วิธีการจับคู่อิมพีแดนซ์ของท่อนำคลื่น? จากทฤษฎีสายส่งในทฤษฎีเสาอากาศไมโครสตริป เราทราบว่าสามารถเลือกสายส่งแบบอนุกรมหรือขนานที่เหมาะสมเพื่อให้ได้การจับคู่อิมพีแดนซ์ระหว่างสายส่ง หรือระหว่างสายส่งกับโหลด เพื่อให้ได้กำลังส่งสูงสุดและการสูญเสียการสะท้อนน้อยที่สุด หลักการเดียวกันของการจับคู่อิมพีแดนซ์ในสายไมโครสตริปสามารถนำไปใช้กับการจับคู่อิมพีแดนซ์ในท่อนำคลื่นได้ การสะท้อนในระบบท่อนำคลื่นสามารถนำไปสู่ความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ได้ เมื่อเกิดการเสื่อมของอิมพีแดนซ์ วิธีแก้ปัญหาจะเหมือนกับในสายส่ง นั่นคือ การเปลี่ยนค่าที่ต้องการ อิมพีแดนซ์แบบรวมจะถูกวางไว้ที่จุดที่คำนวณไว้ล่วงหน้าในท่อนำคลื่นเพื่อแก้ไขความไม่ตรงกัน ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบของการสะท้อน ในขณะที่สายส่งใช้อิมพีแดนซ์แบบรวมหรือสตับ ท่อนำคลื่นใช้แท่งโลหะรูปทรงต่างๆ
รูปที่ 1: ไอริสของท่อนำคลื่นและวงจรเทียบเท่า (ก) ความจุ (ข) เหนี่ยวนำ (ค) เรโซแนนซ์
รูปที่ 1 แสดงการจับคู่อิมพีแดนซ์แบบต่างๆ ซึ่งมีรูปแบบใดก็ได้ที่แสดงไว้ ซึ่งอาจเป็นแบบคาปาซิทีฟ เหนี่ยวนำ หรือเรโซแนนซ์ การวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์มีความซับซ้อน แต่คำอธิบายทางกายภาพนั้นไม่ซับซ้อน เมื่อพิจารณาแถบโลหะคาปาซิทีฟแผ่นแรกในรูป จะเห็นได้ว่าศักย์ไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างผนังด้านบนและด้านล่างของท่อนำคลื่น (ในโหมดเด่น) อยู่ระหว่างพื้นผิวโลหะทั้งสองที่อยู่ใกล้กันมากขึ้น ดังนั้นค่าความจุไฟฟ้าจึงเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม บล็อกโลหะในรูปที่ 1b ยอมให้กระแสไหลในจุดที่ไม่เคยไหลมาก่อน กระแสจะไหลในระนาบสนามไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นก่อนหน้านี้เนื่องจากการเพิ่มบล็อกโลหะเข้าไป ดังนั้น การกักเก็บพลังงานจะเกิดขึ้นในสนามแม่เหล็กและความเหนี่ยวนำ ณ จุดนั้นของท่อนำคลื่นจะเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ หากออกแบบรูปร่างและตำแหน่งของวงแหวนโลหะในรูปที่ c อย่างเหมาะสม ค่ารีแอกแตนซ์แบบเหนี่ยวนำและรีแอกแตนซ์แบบคาปาซิทีฟที่ป้อนเข้าไปจะเท่ากัน และช่องรับแสงจะเกิดการเรโซแนนซ์แบบขนาน ซึ่งหมายความว่าการจับคู่และการปรับจูนอิมพีแดนซ์ของโหมดหลักนั้นดีมาก และเอฟเฟกต์การสับเปลี่ยนของโหมดนี้จะแทบไม่มีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม โหมดหรือความถี่อื่นๆ จะถูกลดทอนลง ดังนั้นวงแหวนโลหะเรโซแนนซ์จึงทำหน้าที่เป็นทั้งตัวกรองแบนด์พาสและตัวกรองโหมด
