도파관의 임피던스 정합은 어떻게 달성할 수 있을까요? 마이크로스트립 안테나 이론의 전송선 이론을 통해, 전송선 간 또는 전송선과 부하 간의 임피던스 정합을 달성하기 위해 적절한 직렬 또는 병렬 전송선을 선택하여 최대 전력 전송과 최소 반사 손실을 달성할 수 있음을 알 수 있습니다. 마이크로스트립 선로의 임피던스 정합 원리는 도파관의 임피던스 정합에도 동일하게 적용됩니다. 도파관 시스템의 반사는 임피던스 부정합으로 이어질 수 있습니다. 임피던스 저하가 발생하면 전송선과 마찬가지로 필요한 값을 변경하면 됩니다. 집중 임피던스는 도파관의 미리 계산된 지점에 배치되어 부정합을 극복하고 반사 효과를 제거합니다. 전송선은 집중 임피던스 또는 스터브를 사용하는 반면, 도파관은 다양한 모양의 금속 블록을 사용합니다.
그림 1: 도파관 조리개 및 등가 회로, (a) 용량성; (b) 유도성; (c) 공진성.
그림 1은 다양한 종류의 임피던스 정합을 보여줍니다. 그림에서 보이는 모든 형태는 용량성, 유도성 또는 공진성일 수 있습니다. 수학적 분석은 복잡하지만 물리적 설명은 복잡하지 않습니다. 그림에서 첫 번째 용량성 금속 스트립을 살펴보면, 도파관의 상단과 하단 벽 사이에 존재했던 전위(주요 모드)가 이제 더 가까운 두 금속 표면 사이에 존재하여 정전용량이 증가함을 알 수 있습니다. 반대로, 그림 1b의 금속 블록은 이전에 흐르지 않았던 곳에 전류가 흐르도록 합니다. 금속 블록의 추가로 인해 이전에 강화된 전기장 평면에 전류가 흐르게 됩니다. 따라서 자기장에서 에너지가 저장되고 도파관의 해당 지점에서 인덕턴스가 증가합니다. 또한, 그림 c의 금속 링의 모양과 위치가 적절하게 설계되면 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 같아지고 개구는 병렬 공진이 됩니다. 이는 주 모드의 임피던스 정합 및 튜닝이 매우 우수하여 이 모드의 션트 효과는 무시할 수 있음을 의미합니다. 그러나 다른 모드나 주파수는 감쇠되므로 공진 금속 링은 대역 통과 필터와 모드 필터 역할을 모두 수행합니다.
그림 2: (a) 도파관 포스트; (b) 2개 나사 매처
위에 제시된 또 다른 튜닝 방법은 원통형 금속 기둥이 넓은 면 중 하나에서 도파관으로 뻗어 나와 해당 지점에 집중 리액턴스를 제공하는 측면에서 금속 스트립과 동일한 효과를 냅니다. 금속 기둥은 도파관으로 얼마나 깊이 뻗어 있는지에 따라 용량성 또는 유도성을 가질 수 있습니다. 기본적으로 이 매칭 방법은 이러한 금속 기둥이 도파관으로 약간 뻗어 나가면 해당 지점에 용량성 서셉턴스를 제공하고, 용량성 서셉턴스는 침투가 파장의 약 4분의 1에 도달할 때까지 증가합니다. 이 지점에서 직렬 공진이 발생합니다. 금속 기둥이 더 깊이 침투하면 유도성 서셉턴스가 발생하며, 삽입이 완료됨에 따라 감소합니다. 중간 지점 설치 시 공진 강도는 기둥의 직경에 반비례하며 필터로 사용할 수 있지만, 이 경우에는 고차 모드를 전송하는 대역 저지 필터로 사용됩니다. 금속 스트립의 임피던스를 증가시키는 것과 비교했을 때, 금속 기둥을 사용하는 주요 장점은 조정이 쉽다는 것입니다. 예를 들어, 두 개의 나사를 튜닝 장치로 사용하여 효율적인 도파관 매칭을 달성할 수 있습니다.
저항성 부하 및 감쇠기:
다른 전송 시스템과 마찬가지로, 도파관은 반사 없이 수신파를 완전히 흡수하고 주파수에 민감하지 않도록 완벽한 임피던스 정합과 동조된 부하가 필요한 경우가 있습니다. 이러한 단말의 한 가지 응용 분야는 실제로 전력을 방사하지 않고 시스템에서 다양한 전력 측정을 수행하는 것입니다.
