Làm thế nào để đạt được sự khớp trở kháng của các ống dẫn sóng? Từ lý thuyết đường truyền trong lý thuyết ăng-ten vi dải, chúng ta biết rằng có thể chọn các đường truyền song song hoặc nối tiếp thích hợp để đạt được sự khớp trở kháng giữa các đường truyền hoặc giữa các đường truyền và tải để đạt được truyền công suất tối đa và tổn thất phản xạ tối thiểu. Nguyên tắc khớp trở kháng tương tự trong các đường truyền vi dải áp dụng cho sự khớp trở kháng trong các ống dẫn sóng. Phản xạ trong các hệ thống ống dẫn sóng có thể dẫn đến sự không khớp trở kháng. Khi xảy ra sự suy giảm trở kháng, giải pháp cũng giống như đối với các đường truyền, nghĩa là thay đổi giá trị yêu cầu Trở kháng tập trung được đặt tại các điểm được tính toán trước trong ống dẫn sóng để khắc phục sự không khớp, do đó loại bỏ các hiệu ứng của phản xạ. Trong khi các đường truyền sử dụng trở kháng tập trung hoặc các đoạn cụt, ống dẫn sóng sử dụng các khối kim loại có nhiều hình dạng khác nhau.
hình 1: Mống mắt ống dẫn sóng và mạch tương đương, (a) Điện dung; (b) Cảm ứng; (c) Cộng hưởng.
Hình 1 cho thấy các loại khớp trở kháng khác nhau, có bất kỳ dạng nào được hiển thị và có thể là điện dung, cảm ứng hoặc cộng hưởng. Phân tích toán học thì phức tạp, nhưng giải thích vật lý thì không. Xem xét dải kim loại điện dung đầu tiên trong hình, có thể thấy rằng điện thế tồn tại giữa các thành trên cùng và dưới cùng của ống dẫn sóng (ở chế độ chủ đạo) hiện tồn tại giữa hai bề mặt kim loại ở gần nhau hơn, do đó điện dung là Điểm tăng lên. Ngược lại, khối kim loại trong Hình 1b cho phép dòng điện chạy qua nơi mà trước đó nó không chạy qua. Sẽ có dòng điện chạy qua mặt phẳng trường điện được tăng cường trước đó do khối kim loại được bổ sung. Do đó, năng lượng lưu trữ 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, thì điện kháng cảm ứng và điện kháng điện dung được đưa vào sẽ bằng nhau và khẩu độ sẽ là cộng hưởng song song. Điều này có nghĩa là việc khớp trở kháng và điều chỉnh chế độ chính rất tốt và hiệu ứng phân luồng của chế độ này sẽ không đáng kể. Tuy nhiên, các chế độ hoặc tần số khác sẽ bị suy yếu, do đó vòng kim loại cộng hưởng hoạt động như cả bộ lọc thông dải và bộ lọc chế độ.
hình 2: (a) trụ dẫn sóng; (b) bộ ghép 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 các cạnh rộng vào ống dẫn sóng, có tác dụng tương tự như một dải kim loại về mặt cung cấp điện kháng tập trung tại điểm đó. Trụ kim loại có thể là điện dung hoặc cảm ứng, tùy thuộc vào mức độ kéo dài vào ống dẫn sóng. Về cơ bản, phương pháp khớp này là khi một trụ kim loại như vậy kéo dài một chút vào ống dẫn sóng, nó cung cấp một điện dung tại điểm đó và điện dung tăng lên cho đến khi độ xuyên thấu bằng khoảng một phần tư bước sóng. Tại thời điểm này, cộng hưởng nối tiếp xảy ra. Sự thâm nhập sâu hơn của trụ kim loại dẫn đến một điện dung cảm ứng được cung cấp, điện dung này giảm dần khi quá trình chèn trở nên hoàn thiện hơn. Cường độ cộng hưởng tại điểm giữa lắp đặt tỷ lệ nghịch với đường kính của cột và có thể được sử dụng làm bộ lọc, tuy nhiên, trong trường hợp này, nó được sử dụng làm bộ lọc chặn băng tần để truyền các chế độ bậc cao hơn. So với việc tăng trở kháng của các dải kim loại, một lợi thế lớn của việc sử dụng trụ kim loại là chúng dễ điều chỉnh. Ví dụ, có thể sử dụng hai vít làm thiết bị điều chỉnh để đạt được sự kết 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 cần phải có sự kết hợp trở kháng hoàn hảo và tải được điều chỉnh để hấp thụ hoàn toàn sóng tới mà không phản xạ và không nhạy cảm với tần số. Một ứng dụng cho các thiết bị đầu cuối như vậy là thực hiện nhiều phép đo công suất khác nhau trên hệ thống mà không thực sự phát ra bất kỳ công suất nào.
