จะทำให้เกิดการจับคู่ความต้านทานในท่อนำคลื่นได้อย่างไร? จากทฤษฎีสายส่งในทฤษฎีเสาอากาศไมโครสตริป เราทราบว่าสามารถเลือกสายส่งแบบอนุกรมหรือแบบขนานที่เหมาะสมเพื่อให้เกิดการจับคู่ความต้านทานระหว่างสายส่งหรือระหว่างสายส่งกับโหลด เพื่อให้ได้กำลังส่งสูงสุดและการสูญเสียจากการสะท้อนน้อยที่สุด หลักการเดียวกันของการจับคู่ความต้านทานในสายไมโครสตริปสามารถนำมาใช้กับการจับคู่ความต้านทานในท่อนำคลื่นได้ การสะท้อนในระบบท่อนำคลื่นอาจนำไปสู่ความไม่ตรงกันของความต้านทาน เมื่อความต้านทานลดลง วิธีแก้ปัญหาก็เหมือนกับสายส่ง นั่นคือ การเปลี่ยนค่าความต้านทานแบบรวมศูนย์ที่ต้องการ ณ จุดที่คำนวณไว้ล่วงหน้าในท่อนำคลื่น เพื่อแก้ไขความไม่ตรงกันและขจัดผลกระทบจากการสะท้อน ในขณะที่สายส่งใช้ความต้านทานแบบรวมศูนย์หรือส่วนต่อขยาย ท่อนำคลื่นจะใช้บล็อกโลหะรูปทรงต่างๆ
รูปที่ 1: ช่องเปิดของท่อนำคลื่นและวงจรสมมูล (a) แบบคาปาซิทีฟ (b) แบบเหนี่ยวนำ (c) แบบเรโซแนนซ์
รูปที่ 1 แสดงการจับคู่ความต้านทานแบบต่างๆ ซึ่งสามารถอยู่ในรูปแบบใดก็ได้ดังที่แสดงไว้ และอาจเป็นแบบคาปาซิทีฟ อินดักทีฟ หรือเรโซแนนซ์ การวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์มีความซับซ้อน แต่คำอธิบายทางกายภาพนั้นไม่ซับซ้อน เมื่อพิจารณาแถบโลหะแบบคาปาซิทีฟอันแรกในรูป จะเห็นได้ว่าศักย์ไฟฟ้าที่เคยมีอยู่ระหว่างผนังด้านบนและด้านล่างของท่อนำคลื่น (ในโหมดเด่น) ตอนนี้มีอยู่ระหว่างพื้นผิวโลหะทั้งสองที่อยู่ใกล้กันมากขึ้น ดังนั้นค่าความจุจึงเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม บล็อกโลหะในรูปที่ 1b ช่วยให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ในจุดที่ก่อนหน้านี้ไม่ไหล จะมีกระแสไฟฟ้าไหลในระนาบสนามไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นก่อนหน้านี้เนื่องจากการเพิ่มบล็อกโลหะ ดังนั้นจึงเกิดการเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กและค่าความเหนี่ยวนำ ณ จุดนั้นของท่อนำคลื่นจึงเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ หากออกแบบรูปร่างและตำแหน่งของวงแหวนโลหะในรูปที่ 1c อย่างเหมาะสม ค่าความต้านทานเชิงเหนี่ยวนำและค่าความต้านทานเชิงคาปาซิทีฟที่เกิดขึ้นจะเท่ากัน และช่องเปิดจะเกิดการเรโซแนนซ์แบบขนาน นั่นหมายความว่าการจับคู่ความต้านทานและการปรับจูนของโหมดหลักนั้นดีมาก และผลกระทบจากการลัดวงจรของโหมดนี้จะน้อยมาก อย่างไรก็ตาม โหมดหรือความถี่อื่นๆ จะถูกลดทอนลง ดังนั้นวงแหวนโลหะที่เกิดการสั่นพ้องจึงทำหน้าที่ทั้งเป็นตัวกรองแบบผ่านย่านความถี่และตัวกรองแบบโหมด
