도파관 임피던스 정합VSWR(대칭률 비정합)은 도파관과 연결된 부품 사이의 전기적 불연속성을 줄이는 과정입니다. 임피던스가 일치하지 않으면 입사 마이크로파 신호의 일부가 소스 방향으로 반사됩니다. 그 결과 VSWR이 높아지고 부하에 전달되는 전력이 감소하며 시스템 성능 예측이 어려워집니다.
동축선과 달리, 중공 도파관은 일반적으로 임피던스 정합을 위해 기존의 집중 저항이나 전송선 스터브를 사용하지 않습니다. 대신, 설계자는 아이리스, 포스트, 튜닝 스크류, 테이퍼, 트랜지션, 정합 부하 및 정교하게 설계된 플랜지 인터페이스를 통해 전자기장을 제어합니다. 가장 적합한 방법은 동작 주파수, 대역폭, 전력 레벨, 도파관 크기, 그리고 조정이 고정되어야 하는지 가변적이어야 하는지에 따라 달라집니다.
도파관 임피던스 정합이 중요한 이유
도파관 형상의 급격한 변화는 전자기장 분포를 교란시키고 반사파를 발생시킬 수 있습니다. 잘 정합된 조립체는 다음과 같은 이점을 제공합니다.
- 반사 전력 및 VSWR을 감소시킵니다.
- 전력원, 송전 경로 및 부하 간의 전력 전달을 개선합니다.
- 고출력 마이크로파 발생 장치를 과도한 반사 에너지로부터 보호합니다.
- 안테나, 어댑터, 부하 및 기타 도파관 구성 요소를 사용하여 수행된 측정값을 안정화합니다.
- 요구되는 주파수 대역 전체에 걸쳐 반복 가능한 성능을 유지합니다.
일반적인 임피던스 불일치 원인으로는 도파관 크기 변화, 굽힘, 단차, 프로브, 불완전한 전환, 플랜지 간격, 정렬 불량 및 도파관 모드 임피던스와 다른 임피던스를 가진 부하 등이 있습니다.
그림 1: 도파관 조리개 및 등가 회로, (a) 용량성; (b) 유도성; (c) 공진형.
1. 도파관 조리개: 정전 용량, 유도 용량 및 공진 정합
도파관 조리개는 도파관의 일부에 가로로 배치된 얇은 전도성 막입니다. 조리개는 국부적인 전기장 또는 자기장을 변화시켜 제어된 병렬 리액턴스를 생성함으로써 불연속부 또는 부하의 리액턴스를 보상할 수 있습니다.
정전식 조리개
정전 용량식 조리개는 전기장을 더 작은 영역에 집중시킵니다. 증가된 전기장 에너지는 정합면에서 정전 용량 효과를 발생시킵니다. 이는 기존의 불연속면에 대한 유도 리액턴스 보상이 필요할 때 사용할 수 있습니다.
유도 홍채
유도 조리개는 표면 전류 경로를 변경하여 조리개 주변의 자기장 에너지를 증가시킵니다. 유도 서셉턴스는 정전 용량 불일치를 상쇄할 수 있습니다. 조리개의 크기와 가이드 상에서의 위치에 따라 보정 강도가 결정됩니다.
공명 홍채
공진형 조리개는 정전 용량 효과와 유도 용량 효과를 결합합니다. 설계 주파수에서 두 효과는 균형을 이루어 지배적인 모드가 거의 반사 없이 통과할 수 있습니다. 공진 주파수에서 벗어난 경우, 동일한 구조는 주파수 또는 모드 선택성을 제공할 수도 있습니다.
조리개는 크기가 작고 기계적으로 안정적이지만, 일반적으로 제조 후 크기가 고정됩니다. 따라서 조리개의 크기는 조립 후 조정하는 것이 아니라 의도하는 도파관 대역, 작동 모드 및 대역폭에 맞춰 설계해야 합니다.
