khớp trở kháng ống dẫn sóngĐây là quá trình giảm thiểu sự gián đoạn điện giữa ống dẫn sóng và linh kiện được kết nối với nó. Khi trở kháng không khớp, một phần tín hiệu vi sóng tới sẽ bị phản xạ trở lại nguồn. Kết quả là VSWR cao hơn, công suất truyền đến tải thấp hơn và hiệu suất hệ thống kém ổn định hơn.
Khác với đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng rỗng thường không sử dụng các điện trở tập trung hoặc các đoạn mạch truyền dẫn thông thường để phối hợp trở kháng. Thay vào đó, các nhà thiết kế định hình trường điện từ bằng các màng chắn, trụ đỡ, vít điều chỉnh, đoạn thu hẹp, đoạn chuyển tiếp, tải phù hợp và các giao diện mặt bích được thiết kế cẩn thận. Phương pháp phù hợp nhất phụ thuộc vào tần số hoạt động, băng thông, mức công suất, kích thước ống dẫn sóng và liệu việc điều chỉnh phải cố định hay có thể điều chỉnh được.
Tại sao việc khớp trở kháng ống dẫn sóng lại quan trọng
Bất kỳ sự thay đổi đột ngột nào về hình dạng ống dẫn sóng đều có thể làm nhiễu loạn sự phân bố trường và tạo ra sóng phản xạ. Một cụm lắp ráp phù hợp sẽ giúp:
- giảm công suất phản xạ và VSWR;
- Cải thiện khả năng truyền tải điện năng giữa nguồn, đường truyền và tải;
- Bảo vệ các nguồn vi sóng công suất cao khỏi năng lượng phản xạ quá mức;
- Ổn định các phép đo được thực hiện bằng ăng-ten, bộ chuyển đổi, tải và các thành phần dẫn sóng khác;
- Duy trì hiệu suất ổn định trên toàn dải tần số yêu cầu.
Các nguồn gây sai lệch phổ biến bao gồm thay đổi kích thước ống dẫn sóng, các đoạn uốn cong, bậc thang, đầu dò, các đoạn chuyển tiếp không hoàn hảo, khe hở mặt bích, sự lệch trục và tải có trở kháng khác với trở kháng chế độ của ống dẫn sóng.
Hình 1: Các màng chắn dẫn sóng và mạch tương đương, (a) Điện dung; (b) Cảm ứng; (c) Cộng hưởng.
1. Màng chắn sóng dẫn: Ghép nối điện dung, điện cảm và cộng hưởng
Màng chắn sóng dẫn là một màng mỏng dẫn điện được đặt ngang qua một phần của ống dẫn. Bằng cách thay đổi điện trường hoặc từ trường cục bộ, màng chắn tạo ra một điện kháng song song được điều khiển, có thể bù lại điện kháng của sự gián đoạn hoặc tải.
Màng chắn điện dung
Màng chắn điện dung tập trung điện trường vào một vùng nhỏ hơn. Năng lượng điện trường tăng lên tạo ra hiệu ứng điện dung tại mặt phẳng khớp nối. Nó có thể được sử dụng khi sự gián đoạn hiện có đòi hỏi phải bù trừ điện kháng cảm ứng.
Mống mắt cảm ứng
Màng chắn cảm ứng làm thay đổi đường đi của dòng điện bề mặt và tăng năng lượng từ trường xung quanh khe hở. Độ dẫn cảm ứng của nó có thể bù đắp sự không phù hợp về điện dung. Kích thước của khe hở và vị trí của nó dọc theo ống dẫn quyết định cường độ hiệu chỉnh.
Mống mắt cộng hưởng
Màng cộng hưởng kết hợp các hiệu ứng điện dung và điện cảm. Ở tần số thiết kế, hai hiệu ứng này có thể cân bằng sao cho chế độ chủ đạo truyền qua với độ phản xạ rất nhỏ. Ngoài vùng cộng hưởng, cấu trúc tương tự cũng có thể cung cấp khả năng chọn lọc tần số hoặc chế độ.
Các màng chắn sáng có kích thước nhỏ gọn và ổn định về mặt cơ học, nhưng chúng thường được cố định sau khi sản xuất. Do đó, kích thước của chúng nên được thiết kế phù hợp với dải tần dẫn sóng, chế độ hoạt động và băng thông dự định, chứ không phải điều chỉnh sau khi lắp ráp.
