Как и другие линии передачи и фидеры, волноводы имеют характеристическое сопротивление, которое требует согласования для максимальной передачи мощности.
Характеристическое сопротивление волновода очень важно во многих областях их использования. Как и другие формы фидеров, волноводы имеют волновое сопротивление. Путем согласования импеданса волновода с источником и нагрузкой в каждом случае происходит передача максимальной мощности.
Определение импеданса волновода
Существует несколько способов определения импеданса волновода. Характеристический импеданс волновода не так прост, как у более традиционного коаксиального фидера.
- Чтобы определить импеданс волновода, используйте напряжение как разность потенциалов между верхней и нижней стенками в середине волновода, а затем примите значение тока как интегрированное значение на верхней стенке. Как и ожидалось, соотношение дает импеданс.
- Измерьте импеданс волновода, чтобы использовать напряжение, а затем использовать поток энергии внутри волновода.
- Импеданс волновода можно определить, взяв отношение электрического поля к магнитному полю в центре волновода.
Методы определения характеристического импеданса волновода, как правило, дают результаты, в два раза превышающие импеданс свободного пространства, равный 377 Ом, т.е. большинство результатов для импеданса волновода находятся в диапазоне примерно от 190 до 750 Ом.
Импеданс волновода и коэффициент отражения
Чтобы получить оптимальную передачу мощности между волноводом и его источником или нагрузкой, импеданс обоих элементов на стыке должен быть одинаковым. Когда импеданс волновода не точно соответствует нагрузке, возникают стоячие волны, и не вся мощность передается. Точно так же, когда источник подает питание на волновод и существует несоответствие импеданса, передача всей доступной мощности невозможна. Для преодоления рассогласования необходимо использовать методы согласования импедансов.
Согласование импеданса волновода
Существует несколько способов согласования импеданса волновода. Основные методы согласования импеданса приведены ниже:
- Использование плавного изменения размеров волновода.
- Использование волноводной диафрагмы
- Использование волноводной стойки или винта
Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки и может использоваться в различных обстоятельствах. Использование элементов, включающих волноводную диафрагму или волноводную стойку или винт, имеет эффект, который проявляется на некотором расстоянии от препятствия в направляющей, поскольку поля вблизи волноводной диафрагмы или винта возмущаются.
Согласование импеданса волновода с использованием постепенных изменений
Обнаружено, что резкие изменения в волноводе приведут к разрыву, который создаст стоячие волны, поскольку это рассматривается как несоответствие импеданса. Однако постепенные изменения импеданса не вызывают этого, поскольку постепенное изменение рассматривается как согласующий элемент в системе, а не как рассогласование. Этот подход используется с рупорными антеннами — это антенны в форме воронки, которые обеспечивают согласование импеданса волновода между самим волноводом и свободным пространством за счет постепенного расширения размеров волновода.
В основном можно использовать три типа волноводных рупоров:
- самолет Е;
- плоскость Н;
- Пирамида.
Согласование импеданса с помощью волноводной диафрагмы
Согласование импеданса внутри волновода может быть обеспечено с помощью диафрагмы волновода.
Диафрагма волновода фактически является препятствием внутри волновода, которое представляет собой емкостной или индуктивный элемент. Таким образом, этот элемент способен обеспечить требуемое согласование характеристического сопротивления волновода. Преграда или радужная оболочка волновода расположена либо в поперечной плоскости магнитного, либо в электрическом поле. Диафрагма волновода размещает шунтирующую емкость или индуктивность поперек волновода, и она прямо пропорциональна размеру диафрагмы волновода.
Индуктивная диафрагма волновода помещена в магнитное поле, а емкостная диафрагма волновода помещена в электрическое поле. Они могут быть подвержены пробою в условиях высокой мощности — особенно диафрагмы электрических плоскостей, поскольку они концентрируют электрическое поле. Соответственно, использование волноводной диафрагмы или винта/штифта может ограничить допустимую мощность.
Диафрагма согласования импеданса волновода может быть либо только на одной стороне волновода, либо диафрагма волновода может быть с обеих сторон для балансировки системы. Ирисовую диафрагму с одним волноводом часто называют асимметричной диафрагмой или асимметричной волноводной диафрагмой, а там, где их две, т.е. по одной диафрагме с каждой стороны волновода, она известна как симметричная диафрагма волновода.
Комбинация диафрагм E- и H-плоскостей волноводов может использоваться для обеспечения как индуктивного, так и емкостного реактивного сопротивления. Это формирует настроенную цепь. В резонансе диафрагма действует как шунт с высоким импедансом. Выше или ниже резонанса диафрагма действует как емкостное или индуктивное сопротивление.
Согласование импеданса с помощью волноводной стойки или винта
В дополнение к использованию волноводной диафрагмы также можно использовать штифт или винт, чтобы получить аналогичный эффект и, таким образом, обеспечить согласование импеданса волновода. Волноводная стойка или винт изготовлены из проводящего материала. Чтобы стойка или винт были индуктивными, они должны проходить через волновод, полностью соприкасаясь как с верхней, так и с нижней стенками. Для емкостного реактивного сопротивления штырь или винт должны выступать только на часть пути. При использовании винта уровень можно изменять, чтобы настроить волновод на нужные условия. Обеспечение хорошего согласования между волноводом и его источником и нагрузкой имеет важное значение, если волновод должен обеспечивать оптимальную работу внутри и в системе и обеспечивать правильное использование преимуществ его низких потерь. Можно использовать различные методы обеспечения хорошего согласования импеданса, конкретный подход зависит от системных требований.