Dalga kılavuzlarında empedans eşleşmesi nasıl sağlanır? Mikroşerit anten teorisindeki iletim hattı teorisinden, maksimum güç iletimi ve minimum yansıma kaybı elde etmek için iletim hatları arasında veya iletim hatları ile yükler arasında empedans eşleşmesi sağlamak üzere uygun seri veya paralel iletim hatlarının seçilebileceğini biliyoruz. Mikroşerit hatlardaki empedans eşleşmesi prensibi, dalga kılavuzlarındaki empedans eşleşmesi için de geçerlidir. Dalga kılavuzu sistemlerindeki yansımalar, empedans uyumsuzluklarına yol açabilir. Empedans bozulması meydana geldiğinde, çözüm iletim hatlarında olduğu gibi aynıdır; yani, gerekli değer değiştirilerek, uyumsuzluğu gidermek ve böylece yansımaların etkilerini ortadan kaldırmak için dalga kılavuzunda önceden hesaplanmış noktalara yoğunlaştırılmış empedans yerleştirilir. İletim hatları yoğunlaştırılmış empedanslar veya kısa devreler kullanırken, dalga kılavuzları çeşitli şekillerde metal bloklar kullanır.
Şekil 1: Dalga kılavuzu diyaframları ve eşdeğer devre, (a) Kapasitif; (b) indüktif; (c) rezonans.
Şekil 1, gösterilen formlardan herhangi birini alabilen ve kapasitif, indüktif veya rezonans olabilen farklı empedans eşleştirme türlerini göstermektedir. Matematiksel analiz karmaşıktır, ancak fiziksel açıklama basittir. Şekildeki ilk kapasitif metal şeridi ele alırsak, dalga kılavuzunun üst ve alt duvarları arasında (baskın modda) var olan potansiyelin artık iki metal yüzey arasında daha yakın bir şekilde var olduğu ve dolayısıyla kapasitansın arttığı görülebilir. Buna karşılık, Şekil 1b'deki metal blok, daha önce akmayan bir yerde akımın akmasına izin verir. Metal bloğun eklenmesi nedeniyle, daha önce güçlendirilmiş elektrik alan düzleminde akım akışı olacaktır. Bu nedenle, manyetik alanda enerji depolaması gerçekleşir ve dalga kılavuzunun o noktasındaki indüktans artar. Ayrıca, Şekil c'deki metal halkanın şekli ve konumu makul bir şekilde tasarlanırsa, ortaya çıkan indüktif reaktans ve kapasitif reaktans eşit olacak ve açıklık paralel rezonans olacaktır. Bu, ana modun empedans eşleşmesinin ve ayarlanmasının çok iyi olduğu ve bu modun şöntleme etkisinin ihmal edilebilir olacağı anlamına gelir. Bununla birlikte, diğer modlar veya frekanslar zayıflatılacaktır, bu nedenle rezonans metal halkası hem bant geçiren filtre hem de mod filtresi görevi görür.
Şekil 2: (a) dalga kılavuzu direkleri; (b) iki vidalı eşleştirici
Yukarıda gösterilen bir diğer ayarlama yönteminde, silindirik bir metal direk, geniş kenarlardan birinden dalga kılavuzuna doğru uzanır ve bu noktada toplu reaktans sağlama açısından metal bir şerit ile aynı etkiye sahiptir. Metal direk, dalga kılavuzuna ne kadar uzandığına bağlı olarak kapasitif veya indüktif olabilir. Esasen, bu eşleştirme yönteminde, böyle bir metal sütun dalga kılavuzuna hafifçe uzandığında, o noktada kapasitif bir süseptans sağlar ve kapasitif süseptans, penetrasyon yaklaşık bir dalga boyunun dörtte birine ulaşana kadar artar. Bu noktada seri rezonans meydana gelir. Metal direğin daha fazla penetrasyonu, indüktif bir süseptans sağlar ve bu süseptans, yerleştirme daha tam hale geldikçe azalır. Orta nokta kurulumundaki rezonans yoğunluğu, sütunun çapıyla ters orantılıdır ve filtre olarak kullanılabilir; ancak bu durumda, daha yüksek dereceli modları iletmek için bir bant durdurma filtresi olarak kullanılır. Metal şeritlerin empedansını artırmaya kıyasla, metal direklerin kullanılmasının en büyük avantajı, kolay ayarlanabilmeleridir. Örneğin, verimli dalga kılavuzu eşleşmesi sağlamak için iki vida ayar cihazı olarak kullanılabilir.
Dirençli yükler ve zayıflatıcılar:
Diğer tüm iletim sistemlerinde olduğu gibi, dalga kılavuzları da bazen yansıma olmadan gelen dalgaları tamamen absorbe etmek ve frekansa duyarsız olmak için mükemmel empedans eşleşmesi ve ayarlanmış yüklere ihtiyaç duyar. Bu tür terminallerin bir uygulaması, sisteme herhangi bir güç yaymadan çeşitli güç ölçümleri yapmaktır.
Şekil 3 dalga kılavuzu direnç yükü (a) tek konik (b) çift konik
En yaygın dirençli sonlandırma, dalga kılavuzunun ucuna yerleştirilen ve yansımalara neden olmamak için konikleştirilmiş (ucu gelen dalgaya doğru yönlendirilmiş) kayıplı bir dielektrik bölümüdür. Bu kayıplı ortam, dalga kılavuzunun tüm genişliğini kaplayabilir veya Şekil 3'te gösterildiği gibi dalga kılavuzunun ucunun yalnızca merkezini kaplayabilir. Konikleştirme tek veya çift konik olabilir ve tipik olarak λp/2 uzunluğundadır, toplam uzunluğu yaklaşık iki dalga boyudur. Genellikle dış yüzeyi karbon film veya su camı ile kaplanmış cam gibi dielektrik plakalardan yapılır. Yüksek güç uygulamaları için, bu tür terminallere dalga kılavuzunun dışına ısı emiciler eklenebilir ve terminale iletilen güç, ısı emici veya zorlamalı hava soğutma yoluyla dağıtılabilir.