그림 2: (a) 도파관 기둥; (b) 2나사 매처
2. 튜닝 포스트 및 나사
도파관 벽을 관통하여 삽입된 전도성 기둥이나 조정 나사는 국부적인 리액턴스를 발생시킵니다. 그 직경, 관통 깊이, 그리고 불연속면에 대한 상대적 위치에 따라 그 효과가 주로 용량성인지 유도성인지, 그리고 정합에 미치는 영향의 강도가 결정됩니다.
일반적으로 깊이가 얕으면 보정값이 작아집니다. 하지만 포스트가 가이드 안으로 더 깊이 들어갈수록 서셉턴스가 변하고 공진을 통과할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 튜닝 스크류는 실험실 조정, 생산 과정의 미세 조정, 그리고 설계 단계에서 완벽하게 예측할 수 없는 공차를 보정하는 데 유용하게 사용될 수 있습니다.
조절 가능한 매칭의 장점
- 반사 손실 또는 VSWR을 모니터링하면서 매칭을 조정할 수 있습니다.
- 두 개 이상의 나사를 사용하면 크기와 위상을 더욱 정밀하게 제어할 수 있습니다.
- 조정을 통해 어댑터, 프로브, 굽힘 또는 하중을 보정할 수 있습니다.
- 최종 설정은 확인 후 고정할 수 있습니다.
유효 대역폭은 나사 하나만으로 결정되는 것이 아니라 전체 구조에 의해 결정됩니다. 과도한 삽입은 급격한 공진을 유발하고, 손실을 증가시키며, 고차 모드를 방해하거나 전력 처리 능력을 저하시킬 수 있습니다. 따라서 튜닝은 특정 주파수 하나만이 아니라 전체 작동 대역에 걸쳐 수행해야 합니다.
기둥과 나사는 일반적으로 다음과 같은 용도로 사용됩니다.도파관-동축 어댑터그리고 전자기장이 서로 다른 전송 구조 사이에서 전환되어야 하는 다른 도파관 구성 요소들도 있습니다.
3. 정합 부하 및 감쇠기
정합형 도파관 부하는 전송 경로를 종단하고 입사 마이크로파 에너지를 최소한의 반사로 열로 변환합니다. 이는 전력 측정, 테스트 설정, 사용하지 않는 포트 및 특정 저반사 종단이 필요한 모든 응용 분야에 사용됩니다.
감쇠기는 다른 목적을 가지고 있습니다. 두 포트에서 허용 가능한 임피던스 정합을 유지하면서 신호 진폭을 제어된 양만큼 줄입니다. 두 장치 모두 손실이 있는 물질과의 점진적인 상호 작용을 통해 급격한 임피던스 변화를 일으키지 않고 전자기장을 흡수하는 원리를 이용합니다.
RF MISO를 찾아보세요도파관 부하다양한 도파관 대역 및 전력 요구 사항에 따른 구성 요소 옵션을 제공합니다.
그림 3 도파관 저항 부하 (a) 단일 테이퍼 (b) 이중 테이퍼
테이퍼형 도파관 부하
가장 일반적인 정합 종단은 입사파 방향으로 갈수록 가늘어지는 손실이 있는 유전체 또는 저항 소자를 사용합니다. 이러한 점진적인 변화 덕분에 전자기장이 흡수체에 진입할 때 급격한 단차가 있는 경우보다 반사가 줄어듭니다.
흡수체는 도파관 전체에 걸쳐 있거나 도파관 중심부 근처의 고전계 영역을 차지할 수 있습니다. 테이퍼 길이, 손실 분포 및 열 설계는 주파수 대역과 전력 수준에 따라 선택됩니다. 고출력 부하의 경우 흡수된 에너지를 안전하게 제거하기 위해 더 큰 본체, 방열판 또는 강제 공랭식 냉각이 필요할 수 있습니다.
