con perdite installata all'estremità della guida d'onda e rastremata (con la punta rivolta verso l'onda in arrivo) in modo da non causare riflessioni. Questo mezzo con perdite può occupare l'intera larghezza della guida d'onda o solo il centro dell'estremità, come mostrato in Figura 3. La rastremazione può essere singola o doppia e in genere ha una lunghezza di λp/2, con una lunghezza totale di circa due lunghezze d'onda. Solitamente è realizzata con piastre dielettriche come il vetro, rivestite esternamente con una pellicola di carbonio o vetro solubile. Per applicazioni ad alta potenza, tali terminali possono essere dotati di dissipatori di calore aggiunti all'esterno della guida d'onda e la potenza erogata al terminale può essere dissipata attraverso il dissipatore o tramite raffreddamento ad aria forzata.
figura 4 Attenuatore a paletta mobile
Gli attenuatori dielettrici possono essere resi rimovibili come mostrato nella Figura 4. Posizionati al centro della guida d'onda, possono essere spostati lateralmente dal centro della guida d'onda, dove forniranno la maggiore attenuazione, ai bordi, dove l'attenuazione è notevolmente ridotta poiché l'intensità del campo elettrico della modalità dominante è molto più bassa.
Attenuazione nella guida d'onda:
L'attenuazione energetica delle guide d'onda comprende principalmente i seguenti aspetti:
1. Riflessioni da discontinuità interne della guida d'onda o sezioni di guida d'onda disallineate
2. Perdite causate dalla corrente che scorre nelle pareti della guida d'onda
3. Perdite dielettriche nelle guide d'onda riempite
Le ultime due sono simili alle perdite corrispondenti nelle linee coassiali e sono entrambe relativamente piccole. Questa perdita dipende dal materiale della parete e dalla sua rugosità, dal dielettrico utilizzato e dalla frequenza (dovuta all'effetto pelle). Per i tubi in ottone, l'intervallo è compreso tra 4 dB/100 m a 5 GHz e 12 dB/100 m a 10 GHz, ma per i tubi in alluminio è inferiore. Per le guide d'onda rivestite in argento, le perdite sono in genere di 8 dB/100 m a 35 GHz, 30 dB/100 m a 70 GHz e quasi 500 dB/100 m a 200 GHz. Per ridurre le perdite, soprattutto alle frequenze più elevate, le guide d'onda sono talvolta placcate (internamente) in oro o platino.
Come già accennato, la guida d'onda agisce come un filtro passa-alto. Sebbene la guida d'onda stessa sia praticamente priva di perdite, le frequenze al di sotto della frequenza di taglio risultano fortemente attenuate. Questa attenuazione è dovuta alla riflessione all'imbocco della guida d'onda, piuttosto che alla propagazione.
Accoppiamento guida d'onda:
L'accoppiamento della guida d'onda avviene solitamente tramite flange, quando pezzi o componenti della guida d'onda vengono uniti tra loro. La funzione di questa flangia è garantire una connessione meccanica fluida e proprietà elettriche adeguate, in particolare bassa radiazione esterna e bassa riflessione interna.
Flangia:
Le flange delle guide d'onda sono ampiamente utilizzate nelle comunicazioni a microonde, nei sistemi radar, nelle comunicazioni satellitari, nei sistemi di antenne e nelle apparecchiature di laboratorio per la ricerca scientifica. Servono a collegare diverse sezioni delle guide d'onda, a prevenire perdite e interferenze e a mantenere un allineamento preciso della guida d'onda per garantire una trasmissione affidabile e un posizionamento preciso delle onde elettromagnetiche ad alta frequenza. Una tipica guida d'onda presenta una flangia a ciascuna estremità, come mostrato in Figura 5.
figura 5 (a) flangia semplice; (b) giunto flangiato.
A frequenze più basse, la flangia verrà brasata o saldata alla guida d'onda, mentre a frequenze più alte si utilizza una flangia piatta. Quando due componenti vengono uniti, le flange vengono imbullonate, ma le estremità devono essere rifinite in modo uniforme per evitare discontinuità nella connessione. È ovviamente più facile allineare correttamente i componenti con alcune regolazioni, quindi le guide d'onda più piccole sono talvolta dotate di flange filettate che possono essere avvitate insieme con una ghiera. All'aumentare della frequenza, la dimensione dell'accoppiamento della guida d'onda diminuisce naturalmente e la discontinuità dell'accoppiamento aumenta in proporzione alla lunghezza d'onda del segnale e alle dimensioni della guida d'onda. Pertanto, le discontinuità alle frequenze più alte diventano più problematiche.
figura 6 (a) Sezione trasversale del giunto dello strozzatore; (b) Vista terminale della flangia dello strozzatore
Per risolvere questo problema, è possibile lasciare un piccolo spazio tra le guide d'onda, come mostrato in Figura 6. Un giunto a induttore costituito da una flangia ordinaria e una flangia a induttore collegate tra loro. Per compensare eventuali discontinuità, nella flangia a induttore viene utilizzato un anello a induttore circolare con sezione a L per ottenere una connessione più aderente. A differenza delle flange ordinarie, le flange a induttore sono sensibili alla frequenza, ma un design ottimizzato può garantire una larghezza di banda ragionevole (forse il 10% della frequenza centrale) entro la quale il ROS non supera 1,05.
Data di pubblicazione: 15-gen-2024
