Làm thế nào để đạt được sự phù hợp trở kháng của ống dẫn sóng? Từ lý thuyết đường truyền trong lý thuyết anten vi dải, chúng ta biết rằng có thể chọn các đường truyền nối tiếp hoặc song song thích hợp để đạt được sự phù hợp trở kháng giữa các đường truyền hoặc giữa các đường truyền và tải nhằm đạt được khả năng truyền tải công suất tối đa và tổn thất phản xạ tối thiểu. Nguyên tắc phù hợp trở kháng trong đường truyền vi dải cũng áp dụng cho việc phù hợp trở kháng trong ống dẫn sóng. Phản xạ trong hệ thống ống dẫn sóng có thể dẫn đến sự không phù hợp trở kháng. Khi xảy ra sự suy giảm trở kháng, giải pháp cũng giống như đối với đường truyền, đó là thay đổi giá trị trở kháng tập trung cần thiết được đặt tại các điểm đã được tính toán trước trong ống dẫn sóng để khắc phục sự không phù hợp, từ đó loại bỏ ảnh hưởng của phản xạ. Trong khi đường truyền sử dụng trở kháng tập trung hoặc các đoạn mạch ngắn, ống dẫn sóng sử dụng các khối kim loại có hình dạng khác nhau.
Hình 1: Các màng chắn dẫn sóng và mạch tương đương, (a) Điện dung; (b) Cảm ứng; (c) Cộng hưởng.
Hình 1 thể hiện các loại phối hợp trở kháng khác nhau, có thể là dạng điện dung, điện cảm hoặc cộng hưởng. Phân tích toán học khá phức tạp, nhưng giải thích vật lý thì không. Xét dải kim loại điện dung đầu tiên trong hình, có thể thấy rằng điện thế tồn tại giữa thành trên và thành dưới của ống dẫn sóng (ở chế độ chủ đạo) giờ đây tồn tại giữa hai bề mặt kim loại ở gần nhau hơn, do đó điện dung tại điểm đó tăng lên. Ngược lại, khối kim loại trong Hình 1b cho phép dòng điện chảy qua nơi trước đây không có dòng điện. Sẽ có dòng điện chảy trong mặt phẳng điện trường đã được tăng cường trước đó do sự bổ sung của khối kim loại. Do đó, sự tích trữ năng lượng xảy ra trong từ trường và độ tự cảm tại điểm đó của ống dẫn sóng tăng lên. Ngoài ra, nếu hình dạng và vị trí của vòng kim loại trong Hình c được thiết kế hợp lý, điện kháng cảm ứng và điện kháng điện dung được đưa vào sẽ bằng nhau, và khe hở sẽ cộng hưởng song song. Điều này có nghĩa là sự phối hợp trở kháng và điều chỉnh chế độ chính rất tốt, và hiệu ứng suy giảm của chế độ này sẽ không đáng kể. Tuy nhiên, các chế độ hoặc tần số khác sẽ bị suy giảm, do đó vòng kim loại cộng hưởng hoạt động như cả bộ lọc thông dải và bộ lọc chế độ.
Hình 2: (a) các trụ dẫn sóng; (b) bộ ghép nối hai vít
Một cách điều chỉnh khác được thể hiện ở trên, trong đó một trụ kim loại hình trụ kéo dài từ một trong những cạnh rộng vào ống dẫn sóng, có tác dụng tương tự như một dải kim loại về việc cung cấp điện kháng tập trung tại điểm đó. Trụ kim loại có thể mang điện dung hoặc điện cảm, tùy thuộc vào mức độ nó kéo dài vào ống dẫn sóng. Về cơ bản, phương pháp phối hợp này hoạt động như sau: khi một trụ kim loại như vậy kéo dài một chút vào ống dẫn sóng, nó sẽ cung cấp một điện dung tại điểm đó, và điện dung này tăng lên cho đến khi độ xuyên thấu đạt khoảng một phần tư bước sóng. Tại điểm này, hiện tượng cộng hưởng nối tiếp xảy ra. Việc kéo dài trụ kim loại hơn nữa sẽ tạo ra một điện cảm, điện cảm này giảm dần khi việc đưa vào hoàn toàn hơn. Cường độ cộng hưởng tại điểm giữa khi lắp đặt tỷ lệ nghịch với đường kính của cột và có thể được sử dụng như một bộ lọc, tuy nhiên, trong trường hợp này nó được sử dụng như một bộ lọc chặn dải để truyền các chế độ bậc cao hơn. So với việc tăng trở kháng của các dải kim loại, một lợi thế chính của việc sử dụng trụ kim loại là chúng dễ điều chỉnh. Ví dụ, hai vít có thể được sử dụng làm thiết bị điều chỉnh để đạt được sự phối hợp ống dẫn sóng hiệu quả.
