วิธีการบรรลุการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ของท่อนำคลื่น? จากทฤษฎีเส้นส่งในทฤษฎีเสาอากาศไมโครสตริป เราทราบว่าสามารถเลือกเส้นส่งแบบอนุกรมหรือขนานที่เหมาะสมเพื่อให้ได้การจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ระหว่างเส้นส่งหรือระหว่างเส้นส่งและโหลดเพื่อให้ได้การส่งกำลังสูงสุดและการสูญเสียการสะท้อนน้อยที่สุด หลักการเดียวกันของการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ในเส้นไมโครสตริปใช้ได้กับการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ในท่อนำคลื่น การสะท้อนในระบบท่อนำคลื่นสามารถนำไปสู่ความไม่ตรงกันของค่าอิมพีแดนซ์ เมื่อเกิดการเสื่อมของค่าอิมพีแดนซ์ วิธีแก้ปัญหาจะเหมือนกับในสายส่ง นั่นคือ การเปลี่ยนค่าที่ต้องการ อิมพีแดนซ์รวมจะถูกวางไว้ที่จุดที่คำนวณไว้ล่วงหน้าในท่อนำคลื่นเพื่อเอาชนะความไม่ตรงกัน จึงขจัดผลกระทบของการสะท้อน ในขณะที่สายส่งใช้ค่าอิมพีแดนซ์รวมหรือสตับ ท่อนำคลื่นใช้บล็อกโลหะที่มีรูปร่างต่างๆ
รูปที่ 1: ไอริสคลื่นนำทางและวงจรเทียบเท่า (ก) ความจุ (ข) เหนี่ยวนำ (ค) การสั่นพ้อง
รูปที่ 1 แสดงการจับคู่อิมพีแดนซ์ประเภทต่างๆ ซึ่งมีรูปแบบใดก็ได้ตามที่แสดง และสามารถเป็นแบบเก็บประจุ เหนี่ยวนำ หรือแบบสั่นพ้อง การวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์มีความซับซ้อน แต่คำอธิบายทางกายภาพนั้นไม่ซับซ้อน เมื่อพิจารณาแถบโลหะเก็บประจุแรกในรูป จะเห็นได้ว่าศักย์ไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างผนังด้านบนและด้านล่างของท่อนำคลื่น (ในโหมดเด่น) อยู่ระหว่างพื้นผิวโลหะทั้งสองที่อยู่ใกล้กันมากขึ้น ดังนั้น ความจุจึงเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม บล็อกโลหะในรูปที่ 1b อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลในที่ที่ไม่เคยไหลมาก่อน กระแสไฟฟ้าจะไหลในระนาบสนามไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นก่อนหน้านี้เนื่องจากการเพิ่มบล็อกโลหะ ดังนั้น จึงเกิดการเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กและความเหนี่ยวนำที่จุดนั้นของท่อนำคลื่นจะเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ หากออกแบบรูปร่างและตำแหน่งของวงแหวนโลหะในรูปที่ c ได้อย่างสมเหตุสมผล รีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำและรีแอคแตนซ์แบบเก็บประจุที่นำเข้ามาจะเท่ากัน และรูรับแสงจะเกิดการสั่นพ้องแบบขนาน ซึ่งหมายความว่าการจับคู่และการปรับค่าอิมพีแดนซ์ของโหมดหลักนั้นดีมาก และเอฟเฟกต์การแบ่งสัญญาณของโหมดนี้จะไม่มีความสำคัญ อย่างไรก็ตาม โหมดหรือความถี่อื่นๆ จะถูกลดทอนลง ดังนั้นวงแหวนโลหะเรโซแนนซ์จึงทำหน้าที่เป็นทั้งตัวกรองแบนด์พาสและตัวกรองโหมด
รูปที่ 2: (ก) เสาท่อนำคลื่น; (ข) แมตเชอร์แบบสกรูสองตัว