Hình 2: (a) các trụ dẫn sóng; (b) bộ ghép nối hai vít
2. Các trụ chỉnh dây và ốc vít
Một trụ dẫn điện hoặc vít điều chỉnh được cắm xuyên qua thành ống dẫn sóng sẽ tạo ra một điện kháng cục bộ. Đường kính, độ sâu xuyên thấu và vị trí của nó so với điểm gián đoạn sẽ quyết định xem hiệu ứng chủ yếu là điện dung hay điện cảm và mức độ ảnh hưởng của nó đến sự phù hợp trở kháng.
Việc cắm vít điều chỉnh nông thường chỉ tạo ra một sự hiệu chỉnh nhỏ. Khi vít cắm sâu hơn vào ống dẫn, độ dẫn điện thay đổi và có thể đi qua điểm cộng hưởng. Điều này làm cho vít điều chỉnh trở nên hữu ích cho việc hiệu chỉnh trong phòng thí nghiệm, cắt gọt trong sản xuất và bù trừ các dung sai không thể dự đoán chính xác trong quá trình thiết kế.
Ưu điểm của việc điều chỉnh phù hợp
- Có thể điều chỉnh sự phù hợp trong khi theo dõi suy hao phản xạ hoặc VSWR;
- Hai hoặc nhiều vít điều chỉnh cung cấp khả năng kiểm soát bổ sung về biên độ và pha;
- Việc điều chỉnh có thể bù trừ cho bộ chuyển đổi, đầu dò, độ uốn cong hoặc tải trọng;
- Cài đặt cuối cùng có thể được khóa sau khi xác minh.
Băng thông hữu ích được xác định bởi toàn bộ cấu trúc, chứ không chỉ riêng bởi con vít. Sự xuyên thấu quá mức có thể tạo ra cộng hưởng mạnh, làm tăng tổn hao, gây nhiễu các chế độ bậc cao hơn hoặc làm giảm khả năng xử lý công suất. Do đó, việc điều chỉnh nên được thực hiện trên toàn bộ dải tần hoạt động chứ không chỉ ở một tần số duy nhất.
Các trụ và ốc vít thường được kết hợp vàobộ chuyển đổi ống dẫn sóng sang cáp đồng trụcvà các thành phần ống dẫn sóng khác, nơi trường phải chuyển đổi giữa các cấu trúc truyền dẫn khác nhau.
3. Tải phù hợp và bộ suy giảm
Bộ tải dẫn sóng phù hợp kết thúc đường truyền và chuyển đổi năng lượng vi sóng tới thành nhiệt với độ phản xạ tối thiểu. Nó được sử dụng cho các phép đo công suất, thiết lập thử nghiệm, các cổng không sử dụng và bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu một điểm kết thúc có độ phản xạ thấp được xác định rõ.
Bộ suy giảm phục vụ mục đích khác: nó giảm biên độ tín hiệu một lượng được kiểm soát trong khi vẫn duy trì sự phù hợp trở kháng chấp nhận được ở cả hai cổng. Cả hai thiết bị đều phụ thuộc vào sự tương tác dần dần với vật liệu có tổn hao để từ trường được hấp thụ mà không tạo ra bước nhảy trở kháng đột ngột.
Tìm kiếm RF MISOtải ống dẫn sóngđể lựa chọn các linh kiện phù hợp với các dải tần dẫn sóng và yêu cầu công suất khác nhau.
Hình 3 Điện trở tải ống dẫn sóng (a) hình nón đơn (b) hình nón kép
Tải ống dẫn sóng hình nón
Phương pháp ghép nối đầu cuối phổ biến nhất sử dụng một phần tử điện môi hoặc điện trở có tổn hao, được làm thon dần về phía sóng tới. Sự thay đổi dần dần này cho phép trường điện từ đi vào bộ hấp thụ với độ phản xạ ít hơn so với một khối vật liệu đột ngột.
Bộ hấp thụ có thể trải dài toàn bộ ống dẫn hoặc chiếm vùng từ trường cao gần tâm của nó. Chiều dài phần thu hẹp, sự phân bố tổn hao và thiết kế tản nhiệt được lựa chọn phù hợp với dải tần số và mức công suất. Các tải công suất cao hơn có thể yêu cầu thân lớn hơn, bộ tản nhiệt hoặc hệ thống làm mát bằng gió cưỡng bức để loại bỏ năng lượng đã hấp thụ một cách an toàn.
Hình 4. Bộ suy giảm cánh quạt di động
Bộ suy giảm cánh quạt di động
Một cánh dẫn điện môi di động thay đổi độ suy giảm bằng cách di chuyển qua các vùng có cường độ điện trường khác nhau. Ở trung tâm của điện trường chế độ chủ đạo, cánh dẫn hấp thụ nhiều năng lượng hơn; gần thành bên, điện trường yếu hơn và độ suy giảm giảm. Cơ chế này cho phép điều chỉnh mức giảm tín hiệu mà không cần thay đổi đường dẫn sóng dẫn.
