Làm thế nào để đạt được sự phối hợp trở kháng của 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 nối tiếp hoặc song song thích hợp để đạt được sự phối hợp trở kháng giữa các đường truyền hoặc giữa các đường truyền và tải để đạt được truyền tải công suất tối đa và tổn thất phản xạ tối thiểu. Nguyên tắc phối hợp trở kháng tương tự trong các đường truyền vi dải cũng được áp dụng cho sự phối hợp trở kháng trong ống dẫn sóng. Phản xạ trong hệ thống ống dẫn sóng có thể dẫn đến sự không phối hợp trở kháng. Khi xảy ra 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 phối hợp, 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 phối hợp 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 và dưới của ống dẫn sóng (ở chế độ chủ đạo) giờ tồn tại giữa hai bề mặt kim loại ở gần nhau hơn, do đó điện dung 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 điện trường được tăng cường trước đó do việc bổ sung khối kim loại. Do đó, năng lượng được lưu trữ 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 dung được đưa vào sẽ bằng nhau và khẩu độ sẽ là cộng hưởng song song. Điều này có nghĩa là việc phối hợp 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 giảm, 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 minh họa 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 độ dài của nó vào ống dẫn sóng. Về cơ bản, phương pháp phối hợp này là 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 thời điểm này, cộng hưởng nối tiếp xảy ra. Độ xuyên thấu sâu hơn của trụ kim loại sẽ tạo ra một điện dung cảm ứng, giảm dần khi sự chèn vào trở nên hoàn toàn. Cường độ cộng hưởng tại vị trí lắp đặt giữa 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 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 sự phối hợp 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 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 kép
Đầu nối điện trở phổ biến nhất là một đoạn điện môi tổn hao được lắp đặt ở cuối ống dẫn sóng và được vát nhọn (với đầu nhọn hướng về phía sóng tới) để không gây ra phản xạ. Môi trường tổn hao này có thể chiếm toàn bộ chiều rộng của ống dẫn sóng, hoặc chỉ chiếm tâm của đầu cuối ống dẫn sóng, như thể hiện trong Hình 3. Độ côn có thể là độ côn đơn hoặc đôi 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 nối như vậy có thể có bộ tản nhiệt được thêm vào bên ngoài ống dẫn sóng và công suất truyền đến đầu nối có thể được tản ra qua bộ tản nhiệt hoặc thông qua làm mát bằng không khí cưỡng bức.
hình 4 Bộ suy giảm cánh quạt di chuyển
Bộ suy giảm điện môi có thể được thiết kế tháo rời như minh họa trong Hình 4. Được đặt ở giữa ống dẫn sóng, bộ suy giảm này có thể 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 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 chứa đầy
Hai loại cuối cùng tương tự như các suy hao tương ứng trên đường dây đồng trục và đều tương đối nhỏ. Suy 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 suy hao là từ 4 dB/100m ở tần số 5 GHz đến 12 dB/100m ở tần số 10 GHz, nhưng đối với ống dẫn bằng nhôm, phạm vi suy hao thấp hơn. Đối với ống dẫn sóng tráng bạc, suy hao thường là 8 dB/100m ở tần số 35 GHz, 30 dB/100m ở tần số 70 GHz và gần 500 dB/100m ở tần số 200 GHz. Để giảm suy hao, đặc biệt là ở tần số cao nhất, ống dẫn sóng đôi khi được mạ vàng hoặc bạch kim (bên trong).
Như đã đề cập, 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 đáng kể. Sự suy giảm này là do phản xạ tại miệng ống dẫn sóng chứ không phải do lan truyền.
Ghép nối ống dẫn sóng:
Sự ghép nối ống dẫn sóng thường diễn ra thông qua mặt bích khi các bộ phận hoặc linh kiện ống dẫn sóng được ghép 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 bên ngoài thấp và phản xạ bên trong thấp.
Mặt bích:
Mặt bích ống dẫn sóng được sử dụng rộng rãi trong thông tin vi sóng, hệ thống radar, thông tin 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, đồng thời duy trì sự căn chỉnh chính xác của ống dẫn sóng để đảm bảo truyền dẫn đáng tin cậy và định vị chính xác sóng điện từ tần số cao. Một ống dẫn sóng thông thường có một mặt bích ở mỗi đầu, như minh họa 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 điện trở với ống dẫn sóng, trong khi ở tần số cao hơn, mặt bích phẳng hơn được sử dụng. Khi hai bộ phận được ghép nối, các mặt bích được bắt vít với nhau, nhưng các đầu phải được hoàn thiện nhẵn để tránh hiện tượng gián đoạn trong kết nối. Rõ ràng, 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 mặt bích ren có thể được vặn chặt bằng đai ốc vòng. Khi tần số tăng, kích thước của khớp nối ống dẫn sóng tự nhiên giảm xuống, và độ gián đoạn của khớp nối trở nên lớn hơn theo tỷ lệ với bước sóng tín hiệu và kích thước ống dẫn sóng. Do đó, độ gián đoạn ở tần số cao hơn trở nên phức tạp 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 chừa một khe hở nhỏ giữa các ống dẫn sóng, như minh họa trong Hình 6. Một khớp nối cuộn cảm bao gồm một mặt bích thông thường và một mặt bích cuộn cảm được kết nối với nhau. Để bù trừ cho các điểm gián đoạn có thể xảy ra, một vòng cuộn cảm tròn có tiết diện hình chữ L được sử dụng trong mặt bích cuộn cảm để đạt được kết nối khít hơn. Không giống như 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 bằng 10% tần số trung tâm) mà tại đó SWR không vượt quá 1,05.
Thời gian đăng: 15-01-2024