วิธีการปรับแต่งอื่น ๆ จะแสดงไว้ด้านบน โดยเสาโลหะทรงกระบอกยื่นออกมาจากด้านกว้างด้านหนึ่งเข้าไปในท่อนำคลื่น โดยมีผลเช่นเดียวกับแถบโลหะในแง่ของการให้ปฏิกิริยาแบบก้อนที่จุดนั้น เสาโลหะอาจเป็นแบบเก็บประจุหรือเหนี่ยวนำ ขึ้นอยู่กับว่ายื่นเข้าไปในท่อนำคลื่นมากแค่ไหน โดยพื้นฐานแล้ว วิธีการจับคู่แบบนี้คือ เมื่อเสาโลหะดังกล่าวยื่นเข้าไปในท่อนำคลื่นเล็กน้อย ก็จะให้ซัซเซปเตนซ์แบบเก็บประจุที่จุดนั้น และซัซเซปเตนซ์แบบเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งทะลุเข้าไปประมาณหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น ณ จุดนี้ จะเกิดการสั่นพ้องแบบอนุกรม การทะลุเข้าไปเพิ่มเติมของเสาโลหะจะทำให้เกิดซัซเซปเตนซ์แบบเหนี่ยวนำ ซึ่งจะลดลงเมื่อการสอดแทรกสมบูรณ์มากขึ้น ความเข้มของการสั่นพ้องที่จุดกึ่งกลางของการติดตั้งจะแปรผกผันกับเส้นผ่านศูนย์กลางของคอลัมน์ และสามารถใช้เป็นตัวกรองได้ อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ จะใช้ตัวกรองสต็อปแบนด์เพื่อส่งโหมดลำดับที่สูงกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับการเพิ่มอิมพีแดนซ์ของแถบโลหะ ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการใช้เสาโลหะคือสามารถปรับได้ง่าย ตัวอย่างเช่น สามารถใช้สกรูสองตัวเป็นอุปกรณ์ปรับแต่งเพื่อให้ได้การจับคู่ท่อนำคลื่นที่มีประสิทธิภาพ
โหลดต้านทานและตัวลดทอน:
เช่นเดียวกับระบบส่งสัญญาณอื่นๆ ท่อนำคลื่นบางครั้งต้องการการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ที่สมบูรณ์แบบและโหลดที่ปรับแต่งเพื่อดูดซับคลื่นที่เข้ามาได้อย่างเต็มที่โดยไม่สะท้อนกลับและไม่ไวต่อความถี่ การใช้งานอย่างหนึ่งของขั้วต่อดังกล่าวคือการวัดพลังงานต่างๆ บนระบบโดยไม่ต้องแผ่พลังงานใดๆ ออกมาจริงๆ
รูปที่ 3 โหลดความต้านทานของท่อนำคลื่น (a) ท่อเรียวเดี่ยว (b) ท่อเรียวคู่
ขั้วตัวต้านทานที่พบมากที่สุดคือส่วนของฉนวนไฟฟ้าที่มีการสูญเสียซึ่งติดตั้งไว้ที่ปลายของท่อนำคลื่นและมีลักษณะเรียว (โดยให้ปลายชี้ไปทางคลื่นที่เข้ามา) เพื่อไม่ให้เกิดการสะท้อน ตัวกลางที่มีการสูญเสียนี้อาจครอบคลุมความกว้างทั้งหมดของท่อนำคลื่นหรืออาจครอบครองเฉพาะตรงกลางของปลายท่อนำคลื่นเท่านั้น ดังที่แสดงในรูปที่ 3 ฉนวนไฟฟ้าแบบเรียวอาจเป็นแบบเรียวเดี่ยวหรือแบบเรียวคู่ และโดยทั่วไปจะมีความยาว λp/2 โดยมีความยาวรวมประมาณสองความยาวคลื่น มักทำจากแผ่นฉนวนไฟฟ้า เช่น แก้ว เคลือบด้วยฟิล์มคาร์บอนหรือแก้วน้ำที่ด้านนอก สำหรับการใช้งานที่มีกำลังสูง ขั้วต่อดังกล่าวอาจมีแผ่นระบายความร้อนที่ด้านนอกของท่อนำคลื่น และพลังงานที่ส่งไปยังขั้วต่อสามารถกระจายออกไปได้ผ่านแผ่นระบายความร้อนหรือผ่านการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ
รูปที่ 4 ตัวลดทอนใบพัดแบบเคลื่อนที่ได้
ตัวลดทอนไฟฟ้าสามารถถอดออกได้ตามที่แสดงในรูปที่ 4 โดยวางไว้ตรงกลางของท่อนำคลื่น และสามารถเลื่อนไปด้านข้างจากจุดศูนย์กลางของท่อนำคลื่นซึ่งจะให้การลดทอนสูงสุด ไปยังขอบซึ่งการลดทอนจะลดลงอย่างมาก เนื่องจากความแรงของสนามไฟฟ้าของโหมดหลักนั้นต่ำกว่ามาก
การลดทอนในท่อนำคลื่น:
การลดทอนพลังงานของท่อนำคลื่นนั้นประกอบไปด้วยประเด็นหลัก ๆ ดังต่อไปนี้:
1. การสะท้อนจากความไม่ต่อเนื่องของท่อนำคลื่นภายในหรือส่วนท่อนำคลื่นที่จัดตำแหน่งไม่ถูกต้อง
2. การสูญเสียที่เกิดจากกระแสที่ไหลผ่านผนังท่อนำคลื่น
3. การสูญเสียไฟฟ้าในท่อนำคลื่นที่เติม
