Come ottenere l'adattamento dell'impedenza delle guide d'onda?Dalla teoria della linea di trasmissione nella teoria dell'antenna a microstriscia, sappiamo che è possibile selezionare linee di trasmissione in serie o parallele appropriate 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 di 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 della guida d'onda per superare il disadattamento, eliminando così gli effetti delle riflessioni.Mentre le linee di trasmissione utilizzano impedenze o stub concentrati, 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 dell'impedenza, assumendo una qualsiasi delle forme mostrate e può essere capacitivo, induttivo o risonante.L’analisi matematica è complessa, ma la spiegazione fisica non lo è.Considerando la prima striscia metallica capacitiva nella figura, si può vedere che il potenziale che esisteva tra le pareti superiore e inferiore della guida d'onda (nel modo dominante) ora esiste tra le due superfici metalliche più vicine, quindi la capacità è The il punto aumenta.Al contrario, il blocco metallico nella Figura 1b consente alla corrente di fluire dove prima non scorreva.Ci sarà un flusso di corrente nel piano del campo elettrico precedentemente potenziato a causa dell'aggiunta del blocco metallico.Pertanto, l'accumulo di energia avviene nel campo magnetico e l'induttanza in quel punto della guida d'onda aumenta.Inoltre, se la forma e la posizione dell'anello metallico nella Figura c sono progettate in modo ragionevole, la reattanza induttiva e la reattanza capacitiva introdotte saranno uguali e l'apertura sarà una risonanza parallela.Ciò significa che l'adattamento e la sintonizzazione dell'impedenza della modalità principale sono molto buoni e l'effetto di shunt di questa modalità sarà trascurabile.Tuttavia, altre modalità o frequenze verranno attenuate, quindi l'anello metallico risonante agisce sia come filtro passa banda che come filtro modalità.
figura 2: (a) montanti della guida d'onda; (b) abbinamento a due viti
Un altro modo di accordare è mostrato sopra, dove un perno metallico cilindrico si estende da uno dei lati larghi nella guida d'onda, avendo lo stesso effetto di una striscia metallica in termini di fornire reattanza concentrata in quel punto.Il palo metallico può essere capacitivo o induttivo, a seconda di quanto si estende nella guida d'onda.Essenzialmente, questo metodo di adattamento prevede che quando un tale pilastro metallico si estende leggermente nella guida d'onda, fornisce una suscettanza capacitiva in quel punto, e la suscettanza capacitiva aumenta fino a quando la penetrazione è di circa un quarto di lunghezza d'onda. A questo punto, si verifica la risonanza in serie .Un'ulteriore penetrazione del perno metallico determina la fornitura di una suscettanza induttiva che diminuisce man mano che l'inserimento diventa più completo.L'intensità di risonanza nell'installazione del punto medio è inversamente proporzionale al diametro della colonna e può essere utilizzata come filtro, tuttavia, in questo caso viene utilizzato come filtro elimina banda per trasmettere modalità di ordine superiore.Rispetto all’aumento dell’impedenza delle strisce metalliche, uno dei principali vantaggi dell’utilizzo dei perni metallici è che sono facili da regolare.Ad esempio, due viti possono essere utilizzate 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 dell'impedenza e carichi sintonizzati per assorbire completamente le onde in ingresso senza riflessione e per essere insensibili alla frequenza.Un'applicazione per tali terminali è quella di effettuare varie misurazioni di potenza sul sistema senza effettivamente irradiare alcuna potenza.
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 entrante) in modo da non provocare riflessioni.Questo mezzo con perdita può occupare l'intera larghezza della guida d'onda, oppure può occupare solo il centro dell'estremità della guida d'onda, come mostrato nella Figura 3. La conicità può essere singola o doppia e tipicamente ha una lunghezza di λp/2, con una lunghezza totale di circa due lunghezze d'onda.Solitamente costituito da piastre dielettriche come vetro, rivestite con pellicola di carbonio o vetro solubile all'esterno.Per le applicazioni ad alta potenza, tali terminali possono avere dissipatori di calore aggiunti all'esterno della guida d'onda e la potenza fornita al terminale può essere dissipata attraverso il dissipatore di calore o tramite raffreddamento ad aria forzata.
figura 4 Attenuatore ad aletta mobile
Gli attenuatori dielettrici possono essere resi rimovibili come mostrato in Figura 4. Posizionato al centro della guida d'onda, può essere spostato lateralmente dal centro della guida d'onda, dove fornirà la massima attenuazione, ai bordi, dove l'attenuazione è notevolmente ridotta poiché l'intensità del campo elettrico del modo dominante è molto più bassa.