รูปที่ 2: (a) เสาตัวนำคลื่น; (b) ตัวปรับคลื่นแบบสองสกรู
อีกวิธีหนึ่งในการปรับจูนแสดงไว้ข้างต้น โดยใช้เสาโลหะทรงกระบอกยื่นออกมาจากด้านกว้างด้านใดด้านหนึ่งเข้าไปในท่อนำคลื่น ซึ่งมีผลเช่นเดียวกับแถบโลหะในแง่ของการให้ค่าความต้านทานรวมที่จุดนั้น เสาโลหะอาจเป็นแบบคาปาซิทีฟหรือแบบเหนี่ยวนำ ขึ้นอยู่กับว่ามันยื่นเข้าไปในท่อนำคลื่นไกลแค่ไหน โดยพื้นฐานแล้ว วิธีการจับคู่แบบนี้คือ เมื่อเสาโลหะดังกล่าวยื่นเข้าไปในท่อนำคลื่นเล็กน้อย มันจะให้ค่าการนำไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟที่จุดนั้น และค่าการนำไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งการแทรกเข้าไปประมาณหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น ณ จุดนี้จะเกิดการสั่นพ้องแบบอนุกรม การแทรกเสาโลหะเข้าไปอีกจะทำให้เกิดค่าการนำไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ ซึ่งจะลดลงเมื่อการแทรกเข้าไปสมบูรณ์มากขึ้น ความเข้มของการสั่นพ้องที่จุดกึ่งกลางของการติดตั้งจะแปรผกผันกับเส้นผ่านศูนย์กลางของเสา และสามารถใช้เป็นตัวกรองได้ อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้มันถูกใช้เป็นตัวกรองแบบแบนด์สต็อปเพื่อส่งผ่านโหมดลำดับสูงกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับการเพิ่มอิมพีแดนซ์ของแถบโลหะ ข้อดีที่สำคัญของการใช้เสาโลหะคือสามารถปรับแต่งได้ง่าย ตัวอย่างเช่น สามารถใช้สกรูสองตัวเป็นอุปกรณ์ปรับแต่งเพื่อให้ได้การจับคู่คลื่นนำแสงที่มีประสิทธิภาพ
โหลดต้านทานและตัวลดทอนสัญญาณ:
เช่นเดียวกับระบบส่งสัญญาณอื่นๆ ท่อนำคลื่นบางครั้งต้องการการจับคู่ความต้านทานที่สมบูรณ์แบบและโหลดที่ปรับแต่งอย่างเหมาะสมเพื่อดูดซับคลื่นที่เข้ามาอย่างเต็มที่โดยไม่เกิดการสะท้อนและไม่ไวต่อความถี่ การใช้งานอย่างหนึ่งของอุปกรณ์ปลายทางดังกล่าวคือการวัดกำลังไฟฟ้าต่างๆ ในระบบโดยไม่ต้องปล่อยพลังงานออกมาจริง
รูปที่ 3 โหลดความต้านทานของท่อนำคลื่น (a) แบบเรียวเดี่ยว (b) แบบเรียวคู่
การต่อปลายสายแบบต้านทานที่พบได้บ่อยที่สุดคือการติดตั้งวัสดุไดอิเล็กทริกที่มีการสูญเสียพลังงานไว้ที่ปลายสายนำคลื่น และมีลักษณะเรียว (โดยให้ปลายชี้ไปทางคลื่นที่เข้ามา) เพื่อป้องกันการสะท้อน วัสดุที่มีการสูญเสียพลังงานนี้อาจครอบคลุมความกว้างทั้งหมดของสายนำคลื่น หรืออาจครอบคลุมเฉพาะตรงกลางปลายสายนำคลื่น ดังแสดงในรูปที่ 3 ส่วนที่เรียวอาจเป็นแบบเรียวเดี่ยวหรือเรียวคู่ และโดยทั่วไปมีความยาว λp/2 