สองตัวสุดท้ายนั้นคล้ายคลึงกับการสูญเสียที่เกิดขึ้นในสายโคแอกเซียลและทั้งคู่ก็ค่อนข้างเล็ก การสูญเสียนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุของผนังและความหยาบของผนัง ไดอิเล็กตริกที่ใช้ และความถี่ (เนื่องจากเอฟเฟกต์ของผิว) สำหรับท่อทองเหลือง ช่วงจะอยู่ที่ 4 dB/100m ที่ 5 GHz ถึง 12 dB/100m ที่ 10 GHz แต่สำหรับท่ออลูมิเนียม ช่วงจะต่ำกว่า สำหรับท่อนำคลื่นเคลือบเงิน การสูญเสียโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 8dB/100m ที่ 35 GHz, 30dB/100m ที่ 70 GHz และเกือบ 500 dB/100m ที่ 200 GHz เพื่อลดการสูญเสีย โดยเฉพาะที่ความถี่สูงสุด ท่อนำคลื่นบางครั้งจะถูกชุบ (ภายใน) ด้วยทองหรือแพลตตินัม
ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ท่อนำคลื่นทำหน้าที่เป็นตัวกรองความถี่สูง แม้ว่าท่อนำคลื่นเองจะแทบไม่มีการสูญเสีย แต่ความถี่ที่ต่ำกว่าความถี่ตัดจะถูกลดทอนลงอย่างมาก การลดทอนนี้เกิดจากการสะท้อนที่ปากท่อนำคลื่นมากกว่าการแพร่กระจาย
ข้อต่อท่อนำคลื่น:
การเชื่อมต่อท่อนำคลื่นมักจะเกิดขึ้นผ่านหน้าแปลนเมื่อชิ้นส่วนหรือส่วนประกอบของท่อนำคลื่นเชื่อมต่อกัน หน้าที่ของหน้าแปลนนี้คือเพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อทางกลจะราบรื่นและมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแผ่รังสีภายนอกต่ำและการสะท้อนภายในต่ำ
หน้าแปลน:
หน้าแปลนท่อนำคลื่นใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบสื่อสารไมโครเวฟ ระบบเรดาร์ ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม ระบบเสาอากาศ และอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ หน้าแปลนเหล่านี้ใช้เพื่อเชื่อมต่อส่วนต่างๆ ของท่อนำคลื่น ป้องกันไม่ให้เกิดการรั่วไหลและการรบกวน และรักษาการจัดตำแหน่งท่อนำคลื่นให้ตรงเพื่อให้มั่นใจว่าสามารถส่งสัญญาณได้อย่างน่าเชื่อถือและจัดตำแหน่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ได้อย่างแม่นยำ ท่อนำคลื่นทั่วไปจะมีหน้าแปลนที่ปลายแต่ละด้าน ดังแสดงในรูปที่ 5
รูปที่ 5 (ก) หน้าแปลนธรรมดา (ข) ข้อต่อหน้าแปลน
ที่ความถี่ต่ำกว่า หน้าแปลนจะถูกบัดกรีหรือเชื่อมเข้ากับท่อนำคลื่น ในขณะที่ที่ความถี่สูงกว่า หน้าแปลนแบบแบนที่แบนกว่าจะถูกใช้ เมื่อเชื่อมต่อชิ้นส่วนสองชิ้นเข้าด้วยกัน หน้าแปลนจะถูกยึดด้วยสลักเกลียวเข้าด้วยกัน แต่ปลายจะต้องได้รับการตกแต่งให้เรียบเพื่อหลีกเลี่ยงความไม่ต่อเนื่องในการเชื่อมต่อ เห็นได้ชัดว่าการจัดตำแหน่งส่วนประกอบให้ถูกต้องนั้นง่ายกว่าด้วยการปรับแต่งบางอย่าง ดังนั้นท่อนำคลื่นขนาดเล็กบางครั้งจึงติดตั้งหน้าแปลนแบบเกลียวที่สามารถขันเข้าด้วยกันด้วยน็อตแหวน เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ขนาดของการเชื่อมต่อท่อนำคลื่นจะลดลงตามธรรมชาติ และความไม่ต่อเนื่องของการเชื่อมต่อจะใหญ่ขึ้นตามสัดส่วนของความยาวคลื่นสัญญาณและขนาดของท่อนำคลื่น ดังนั้น ความไม่ต่อเนื่องที่ความถี่สูงกว่าจึงกลายเป็นปัญหาที่มากขึ้น
รูปที่ 6 (ก) หน้าตัดของข้อต่อโช้ก (ข) มุมมองด้านปลายของหน้าแปลนโช้ก
เพื่อแก้ปัญหานี้ สามารถเว้นช่องว่างเล็กๆ ไว้ระหว่างท่อนำคลื่นได้ ดังที่แสดงในรูปที่ 6 ข้อต่อโช้กประกอบด้วยหน้าแปลนธรรมดาและหน้าแปลนโช้กที่เชื่อมต่อกัน เพื่อชดเชยความไม่ต่อเนื่องที่อาจเกิดขึ้น จึงใช้แหวนโช้กแบบวงกลมที่มีหน้าตัดเป็นรูปตัว L ในหน้าแปลนโช้กเพื่อให้การเชื่อมต่อพอดีกันแน่นขึ้น ซึ่งแตกต่างจากหน้าแปลนธรรมดา หน้าแปลนโช้กมีความไวต่อความถี่ แต่การออกแบบที่เหมาะสมที่สุดสามารถรับประกันแบนด์วิดท์ที่เหมาะสม (อาจเป็น 10% ของความถี่กลาง) ซึ่ง SWR จะไม่เกิน 1.05
เวลาโพสต์ : 15 ม.ค. 2567