Tổn thất trong ống dẫn sóng so với sự không khớp trở kháng
Suy giảm và không khớp trở kháng có liên quan nhưng không giống nhau. Sự không khớp trở kháng làm trả lại một phần năng lượng tới nguồn, trong khi tổn hao do chất dẫn và chất điện môi chuyển đổi một phần năng lượng truyền đi thành nhiệt.
Các nguyên nhân chính gây suy thoái là:
- Sự phản xạ từ các bậc thang, khúc cua, đầu dò, khe hở mặt bích hoặc các phần không thẳng hàng;
- Tổn thất dẫn điện do dòng điện bề mặt trong thành ống dẫn sóng;
- Tổn thất điện môi từ cửa sổ, giá đỡ, vật liệu hấp thụ hoặc các phần được lấp đầy;
- Độ nhám bề mặt, ô nhiễm, ăn mòn và tiếp xúc điện kém.
Ống dẫn sóng cũng hoạt động như một cấu trúc lọc thông cao. Các tần số dưới tần số cắt của chế độ được chọn sẽ không truyền dẫn bình thường và bị suy giảm mạnh. Vì lý do này, dải tần hoạt động, kích thước ống dẫn sóng và chế độ dự định phải được xác nhận trước khi tối ưu hóa việc phối hợp trở kháng.
4. Các bộ chuyển đổi, bộ điều hợp và khớp nối mặt bích
Bộ chuyển tiếp hoặc bộ điều chỉnh thay đổi từ trường một cách dần dần giữa các kích thước, hướng hoặc môi trường truyền dẫn ống dẫn sóng khác nhau. Các đoạn chuyển tiếp dần dần thường cung cấp khả năng khớp nối rộng hơn so với một bước chuyển tiếp đột ngột, trong khi một bộ chuyển tiếp bậc thang nhỏ gọn có thể được ưu tiên khi không gian bị hạn chế.
Bộ chuyển đổi từ ống dẫn sóng sang cáp đồng trụcKết hợp bộ chuyển đổi cơ học với đầu dò hoặc bộ phóng kích thích chế độ sóng dẫn cần thiết. Vị trí đầu dò, khoảng cách giữa các điện cực ngắn và bất kỳ phần tử điều chỉnh nào phải hoạt động cùng nhau trên dải tần được chỉ định.
Vì sao việc căn chỉnh mặt bích lại quan trọng
Các đoạn ống dẫn sóng thường được nối với nhau bằng mặt bích. Nhiệm vụ của chúng là duy trì sự thẳng hàng về mặt cơ học, cung cấp tiếp xúc điện đáng tin cậy và giảm thiểu rò rỉ và phản xạ bên trong. Khe hở, độ lệch, bề mặt làm kín bị hư hỏng hoặc áp lực bu lông không đều có thể gây ra sự gián đoạn đáng kể, đặc biệt là ở các bước sóng ngắn hơn.
Hình 5 (a) mặt bích trơn; (b) khớp nối mặt bích.
Mặt bích trơn và mặt bích chính xác
Các mặt bích tiếp xúc trơn hoạt động tốt khi các bề mặt tiếp xúc phẳng, sạch và được căn chỉnh chính xác. Ở tần số cao hơn, các sai số kích thước nhỏ chiếm một phần lớn hơn của bước sóng, do đó độ hoàn thiện bề mặt, sự căn chỉnh của thanh dẫn hướng và mô-men xoắn của bu lông trở nên quan trọng hơn.
Kiểm tra lắp ráp thực tế
- Xác nhận rằng cả hai thành phần đều sử dụng cùng kích thước ống dẫn sóng và tiêu chuẩn mặt bích tương thích;
- Làm sạch các bề mặt tiếp xúc và kiểm tra xem có vết lõm, gờ hoặc ăn mòn hay không;
- Căn chỉnh các lỗ trước khi siết chặt ốc vít;
- Siết chặt các bu lông đều nhau sao cho các mặt bích vẫn song song;
- Kiểm tra lại đường dẫn đã lắp ráp bằng máy phân tích mạng vectơ đã hiệu chuẩn.
Hình 6 (a) Mặt cắt ngang của khớp nối van tiết lưu; (b) Hình chiếu cuối của mặt bích van tiết lưu
Khớp nối mặt bích choke
Mặt bích cuộn cảm sử dụng một vòng hoặc rãnh lõm xung quanh lỗ để kiểm soát dòng điện tại mối nối. Khi được thiết kế đúng kích thước cho dải tần hoạt động, nó có thể giảm độ nhạy cảm với khe hở cơ học nhỏ và cải thiện kết nối điện. Vì cuộn cảm phụ thuộc vào tần số, hình dạng của nó phải phù hợp với dải tần dự định.