그림 4. 이동식 날개 감쇠기
이동식 베인 감쇠기
움직일 수 있는 유전체 날개는 전기장 세기가 다른 영역을 통과하면서 감쇠량을 변화시킵니다. 주 모드 전기장의 중심에서는 날개가 더 많은 에너지를 흡수하고, 측벽 근처에서는 전기장이 약해져 감쇠량이 감소합니다. 이 메커니즘은 도파관 경로를 변경하지 않고도 신호 감쇠량을 조절할 수 있도록 합니다.
도파관 손실과 임피던스 불일치 간의 관계
감쇠와 임피던스 불일치는 관련이 있지만 동일한 것은 아닙니다. 임피던스 불일치는 입사 에너지의 일부를 음원 쪽으로 되돌려 보내는 반면, 도체 및 유전체 손실은 순방향 에너지의 일부를 열로 변환합니다.
주요 분해 원인은 다음과 같습니다.
- 계단, 굽힘, 탐침, 플랜지 틈새 또는 정렬 불량 부분에서 발생하는 반사;
- 도파관 벽면의 표면 전류로 인한 도체 손실;
- 창, 지지대, 흡수재 또는 채워진 부분으로 인한 유전 손실;
- 표면 거칠기, 오염, 부식 및 불량한 전기 접촉.
도파관은 고주파 통과 구조처럼 동작합니다. 선택된 모드의 차단 주파수 이하의 주파수는 정상적으로 전파되지 않고 크게 감쇠됩니다. 따라서 최적화된 매칭을 수행하기 전에 동작 대역, 도파관 크기 및 의도된 모드를 확인해야 합니다.
4. 전환 부품, 어댑터 및 플랜지 커플링
전환부 또는 어댑터는 서로 다른 도파관 크기, 방향 또는 전송 매체 사이에서 전자기장을 점진적으로 변화시킵니다. 점진적인 테이퍼는 일반적으로 급격한 단일 스텝보다 더 넓은 정합 범위를 제공하며, 공간이 제한적일 경우 소형 계단형 전환부가 선호될 수 있습니다.
도파관-동축 어댑터기계적 전환 장치와 필요한 도파관 모드를 여기시키는 프로브 또는 발사기를 결합합니다. 프로브 위치, 백쇼트 간격 및 모든 튜닝 요소는 지정된 대역 전체에 걸쳐 함께 작동해야 합니다.
플랜지 정렬이 중요한 이유
도파관 섹션들은 일반적으로 플랜지로 연결됩니다. 플랜지의 역할은 기계적 정렬을 유지하고, 안정적인 전기적 접촉을 제공하며, 누설 및 내부 반사를 최소화하는 것입니다. 간격, 어긋남, 손상된 밀봉면 또는 불균일한 볼트 압력은 특히 단파장에서 상당한 불연속성을 유발할 수 있습니다.
그림 5 (a) 일반 플랜지; (b) 플랜지 커플링.
일반 플랜지 및 정밀 플랜지
평면 접촉 플랜지는 접촉면이 평평하고 깨끗하며 정확하게 정렬되었을 때 잘 작동합니다. 고주파수에서는 작은 치수 오차가 파장의 더 큰 부분을 차지하게 되므로 표면 조도, 가이드 정렬 및 볼트 토크가 더욱 중요해집니다.
실제 조립 점검
- 두 구성 요소가 동일한 도파관 크기와 호환 가능한 플랜지 표준을 사용하는지 확인하십시오.
- 접촉면을 깨끗하게 닦고 흠집, 거스러미 또는 부식이 있는지 검사하십시오.
- 패스너를 조이기 전에 구멍을 정렬하십시오.
- 플랜지 면이 평행을 유지하도록 볼트를 고르게 조이십시오.
- 조립된 경로를 보정된 벡터 네트워크 분석기로 검증하십시오.