Attenuazione in 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 in guide d'onda piene
Le ultime due sono simili alle corrispondenti perdite 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 (a causa dell'effetto pelle).Per le guaine in ottone, l'intervallo va da 4 dB/100 m a 5 GHz a 12 dB/100 m a 10 GHz, ma per le guaine in alluminio, l'intervallo è inferiore.Per le guide d'onda rivestite in argento, le perdite sono tipicamente 8 dB/100 m a 35 GHz, 30 dB/100 m a 70 GHz e prossime a 500 dB/100 m a 200 GHz.Per ridurre le perdite, soprattutto alle frequenze più alte, le guide d'onda sono talvolta placcate (internamente) con oro o platino.
Come già sottolineato, la guida d'onda funge da filtro passa-alto.Sebbene la guida d'onda stessa sia praticamente priva di perdite, le frequenze al di sotto della frequenza di taglio sono fortemente attenuate.Questa attenuazione è dovuta alla riflessione all'imboccatura 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 insieme.La funzione di questa flangia è quella di garantire un collegamento meccanico regolare e proprietà elettriche adeguate, in particolare bassa radiazione esterna e bassa riflessione interna.
Flangia:
Le flange della guida d'onda sono ampiamente utilizzate nelle comunicazioni a microonde, nei sistemi radar, nelle comunicazioni satellitari, nei sistemi di antenne e nelle apparecchiature di laboratorio nella ricerca scientifica.Vengono utilizzati per collegare diverse sezioni della guida d'onda, garantire la prevenzione di perdite e interferenze e mantenere un allineamento preciso della guida d'onda per garantire una trasmissione altamente affidabile e un posizionamento preciso delle onde elettromagnetiche di frequenza.Una tipica guida d'onda ha una flangia a ciascuna estremità, come mostrato nella Figura 5.
figura 5 (a) flangia piana; (b) accoppiamento a flangia.
A frequenze più basse la flangia verrà brasata o saldata alla guida d'onda, mentre a frequenze più alte viene utilizzata una flangia piatta con estremità più piatta.Quando due parti vengono unite, le flange vengono imbullonate insieme, ma le estremità devono essere rifinite in modo liscio per evitare discontinuità nella connessione.Ovviamente è più semplice allineare correttamente i componenti con alcuni accorgimenti, per questo le guide d'onda più piccole sono talvolta dotate di flange filettate che possono essere avvitate tra loro tramite una ghiera.All'aumentare della frequenza, la dimensione dell'accoppiamento della guida d'onda diminuisce naturalmente e la discontinuità dell'accoppiamento diventa maggiore in proporzione alla lunghezza d'onda del segnale e alla dimensione della guida d'onda.Pertanto, le discontinuità alle frequenze più alte diventano più problematiche.
figura 6 (a) Sezione trasversale dell'accoppiamento dello starter; (b) vista finale della flangia dello starter
Per risolvere questo problema, è possibile lasciare un piccolo spazio tra le guide d'onda, come mostrato nella Figura 6. Un accoppiamento dell'aria costituito da una flangia ordinaria e una flangia dell'aria collegate insieme.Per compensare possibili discontinuità, nella flangia dello strozzatore viene utilizzato un anello circolare con sezione trasversale a forma di L per ottenere un collegamento più stretto.A differenza delle flange ordinarie, le flange choke sono sensibili alla frequenza, ma un design ottimizzato può garantire una larghezza di banda ragionevole (forse il 10% della frequenza centrale) sulla quale l'SWR non supera 1,05.
Orario di pubblicazione: 15 gennaio 2024