hình 3 tải điện trở ống dẫn sóng (a) côn đơn (b) côn đôi
Đầu cuối điện trở phổ biến nhất là một phần điện môi mất mát được lắp đặt ở cuối ống dẫn sóng và được thuôn nhọn (với đầu nhọn hướng về phía sóng tới) để không gây ra phản xạ. Môi trường mất mát này có thể chiếm toàn bộ chiều rộng của ống dẫn sóng hoặc chỉ chiếm tâm của đầu ống dẫn sóng, như thể hiện trong Hình 3. Độ thuôn nhọn có thể là thuôn nhọn đơn hoặc thuôn nhọn 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 nước ở bên ngoài. Đối với các ứng dụng công suất cao, các đầu cuối như vậy có thể có bộ tản nhiệt được thêm vào bên ngoài ống dẫn sóng và công suất truyền đến đầu cuối có thể được tản qua bộ tản nhiệt hoặc thông qua làm mát bằng không khí cưỡng bức.
hình 4 Bộ giảm chấn cánh quạt di chuyển
Bộ suy giảm điện môi có thể được tháo rời như thể hiện trong Hình 4. Được đặt ở giữa ống dẫn sóng, bộ suy giảm này có thể được di chuyển theo chiều ngang từ tâm ống dẫn sóng, nơi nó sẽ cung cấp khả năng suy giảm lớn nhất, đến các cạnh, nơi khả năng suy giảm được giảm đáng kể vì cường độ điện trường của chế độ chủ đạo thấp hơn nhiều.
Sự suy giảm trong ống dẫn sóng:
Sự suy giảm năng lượng của ống dẫn sóng chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:
1. Phản xạ từ các điểm gián đoạn của ống dẫn sóng bên trong hoặc các phần ống dẫn sóng không thẳng hàng
2. Tổn thất do dòng điện chạy qua thành ống dẫn sóng
3. Tổn thất điện môi trong ống dẫn sóng đầy
Hai loại cuối cùng tương tự như các tổn thất tương ứng trong các đường dây đồng trục và đều tương đối nhỏ. Tổn thất này phụ thuộc vào vật liệu thành 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 là từ 4 dB/100m ở 5 GHz đến 12 dB/100m ở 10 GHz, nhưng đối với ống dẫn bằng nhôm, phạm vi thấp hơn. Đối với ống dẫn sóng tráng bạc, tổn thất 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 thất, đặc biệt là ở tần số cao nhất, ống dẫn sóng đôi khi được mạ (bên trong) bằng vàng hoặc bạch kim.
Như đã chỉ ra, ống dẫn sóng hoạt động như một bộ lọc thông cao. Mặc dù bản thân ống dẫn sóng hầu như không bị mất mát, nhưng các tần số dưới tần số cắt bị suy giảm nghiêm trọng. Sự suy giảm này là do phản xạ tại miệng ống dẫn sóng chứ không phải do lan truyền.
Khớp nối ống dẫn sóng:
Sự ghép nối ống dẫn sóng thường xảy ra thông qua các mặt bích khi các bộ phận hoặc thành phần của ống dẫn sóng được ghép lại 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 bên ngoài thấp và phản xạ bên trong thấp.
Mặt bích:
Mặt bích ống dẫn sóng được sử dụng rộng rãi trong truyền thông vi sóng, hệ thống radar, truyền thông vệ tinh, hệ thống ăng-ten và thiết bị phòng thí nghiệm trong nghiên cứu khoa học. Chúng được sử dụng để kết nối các phần ống dẫn sóng khác nhau, đảm bảo ngăn ngừa rò rỉ và nhiễu, và duy trì sự căn chỉnh chính xác của ống dẫn sóng để đảm bảo truyền tải đáng tin cậy cao và định vị chính xác sóng điện từ tần số. Một ống dẫn sóng thông thường 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 hàn vào ống dẫn sóng, trong khi ở tần số cao hơn, mặt bích phẳng hơn được sử dụng. Khi hai bộ phận được nối với nhau, các mặt bích được bu lông lại với nhau, nhưng các đầu phải được hoàn thiện nhẵn để tránh sự không liên tục trong kết nối. Rõ ràng là việc căn chỉnh các thành phần chính xác dễ dàng hơn với một số điều chỉnh, vì vậy các ống dẫn sóng nhỏ hơn đôi khi được trang bị các mặt bích ren có thể được vặn chặt với nhau bằng đai ốc vòng. Khi tần số tăng, kích thước của khớp nối ống dẫn sóng tự nhiên giảm xuống và sự không liên tục của khớp nối trở nên lớn hơn theo tỷ lệ với bước sóng tín hiệu và kích thước ống dẫn sóng. Do đó, sự không liên tục ở tần số cao hơn trở nên rắc rối hơn.
hình 6 (a) Mặt cắt ngang của khớp nối van tiết lưu; (b) Mặt cắt ngang của mặt bích van tiết lưu
Để giải quyết vấn đề này, có thể để một khoảng hở nhỏ giữa các ống dẫn sóng, như thể hiện trong Hình 6. Một khớp nối choke bao gồm một mặt bích thông thường và một mặt bích choke được kết nối với nhau. Để bù cho các điểm không liên tục có thể xảy ra, một vòng choke tròn có mặt cắt hình chữ L được sử dụng trong mặt bích choke để đạt được kết nối vừa khít hơn. Không giống như các mặt bích thông thường, mặt bích choke nhạy cảm với tần số, nhưng một thiết kế được tối ưu hóa có thể đảm bảo băng thông hợp lý (có thể là 10% tần số trung tâm) mà SWR không vượt quá 1,05.
Thời gian đăng: 15-01-2024