Tải điện trở và bộ suy giảm:
Giống như bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào khác, ống dẫn sóng đôi khi yêu cầu sự khớp trở kháng hoàn hảo và tải được điều chỉnh để hấp thụ hoàn toàn sóng tới mà không bị phản xạ và không nhạy cảm với tần số. Một ứng dụng của các thiết bị đầu cuối như vậy là thực hiện các phép đo công suất khác nhau trên hệ thống mà không thực sự phát ra bất kỳ công suất nào.
Hình 3 Điện trở tải ống dẫn sóng (a) hình nón đơn (b) hình nón kép
Phương pháp kết thúc điện trở phổ biến nhất là một đoạn chất điện môi tổn hao được lắp đặt ở cuối ống dẫn sóng và được làm thon (với đầu hướng về phía sóng tới) để tránh gây phản xạ. Môi trường tổn hao này có thể chiếm toàn bộ chiều rộng của ống dẫn sóng, hoặc chỉ chiếm phần giữa của đầu ống dẫn sóng, như thể hiện trong Hình 3. Phần thon có thể là thon đơn hoặc thon kép và thường có chiều dài λp/2, với tổng chiều dài xấp xỉ hai bước sóng. Thường được làm bằng các tấm điện môi như thủy tinh, được phủ một lớp màng carbon hoặc thủy tinh lỏng ở bên ngoài. Đối với các ứng dụng công suất cao, các đầu cuối như vậy có thể được bổ sung thêm bộ tản nhiệt vào bên ngoài ống dẫn sóng, và công suất cung cấp cho đầu cuối có thể được tản ra thông qua bộ tản nhiệt hoặc thông qua làm mát bằng không khí cưỡng bức.
Hình 4. Bộ suy giảm cánh quạt di động
Các bộ suy giảm điện môi có thể được chế tạo tháo rời như thể hiện trong Hình 4. Được đặt ở giữa ống dẫn sóng, nó có thể được di chuyển theo chiều ngang từ tâm của ống dẫn sóng, nơi nó sẽ cung cấp độ suy giảm lớn nhất, đến các cạnh, nơi độ suy giảm giảm đáng kể vì cường độ điện trường của chế độ chủ đạo thấp hơn nhiều.
Suy hao trong ống dẫn sóng:
Sự suy giảm năng lượng của ống dẫn sóng chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:
1. Hiện tượng phản xạ từ các chỗ gián đoạn bên trong ống dẫn sóng hoặc các đoạn ống dẫn sóng bị lệch vị trí
2. Tổn thất do dòng điện chạy trong thành ống dẫn sóng
3. Tổn thất điện môi trong ống dẫn sóng chứa vật liệu kín
Hai loại tổn hao cuối cùng tương tự như tổn hao tương ứng trong đường truyền đồng trục và đều tương đối nhỏ. Tổn hao này phụ thuộc vào vật liệu thành ống và độ nhám của nó, chất điện môi được sử dụng và tần số (do hiệu ứng bề mặt). Đối với ống dẫn bằng đồng thau, phạm vi tổn hao từ 4 dB/100m ở 5 GHz đến 12 dB/100m ở 10 GHz, nhưng đối với ống dẫn bằng nhôm, phạm vi này thấp hơn. Đối với ống dẫn sóng phủ bạc, tổn hao thường là 8 dB/100m ở 35 GHz, 30 dB/100m ở 70 GHz và gần 500 dB/100m ở 200 GHz. Để giảm tổn hao, đặc biệt là ở các tần số cao nhất, ống dẫn sóng đôi khi được mạ (bên trong) bằng vàng hoặc bạch kim.