รูปที่ 2: (ก) เสาท่อนำคลื่น; (ข) แมตช์เซอร์แบบสกรูสองตัว
อีกวิธีหนึ่งในการปรับแต่งแสดงไว้ด้านบน โดยเสาโลหะทรงกระบอกยื่นออกมาจากด้านกว้างด้านหนึ่งเข้าไปในท่อนำคลื่น ซึ่งให้ผลเช่นเดียวกับแถบโลหะในแง่ของการให้รีแอคแตนซ์แบบก้อน ณ จุดนั้น เสาโลหะอาจเป็นแบบคาปาซิทีฟหรือแบบเหนี่ยวนำ ขึ้นอยู่กับว่ายื่นเข้าไปในท่อนำคลื่นมากแค่ไหน โดยพื้นฐานแล้ว วิธีการจับคู่นี้คือ เมื่อเสาโลหะดังกล่าวยื่นเข้าไปในท่อนำคลื่นเล็กน้อย จะทำให้เกิดซัปเพอแตนซ์แบบคาปาซิทีฟ ณ จุดนั้น และซัปเพอแตนซ์แบบคาปาซิทีฟจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งการแทรกซึมอยู่ที่ประมาณหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น ณ จุดนี้ จะเกิดการสั่นพ้องแบบอนุกรม การแทรกซึมของเสาโลหะที่มากขึ้นจะทำให้เกิดซัปเพอแตนซ์แบบเหนี่ยวนำ ซึ่งจะลดลงเมื่อการแทรกซึมสมบูรณ์มากขึ้น ความเข้มของการสั่นพ้องที่จุดกึ่งกลางของการติดตั้งจะแปรผกผันกับเส้นผ่านศูนย์กลางของเสา และสามารถใช้เป็นตัวกรองได้ อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ ซัปเพอแตนซ์จะถูกใช้เป็นตัวกรองแบบหยุดแบนด์เพื่อส่งสัญญาณโหมดลำดับสูง เมื่อเทียบกับการเพิ่มอิมพีแดนซ์ของแผ่นโลหะ ข้อดีหลักของการใช้เสาโลหะคือสามารถปรับได้ง่าย ตัวอย่างเช่น สามารถใช้สกรูสองตัวเป็นอุปกรณ์ปรับแต่งเพื่อให้ได้การจับคู่ท่อนำคลื่นที่มีประสิทธิภาพ
โหลดต้านทานและตัวลดทอน:
เช่นเดียวกับระบบส่งสัญญาณอื่นๆ ท่อนำคลื่นบางครั้งจำเป็นต้องมีการจับคู่อิมพีแดนซ์ที่สมบูรณ์แบบและโหลดที่ปรับแต่งแล้ว เพื่อดูดซับคลื่นที่เข้ามาได้อย่างเต็มที่โดยไม่เกิดการสะท้อนกลับและไม่ไวต่อความถี่ การใช้งานอย่างหนึ่งของขั้วต่อดังกล่าวคือการวัดกำลังไฟฟ้าต่างๆ บนระบบโดยไม่ต้องแผ่พลังงานใดๆ ออกมาจริงๆ
รูปที่ 3 ความต้านทานของท่อนำคลื่น (a) เทเปอร์เดี่ยว (b) เทเปอร์คู่
ขั้วปลายต้านทานที่พบมากที่สุดคือส่วนของฉนวนไฟฟ้าแบบสูญเสียที่ติดตั้งไว้ที่ปลายท่อนำคลื่นและเรียวลง (โดยให้ปลายแหลมชี้ไปทางคลื่นที่เข้ามา) เพื่อไม่ให้เกิดการสะท้อน ตัวกลางที่มีการสูญเสียนี้อาจครอบคลุมความกว้างทั้งหมดของท่อนำคลื่น หรืออาจครอบคลุมเฉพาะจุดกึ่งกลางของปลายท่อนำคลื่น ดังแสดงในรูปที่ 3 ขั้วปลายแบบเรียวอาจเป็นแบบเรียวเดี่ยวหรือเรียวคู่ และโดยทั่วไปมีความยาว λp/2 โดยมีความยาวรวมประมาณสองความยาวคลื่น โดยทั่วไปทำจากแผ่นฉนวนไฟฟ้า เช่น แก้ว เคลือบด้วยฟิล์มคาร์บอนหรือแก้วน้ำด้านนอก สำหรับการใช้งานที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูง ขั้วปลายแบบดังกล่าวอาจมีแผ่นระบายความร้อนที่ด้านนอกของท่อนำคลื่น และพลังงานที่ส่งไปยังขั้วปลายสามารถกระจายผ่านแผ่นระบายความร้อนหรือผ่านการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ
รูปที่ 4 ตัวลดทอนใบพัดแบบเคลื่อนที่ได้
ตัวลดทอนไดอิเล็กตริกสามารถถอดออกได้ดังแสดงในรูปที่ 4 โดยวางไว้ตรงกลางของท่อนำคลื่น แล้วเลื่อนไปด้านข้างจากจุดศูนย์กลางของท่อนำคลื่นซึ่งจะให้การลดทอนสูงสุด ไปยังขอบซึ่งการลดทอนจะลดลงอย่างมาก เนื่องจากความแรงของสนามไฟฟ้าของโหมดหลักจะต่ำกว่ามาก
การลดทอนในท่อนำคลื่น:
การลดทอนพลังงานของท่อนำคลื่นประกอบไปด้วยประเด็นหลักๆ ดังต่อไปนี้:
1. การสะท้อนจากความไม่ต่อเนื่องของท่อนำคลื่นภายในหรือส่วนท่อนำคลื่นที่จัดตำแหน่งไม่ถูกต้อง
2. การสูญเสียที่เกิดจากกระแสที่ไหลในผนังท่อนำคลื่น
3. การสูญเสียไดอิเล็กทริกในท่อนำคลื่นที่เติม
สองตัวสุดท้ายมีความคล้ายคลึงกับการสูญเสียที่สอดคล้องกันในสายโคแอกเซียล และทั้งคู่มีขนาดค่อนข้างเล็ก การสูญเสียนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุผนังและความหยาบของผนัง ไดอิเล็กทริกที่ใช้ และความถี่ (เนื่องจากเอฟเฟกต์ผิว) สำหรับท่อร้อยสายทองเหลือง ช่วงการสูญเสียจะอยู่ระหว่าง 4 dB/100 ม. ที่ความถี่ 5 GHz ถึง 12 dB/100 ม. ที่ความถี่ 10 GHz แต่สำหรับท่อร้อยสายอะลูมิเนียม ช่วงการสูญเสียจะต่ำกว่า สำหรับท่อนำคลื่นเคลือบเงิน โดยทั่วไปการสูญเสียจะอยู่ที่ 8dB/100 ม. ที่ความถี่ 35 GHz, 30dB/100 ม. ที่ความถี่ 70 GHz และเกือบ 500 dB/100 ม. ที่ความถี่ 200 GHz เพื่อลดการสูญเสีย โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูงสุด ท่อนำคลื่นบางครั้งจะถูกชุบ (ภายใน) ด้วยทองคำหรือแพลทินัม
ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ท่อนำคลื่นทำหน้าที่เป็นตัวกรองความถี่สูงผ่าน แม้ว่าท่อนำคลื่นเองจะแทบไม่มีการสูญเสียสัญญาณ แต่ความถี่ที่ต่ำกว่าความถี่ตัดจะถูกลดทอนลงอย่างมาก การลดทอนนี้เกิดจากการสะท้อนที่ปากท่อนำคลื่นมากกว่าการแพร่กระจาย
ข้อต่อท่อนำคลื่น:
การเชื่อมต่อท่อนำคลื่นมักเกิดขึ้นผ่านหน้าแปลนเมื่อชิ้นส่วนหรือส่วนประกอบของท่อนำคลื่นเชื่อมต่อกัน หน้าที่ของหน้าแปลนนี้คือเพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อทางกลราบรื่นและมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแผ่รังสีภายนอกต่ำและการสะท้อนภายในต่ำ
หน้าแปลน:
หน้าแปลนท่อนำคลื่นถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในระบบสื่อสารไมโครเวฟ ระบบเรดาร์ ระบบสื่อสารดาวเทียม ระบบเสาอากาศ และอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ หน้าแปลนเหล่านี้ใช้เพื่อเชื่อมต่อส่วนต่างๆ ของท่อนำคลื่น ป้องกันการรั่วไหลและการรบกวน และรักษาแนวท่อนำคลื่นให้ตรง เพื่อให้มั่นใจว่าการส่งสัญญาณมีความน่าเชื่อถือสูงและตำแหน่งที่แม่นยำของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ ท่อนำคลื่นโดยทั่วไปจะมีหน้าแปลนที่ปลายทั้งสองด้าน ดังแสดงในรูปที่ 5
รูปที่ 5 (ก) หน้าแปลนธรรมดา; (ข) ข้อต่อหน้าแปลน
ที่ความถี่ต่ำ หน้าแปลนจะถูกบัดกรีหรือเชื่อมเข้ากับท่อนำคลื่น ในขณะที่ความถี่สูง จะใช้หน้าแปลนแบบแบนที่แบนกว่า เมื่อเชื่อมต่อชิ้นส่วนสองชิ้นเข้าด้วยกัน หน้าแปลนจะถูกยึดด้วยสลักเกลียว แต่ปลายต้องเรียบเสมอกันเพื่อหลีกเลี่ยงความไม่ต่อเนื่องในการเชื่อมต่อ เห็นได้ชัดว่าการจัดวางส่วนประกอบให้ถูกต้องทำได้ง่ายกว่าด้วยการปรับแต่งเล็กน้อย ดังนั้นท่อนำคลื่นขนาดเล็กจึงมักมีหน้าแปลนแบบเกลียวที่สามารถขันเข้าด้วยกันได้ด้วยน็อตแหวน เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ขนาดของข้อต่อท่อนำคลื่นจะลดลงตามธรรมชาติ และความไม่ต่อเนื่องของข้อต่อจะใหญ่ขึ้นตามสัดส่วนของความยาวคลื่นสัญญาณและขนาดของท่อนำคลื่น ดังนั้นความไม่ต่อเนื่องที่ความถี่สูงจึงเป็นปัญหาที่มากขึ้น
รูปที่ 6 (ก) หน้าตัดของข้อต่อโช้ก (ข) มุมมองปลายของหน้าแปลนโช้ก
เพื่อแก้ปัญหานี้ สามารถเว้นช่องว่างเล็กๆ ไว้ระหว่างท่อนำคลื่นได้ ดังแสดงในรูปที่ 6 ข้อต่อโช้กประกอบด้วยหน้าแปลนธรรมดาและหน้าแปลนโช้กเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน เพื่อชดเชยความไม่ต่อเนื่องที่อาจเกิดขึ้น จึงใช้วงแหวนโช้กวงกลมที่มีหน้าตัดเป็นรูปตัว L ในหน้าแปลนโช้กเพื่อให้การเชื่อมต่อมีความกระชับแน่นยิ่งขึ้น หน้าแปลนโช้กแตกต่างจากหน้าแปลนธรรมดาตรงที่ไวต่อความถี่ แต่การออกแบบที่เหมาะสมจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าแบนด์วิดท์ที่เหมาะสม (อาจอยู่ที่ 10% ของความถี่กลาง) ซึ่ง SWR จะต้องไม่เกิน 1.05
เวลาโพสต์: 15 ม.ค. 2567