그림 3 도파관 저항 부하(a) 단일 테이퍼(b) 이중 테이퍼
가장 일반적인 저항 종단은 도파관 끝에 설치되고 반사를 일으키지 않도록 끝이 들어오는 파동을 향하도록 테이퍼진 손실성 유전체 부분입니다. 이 손실성 매질은 도파관의 전체 너비를 차지하거나 그림 3과 같이 도파관 끝의 중앙만 차지할 수 있습니다. 테이퍼는 단일 또는 이중 테이퍼일 수 있으며 일반적으로 길이는 λp/2이고 총 길이는 약 두 파장입니다. 일반적으로 유리와 같은 유전체 판으로 만들어지며 외부에 탄소 필름이나 물유리로 코팅됩니다. 고전력 애플리케이션의 경우 이러한 단자에는 도파관 외부에 방열판을 추가할 수 있으며 단자에 전달되는 전력은 방열판을 통해 또는 강제 공기 냉각을 통해 소산될 수 있습니다.
그림 4 이동식 베인 감쇠기
유전체 감쇠기는 그림 4에 표시된 것처럼 분리 가능하게 만들 수 있습니다. 도파관 중앙에 배치하면 도파관 중앙에서 측면으로 이동할 수 있습니다. 여기서는 가장 큰 감쇠가 발생하고 가장자리에서는 지배 모드의 전계 강도가 훨씬 낮아 감쇠가 크게 줄어듭니다.
도파관의 감쇠:
광파관의 에너지 감쇠는 주로 다음과 같은 측면을 포함합니다.
1. 내부 도파관 불연속성 또는 정렬되지 않은 도파관 섹션으로 인한 반사
2. 도파관 벽을 흐르는 전류로 인한 손실
3. 채워진 도파관의 유전 손실
마지막 두 가지는 동축 케이블의 해당 손실과 유사하며 둘 다 비교적 작습니다. 이 손실은 벽 재질과 거칠기, 사용된 유전체, 그리고 주파수(표피 효과로 인해)에 따라 달라집니다. 황동 도관의 경우, 5GHz에서 4dB/100m, 10GHz에서 12dB/100m이지만, 알루미늄 도관의 경우 이 범위가 더 낮습니다. 은도금 도파관의 경우, 손실은 일반적으로 35GHz에서 8dB/100m, 70GHz에서 30dB/100m, 200GHz에서 500dB/100m에 가깝습니다. 특히 초고주파에서 손실을 줄이기 위해 도파관 내부에 금이나 백금을 도금하는 경우가 있습니다.
이미 지적했듯이, 도파관은 고역 통과 필터 역할을 합니다. 도파관 자체는 사실상 무손실이지만, 차단 주파수 이하의 주파수는 심하게 감쇠됩니다. 이러한 감쇠는 전파가 아닌 도파관 입구에서의 반사에 의한 것입니다.
도파관 결합:
도파관 결합은 일반적으로 도파관 조각이나 구성 요소가 결합될 때 플랜지를 통해 발생합니다. 이 플랜지의 기능은 원활한 기계적 연결과 적절한 전기적 특성, 특히 낮은 외부 복사 및 낮은 내부 반사를 보장하는 것입니다.
플랜지:
도파관 플랜지는 마이크로파 통신, 레이더 시스템, 위성 통신, 안테나 시스템 및 과학 연구 실험실 장비에 널리 사용됩니다. 도파관 플랜지는 서로 다른 도파관 구간을 연결하고, 누설 및 간섭을 방지하며, 도파관의 정밀한 정렬을 유지하여 주파수 전자기파의 높은 신뢰성 있는 전송과 정밀한 위치 결정을 보장합니다. 일반적인 도파관은 그림 5와 같이 양쪽 끝에 플랜지가 있습니다.
그림 5 (a) 일반 플랜지; (b) 플랜지 커플링.
저주파에서는 플랜지를 도파관에 납땜 또는 용접하는 반면, 고주파에서는 더 평평한 맞대기 플랜지를 사용합니다. 두 부품을 연결할 때는 플랜지를 볼트로 고정하지만, 연결 부위의 불연속성을 방지하기 위해 끝부분을 매끄럽게 마감해야 합니다. 약간의 조정을 통해 부품을 정확하게 정렬하는 것이 훨씬 쉬워지므로, 작은 도파관에는 링 너트로 나사로 고정할 수 있는 나사산 플랜지가 장착되는 경우가 있습니다. 주파수가 증가함에 따라 도파관 결합 크기는 자연스럽게 감소하고, 결합 불연속성은 신호 파장과 도파관 크기에 비례하여 커집니다. 따라서 고주파에서의 불연속성은 더욱 문제가 됩니다.
그림 6 (a) 초크 커플링의 단면도; (b) 초크 플랜지의 끝면도
이 문제를 해결하기 위해 그림 6과 같이 도파관 사이에 작은 간격을 둘 수 있습니다. 일반 플랜지와 초크 플랜지를 연결하여 초크 커플링을 구성합니다. 발생할 수 있는 불연속성을 보상하기 위해 초크 플랜지에 L자형 단면의 원형 초크 링을 사용하여 더욱 밀착된 연결을 구현합니다. 일반 플랜지와 달리 초크 플랜지는 주파수에 민감하지만, 최적화된 설계를 통해 SWR이 1.05를 초과하지 않는 적정 대역폭(중심 주파수의 약 10%)을 확보할 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 1월 15일