그림 6 (a) 초크 커플링의 단면도; (b) 초크 플랜지의 단면도
초크 플랜지 커플링
초크 플랜지는 개구부 주변의 오목한 링 또는 홈을 이용하여 접합부의 전류를 제어합니다. 작동 주파수 대역에 맞게 정확하게 설계하면 작은 기계적 간극에 대한 민감도를 줄이고 전기적 연결성을 향상시킬 수 있습니다. 초크는 주파수에 따라 성능이 달라지므로, 그 형상 또한 사용하려는 주파수 대역에 맞춰야 합니다.
도파관 정합을 확인하는 방법
- 벡터 네트워크 분석기를 적절한 기준면에서 보정하십시오.
- 단일 주파수가 아닌 전체 작동 대역에 걸쳐 S11 또는 반사 손실을 측정하십시오.
- 프로젝트 사양에 따라 결과를 VSWR로 변환하십시오.
- 전체 스윕을 관찰하면서 튜닝 나사 또는 기타 가변 요소를 조금씩 조정하십시오.
- 최종 조임, 열 안정화 및 인접 부품 설치 후 다시 확인하십시오.
우수한 결과는 시스템 사양에 따라 정의됩니다. 넓은 대역폭, 안정적인 전력 처리 또는 조립 후 반복 가능한 성능이 요구되는 애플리케이션의 경우, 단일 저반사 지점으로는 충분하지 않을 수 있습니다.
매칭 방법을 선택하는 방법
- 아이리스:소형이고 고정형이며 설계된 주파수 응답에 적합합니다.
- 기둥 또는 나사:조절 가능하며 제조 공차를 조정하는 데 유용합니다.
- 테이퍼링과 전환:점진적인 전자기장 변환과 더 넓은 대역폭이 요구될 때 선호됩니다.
- 일치하는 부하:포트를 종단하고 낮은 반사율로 입사 전력을 흡수합니다.
- 초크 플랜지:작은 틈이 불가피한 경우, 선택된 플랜지 접합부를 개선하십시오.
응용 프로그램
도파관 임피던스 정합은 레이더 프런트 엔드, 위성 통신 장비, 안테나 피드, 마이크로파 측정 시스템, 송신기, 수신기 및 고출력 테스트 장비에서 중요합니다. 또한 어댑터, 부하, 스위치, 직교 모드 변환기 등의 성능에도 핵심적인 역할을 합니다.도파관 구성 요소.
자주 묻는 질문
도파관 시스템에서 높은 VSWR은 무엇을 의미합니까?
VSWR이 높다는 것은 입사파의 상당 부분이 반사되고 있음을 나타냅니다. 원인은 부하 자체이거나 어댑터, 프로브, 굽힘, 플랜지 간격 또는 정렬 불량 부분과 같은 불연속성일 수 있습니다.
튜닝 나사로 광대역 매칭을 제공할 수 있나요?
조정 나사를 사용하면 불일치를 효과적으로 보정할 수 있지만, 강한 공진 조정은 대역폭이 좁아질 수 있습니다. 광대역 성능을 위해서는 일반적으로 전체 전환부, 나사 위치 및 주변 형상을 함께 설계해야 합니다.
도파관 플랜지에서의 반사를 줄이는 방법은 무엇일까요?
호환되는 플랜지를 사용하고, 접합면을 깨끗하고 평평하게 유지하며, 개구부를 정확하게 정렬하고, 체결 부품을 고르게 조이십시오. 네트워크 분석기를 사용하여 최종 조립 상태를 확인하십시오.
도파관 부하와 감쇠기의 차이점은 무엇입니까?
부하는 포트를 종단하고 입사되는 거의 모든 에너지를 흡수합니다. 감쇠기는 신호 레벨을 지정된 양만큼 줄이면서 나머지 에너지를 출력으로 전달하는 2포트 장치입니다.
도파관 어댑터, 부하 또는 맞춤형 정합 구조 선택에 도움이 필요하시면,RF MISO에 문의하세요주파수 범위, 도파관 크기, 대역폭, 전력 레벨 및 목표 VSWR을 고려해야 합니다.
게시 시간: 2024년 1월 15일