Şekil 4 Hareketli kanatlı zayıflatıcı
Şekil 4'te gösterildiği gibi, dielektrik zayıflatıcılar çıkarılabilir şekilde yapılabilir. Dalga kılavuzunun ortasına yerleştirilen bu zayıflatıcı, en büyük zayıflamayı sağlayacağı dalga kılavuzunun merkezinden, baskın modun elektrik alan şiddetinin çok daha düşük olduğu ve zayıflamanın büyük ölçüde azaldığı kenarlara doğru yanal olarak hareket ettirilebilir.
Dalga kılavuzunda zayıflama:
Dalga kılavuzlarının enerji zayıflaması esas olarak aşağıdaki hususları içerir:
1. İç dalga kılavuzu süreksizliklerinden veya yanlış hizalanmış dalga kılavuzu bölümlerinden kaynaklanan yansımalar
2. Dalga kılavuzu duvarlarında akan akımın neden olduğu kayıplar
3. Dolgulu dalga kılavuzlarında dielektrik kayıpları
Son iki kayıp, koaksiyel hatlardaki karşılık gelen kayıplara benzer ve her ikisi de nispeten küçüktür. Bu kayıp, duvar malzemesine ve pürüzlülüğüne, kullanılan dielektriğe ve frekansa (yüzey etkisi nedeniyle) bağlıdır. Pirinç borular için aralık, 5 GHz'de 4 dB/100m'den 10 GHz'de 12 dB/100m'ye kadar değişirken, alüminyum borular için aralık daha düşüktür. Gümüş kaplı dalga kılavuzları için kayıplar tipik olarak 35 GHz'de 8 dB/100m, 70 GHz'de 30 dB/100m ve 200 GHz'de 500 dB/100m'ye yakındır. Kayıpları, özellikle en yüksek frekanslarda azaltmak için, dalga kılavuzları bazen (içten) altın veya platin ile kaplanır.
Daha önce de belirtildiği gibi, dalga kılavuzu yüksek geçiren filtre görevi görür. Dalga kılavuzunun kendisi neredeyse kayıpsız olsa da, kesme frekansının altındaki frekanslar ciddi şekilde zayıflatılır. Bu zayıflama, yayılmadan ziyade dalga kılavuzunun ağzındaki yansımadan kaynaklanır.
Dalga kılavuzu bağlantısı:
Dalga kılavuzu birleştirme işlemi genellikle, dalga kılavuzu parçaları veya bileşenleri bir araya getirildiğinde flanşlar aracılığıyla gerçekleşir. Bu flanşın işlevi, düzgün bir mekanik bağlantı ve özellikle düşük dış radyasyon ve düşük iç yansıma gibi uygun elektriksel özellikler sağlamaktır.
Flanş:
Dalga kılavuzu flanşları, mikrodalga iletişiminde, radar sistemlerinde, uydu iletişiminde, anten sistemlerinde ve bilimsel araştırmalardaki laboratuvar ekipmanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Farklı dalga kılavuzu bölümlerini birbirine bağlamak, sızıntı ve paraziti önlemek ve yüksek güvenilir iletim ve frekans elektromanyetik dalgalarının hassas konumlandırılmasını sağlamak için dalga kılavuzunun hassas hizalanmasını sağlamak amacıyla kullanılırlar. Tipik bir dalga kılavuzunun her iki ucunda da birer flanş bulunur, Şekil 5'te gösterildiği gibi.
Şekil 5 (a) düz flanş; (b) flanş bağlantısı.
Düşük frekanslarda flanş, dalga kılavuzuna lehimlenir veya kaynaklanır, yüksek frekanslarda ise daha düz bir alın flanşı kullanılır. İki parça birleştirildiğinde, flanşlar birbirine cıvatalanır, ancak bağlantıda süreksizlikleri önlemek için uçların düzgün bir şekilde bitirilmesi gerekir. Bazı ayarlamalarla bileşenleri doğru şekilde hizalamak elbette daha kolaydır, bu nedenle daha küçük dalga kılavuzları bazen bir halka somunla birbirine vidalanabilen dişli flanşlarla donatılır. Frekans arttıkça, dalga kılavuzu bağlantısının boyutu doğal olarak azalır ve bağlantı süreksizliği, sinyal dalga boyu ve dalga kılavuzu boyutuna orantılı olarak büyür. Bu nedenle, yüksek frekanslardaki süreksizlikler daha sorunlu hale gelir.
Şekil 6 (a) Boğma bağlantısının kesiti; (b) boğma flanşının uçtan görünümü
Bu sorunu çözmek için, Şekil 6'da gösterildiği gibi dalga kılavuzları arasında küçük bir boşluk bırakılabilir. Sıradan bir flanş ve bir boğma flanşının birbirine bağlanmasıyla oluşan bir boğma bağlantısı. Olası süreksizlikleri telafi etmek için, daha sıkı bir bağlantı sağlamak amacıyla boğma flanşında L şeklinde kesitli dairesel bir boğma halkası kullanılır. Sıradan flanşların aksine, boğma flanşları frekansa duyarlıdır, ancak optimize edilmiş bir tasarım, SWR'nin 1,05'i aşmadığı makul bir bant genişliği (belki de merkez frekansın %10'u) sağlayabilir.
Yayın tarihi: 15 Ocak 2024