Như đã nêu, ống dẫn sóng hoạt động như một bộ lọc thông cao. Mặc dù bản thân ống dẫn sóng hầu như không gây tổn hao, nhưng các tần số dưới tần số cắt bị suy giảm mạnh. Sự suy giảm này là do phản xạ tại miệng ống dẫn sóng chứ không phải do sự lan truyền.
Ghép nối ống dẫn sóng:
Việc ghép nối ống dẫn sóng thường diễn ra thông qua các mặt bích khi các mảnh hoặc linh kiện ống dẫn sóng được nối với nhau. Chức năng của mặt bích này là đảm bảo kết nối cơ học trơn tru và các đặc tính điện phù hợp, đặc biệt là bức xạ ngoài thấp và phản xạ trong thấp.
Mặt bích:
Các mặt bích ống dẫn sóng được sử dụng rộng rãi trong truyền thông vi sóng, hệ thống radar, truyền thông vệ tinh, hệ thống anten và thiết bị phòng thí nghiệm trong nghiên cứu khoa học. Chúng được sử dụng để kết nối các đoạn ống dẫn sóng khác nhau, đảm bảo ngăn ngừa rò rỉ và nhiễu, đồng thời duy trì sự thẳng hàng chính xác của ống dẫn sóng để đảm bảo truyền dẫn đáng tin cậy cao và định vị chính xác sóng điện từ tần số cao. Một ống dẫn sóng điển hình có một mặt bích ở mỗi đầu, như thể hiện trong Hình 5.
Hình 5 (a) mặt bích trơn; (b) khớp nối mặt bích.
Ở tần số thấp hơn, mặt bích sẽ được hàn hoặc ghép nối với ống dẫn sóng, trong khi ở tần số cao hơn, người ta sử dụng mặt bích phẳng hơn. Khi hai bộ phận được ghép nối, các mặt bích được bắt vít với nhau, nhưng các đầu phải được hoàn thiện nhẵn mịn để tránh các điểm gián đoạn trong mối nối. Rõ ràng là việc căn chỉnh các thành phần chính xác sẽ dễ dàng hơn với một số điều chỉnh, vì vậy các ống dẫn sóng nhỏ hơn đôi khi được trang bị các mặt bích có ren có thể được vặn với nhau bằng đai ốc vòng. Khi tần số tăng lên, kích thước của khớp nối ống dẫn sóng tự nhiên giảm đi, và sự gián đoạn khớp nối trở nên lớn hơn tỷ lệ thuận với bước sóng tín hiệu và kích thước ống dẫn sóng. Do đó, các điểm gián đoạn ở tần số cao hơn trở nên khó giải quyết hơn.
Hình 6 (a) Mặt cắt ngang của khớp nối van tiết lưu; (b) Hình chiếu cuối của mặt bích van tiết lưu
Để giải quyết vấn đề này, có thể để lại một khe hở nhỏ giữa các ống dẫn sóng, như thể hiện trong Hình 6. Một khớp nối cuộn cảm bao gồm một mặt bích thông thường và một mặt bích cuộn cảm được nối với nhau. Để bù lại các điểm gián đoạn có thể xảy ra, một vòng cuộn cảm tròn có mặt cắt ngang hình chữ L được sử dụng trong mặt bích cuộn cảm để đạt được kết nối khít hơn. Không giống như các mặt bích thông thường, mặt bích cuộn cảm nhạy cảm với tần số, nhưng một thiết kế tối ưu có thể đảm bảo băng thông hợp lý (có thể là 10% tần số trung tâm) mà trong đó SWR không vượt quá 1,05.
Thời gian đăng bài: 15 tháng 1 năm 2024