โดยมีความยาวรวมประมาณสองเท่าของความยาวคลื่น มักทำจากแผ่นไดอิเล็กทริก เช่น แก้ว เคลือบด้วยฟิล์มคาร์บอนหรือแก้วน้ำที่ด้านนอก สำหรับการใช้งานกำลังสูง ปลายสายดังกล่าวสามารถเพิ่มแผ่นระบายความร้อนไว้ที่ด้านนอกของสายนำคลื่น และกำลังไฟฟ้าที่ส่งไปยังปลายสายสามารถระบายออกทางแผ่นระบายความร้อนหรือผ่านการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับได้
รูปที่ 4 ตัวลดทอนสัญญาณแบบใบพัดเคลื่อนที่ได้
ตัวลดทอนสัญญาณแบบไดอิเล็กทริกสามารถถอดออกได้ดังแสดงในรูปที่ 4 เมื่อวางไว้ตรงกลางของท่อนำคลื่น จะสามารถเลื่อนไปด้านข้างได้ตั้งแต่ตรงกลางของท่อนำคลื่น ซึ่งจะให้การลดทอนสัญญาณมากที่สุด ไปจนถึงขอบ ซึ่งการลดทอนสัญญาณจะลดลงอย่างมากเนื่องจากความแรงของสนามไฟฟ้าของโหมดหลักนั้นต่ำกว่ามาก
การลดทอนในท่อนำคลื่น:
การลดทอนพลังงานของท่อนำคลื่นส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับแง่มุมต่อไปนี้:
1. การสะท้อนจากรอยแตกภายในท่อคลื่นหรือส่วนของท่อคลื่นที่ไม่ตรงแนว
2. การสูญเสียที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านผนังท่อนำคลื่น
3. การสูญเสียไดอิเล็กทริกในท่อนำคลื่นที่บรรจุสารตัวกลาง
ค่าการสูญเสียสองค่าสุดท้ายนั้นคล้ายคลึงกับค่าการสูญเสียที่เกิดขึ้นในสายโคแอกเซียล และมีค่าค่อนข้างน้อยทั้งคู่ ค่าการสูญเสียนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุของผนังและความหยาบของพื้นผิว ฉนวนที่ใช้ และความถี่ (เนื่องจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์) สำหรับท่อทองเหลือง ค่าการสูญเสียจะอยู่ในช่วง 4 dB/100m ที่ 5 GHz ถึง 12 dB/100m ที่ 10 GHz แต่สำหรับท่ออลูมิเนียม ค่าการสูญเสียจะต่ำกว่า สำหรับตัวนำคลื่นเคลือบเงิน ค่าการสูญเสียโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 8 dB/100m ที่ 35 GHz, 30 dB/100m ที่ 70 GHz และใกล้เคียงกับ 500 dB/100m ที่ 200 GHz เพื่อลดค่าการสูญเสีย โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูงสุด บางครั้งตัวนำคลื่นจะถูกเคลือบ (ภายใน) ด้วยทองคำหรือแพลทินัม
ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ท่อนำคลื่นทำหน้าที่เป็นตัวกรองความถี่สูง แม้ว่าตัวท่อนำคลื่นเองแทบจะไม่มีการสูญเสีย แต่ความถี่ที่ต่ำกว่าความถี่ตัดจะถูกลดทอนอย่างมาก การลดทอนนี้เกิดจากการสะท้อนที่ปากท่อนำคลื่น ไม่ใช่การแพร่กระจาย
การเชื่อมต่อท่อนำคลื่น:
โดยทั่วไป การเชื่อมต่อท่อนำคลื่นจะเกิดขึ้นผ่านหน้าแปลนเมื่อชิ้นส่วนหรือส่วนประกอบของท่อนำคลื่นถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน หน้าที่ของหน้าแปลนนี้คือเพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อทางกลเป็นไปอย่างราบรื่นและมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแผ่รังสีภายนอกต่ำและการสะท้อนภายในต่ำ
หน้าแปลน:
หน้าแปลนของท่อนำคลื่นมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบสื่อสารไมโครเวฟ ระบบเรดาร์ ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม ระบบเสาอากาศ และอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ หน้าแปลนเหล่านี้ใช้สำหรับเชื่อมต่อส่วนต่างๆ ของท่อนำคลื่น ป้องกันการรั่วไหลและการรบกวน และรักษาการจัดเรียงที่แม่นยำของท่อนำคลื่น เพื่อให้มั่นใจได้ถึงการส่งสัญญาณที่มีความน่าเชื่อถือสูงและการกำหนดตำแหน่งที่แม่นยำของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่างๆ โดยทั่วไปแล้ว ท่อนำคลื่นจะมีหน้าแปลนอยู่ที่ปลายแต่ละด้าน ดังแสดงในรูปที่ 5
รูปที่ 5 (ก) หน้าแปลนเรียบ; (ข) ข้อต่อหน้าแปลน
ที่ความถี่ต่ำ หน้าแปลนจะถูกเชื่อมหรือบัดกรีเข้ากับตัวนำคลื่น ในขณะที่ความถี่สูงจะใช้หน้าแปลนแบบเรียบกว่า เมื่อเชื่อมต่อชิ้นส่วนสองชิ้นเข้าด้วยกัน หน้าแปลนจะถูกยึดด้วยสลักเกลียว แต่ปลายต้องได้รับการตกแต่งให้เรียบเพื่อหลีกเลี่ยงความไม่ต่อเนื่องในการเชื่อมต่อ เห็นได้ชัดว่าการจัดตำแหน่งส่วนประกอบให้ถูกต้องด้วยการปรับแต่งบางอย่างนั้นง่ายกว่า ดังนั้นตัวนำคลื่นขนาดเล็กบางครั้งจึงติดตั้งหน้าแปลนแบบเกลียวที่สามารถขันเข้าด้วยกันด้วยน็อตวงแหวนได้ เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ขนาดของการเชื่อมต่อตัวนำคลื่นจะลดลงตามธรรมชาติ และความไม่ต่อเนื่องของการเชื่อมต่อจะใหญ่ขึ้นตามสัดส่วนของความยาวคลื่นสัญญาณและขนาดของตัวนำคลื่น ดังนั้น ความไม่ต่อเนื่องที่ความถี่สูงจึงเป็นปัญหามากขึ้น
รูปที่ 6 (ก) ภาพตัดขวางของข้อต่อโช้ค (ข) ภาพด้านปลายของหน้าแปลนโช้ค
เพื่อแก้ปัญหานี้ สามารถเว้นช่องว่างเล็กๆ ระหว่างท่อนำคลื่นได้ ดังแสดงในรูปที่ 6 ตัวเชื่อมต่อแบบโช้คประกอบด้วยหน้าแปลนธรรมดาและหน้าแปลนโช้คที่เชื่อมต่อกัน เพื่อชดเชยความไม่ต่อเนื่องที่อาจเกิดขึ้น จึงใช้แหวนโช้คทรงกลมที่มีหน้าตัดรูปตัว L ในหน้าแปลนโช้คเพื่อให้ได้การเชื่อมต่อที่แน่นหนายิ่งขึ้น แตกต่างจากหน้าแปลนธรรมดา หน้าแปลนโช้คมีความไวต่อความถี่ แต่การออกแบบที่เหมาะสมสามารถรับประกันแบนด์วิดท์ที่เหมาะสม (อาจประมาณ 10% ของความถี่กลาง) ซึ่งค่า SWR จะไม่เกิน 1.05
วันที่เผยแพร่: 15 มกราคม 2024