Cách kiểm tra sự phù hợp của ống dẫn sóng
- Hiệu chỉnh máy phân tích mạng vectơ tại các mặt phẳng tham chiếu thích hợp.
- Đo S11 hoặc suy hao phản xạ trên toàn bộ dải tần hoạt động, chứ không phải chỉ ở một tần số duy nhất.
- Hãy chuyển đổi kết quả sang định dạng VSWR nếu đó là yêu cầu kỹ thuật của dự án.
- Điều chỉnh các vít điều chỉnh hoặc các yếu tố biến đổi khác từng chút một trong khi quan sát toàn bộ quá trình điều chỉnh.
- Kiểm tra lại sau khi siết chặt lần cuối, ổn định nhiệt và lắp đặt các bộ phận liền kề.
Kết quả tốt được xác định bởi thông số kỹ thuật của hệ thống. Một điểm phản xạ thấp duy nhất có thể không đủ nếu ứng dụng yêu cầu băng thông rộng, khả năng xử lý công suất ổn định hoặc hiệu suất lặp lại sau khi lắp ráp.
Cách chọn phương pháp ghép đôi
- Hoa diên vĩ:Nhỏ gọn, cố định và phù hợp với đáp ứng tần số được thiết kế.
- Trụ hoặc ốc vít:Có thể điều chỉnh và hữu ích cho việc tinh chỉnh dung sai sản xuất.
- Sự giảm dần và chuyển tiếp:Được ưa chuộng khi cần chuyển đổi trường dần dần và băng thông rộng hơn.
- Tải trọng phù hợp:Kết thúc một cổng và hấp thụ năng lượng tới với độ phản xạ thấp.
- Mặt bích van tiết lưu:Cải thiện các mối nối mặt bích đã chọn khi không thể tránh khỏi khe hở nhỏ.
Ứng dụng
Việc khớp trở kháng ống dẫn sóng rất quan trọng trong các thiết bị đầu cuối radar, thiết bị liên lạc vệ tinh, bộ cấp tín hiệu anten, hệ thống đo lường vi sóng, máy phát, máy thu và các thiết lập thử nghiệm công suất cao. Nó cũng là yếu tố cốt lõi đối với hiệu suất của bộ chuyển đổi, tải, công tắc, bộ chuyển đổi chế độ trực giao và các thiết bị khác.các thành phần ống dẫn sóng.
Câu hỏi thường gặp
Giá trị VSWR cao trong hệ thống ống dẫn sóng cho thấy điều gì?
Hệ số VSWR cao cho thấy một phần đáng kể sóng tới đang bị phản xạ. Nguyên nhân có thể là do chính tải hoặc một điểm không liên tục như bộ chuyển đổi, đầu dò, đoạn uốn cong, khe hở mặt bích hoặc đoạn bị lệch.
Liệu một vít điều chỉnh có thể cung cấp khả năng phối hợp băng thông rộng?
Một vít điều chỉnh có thể khắc phục sự không khớp một cách hiệu quả, nhưng việc điều chỉnh cộng hưởng mạnh có thể dẫn đến băng thông hẹp. Hiệu suất băng thông rộng thường yêu cầu toàn bộ quá trình chuyển đổi, vị trí vít và hình học xung quanh phải được thiết kế đồng bộ.
Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng phản xạ tại mặt bích của ống dẫn sóng?
Sử dụng mặt bích tương thích, giữ cho các bề mặt tiếp xúc sạch sẽ và phẳng, căn chỉnh các lỗ chính xác và siết chặt các ốc vít đều nhau. Xác nhận việc lắp ráp cuối cùng bằng cách quét bằng máy phân tích mạng.
Sự khác biệt giữa tải dẫn sóng và bộ suy giảm là gì?
Tải (load) kết thúc một cổng và hấp thụ gần như toàn bộ năng lượng tín hiệu đầu vào. Bộ suy giảm (attenuator) là thiết bị hai cổng, làm giảm mức tín hiệu đi một lượng xác định trong khi truyền phần năng lượng còn lại ra đầu ra.
Để được hỗ trợ lựa chọn bộ chuyển đổi ống dẫn sóng, tải hoặc cấu trúc phối hợp tùy chỉnh,tiếp xúc RF MISObao gồm dải tần số, kích thước ống dẫn sóng, băng thông, mức công suất và VSWR mục tiêu.
Thời gian đăng bài: 15 tháng 1 năm 2024
