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论波导如何解决传输损耗问题
嘉兆科技 | 2019-06-17 14:12:58    阅读:111   发布文章

无论是源于辐射泄漏,还是源于传导共振,损耗是射频微波传输线领域的一个普遍问题,尤其在涉及大功率高频传输时更是如此。那么,这一问题有无解决方案?有,答案便是波导。

波导基础知识

波导是大功率发射机和接收机内的高频微波信号所用的一种电磁馈线,用于雷达设备、微波炉、卫星天线等任何需要大功率传输的射频微波系统。波导采用中空金属管或轻质碳纤维复合材料,由红铜、黄铜或电镀金属等高级别金属制成。波导内壁镀银或其他金属,作用于通过屏蔽降低电阻损耗,并实现相邻信号之间的有效隔离。微带线、带状线或同轴电缆等传输线也可视作波导,通常称为实芯介质波导。在大功率微波波导中,由于线路可能会发生过热问题,因此还需要通过加压空气、环流空气或类似于氟利昂的气体保持波导冷却,并防止电弧放电。

波导在一定程度上存在制造成本高、体积和重量大且不允许在射频信号附近传输直流电流的缺点。然而,与此同时,其优点在于,波导是一种隔离效果优异、损耗极低,且弯曲时不发生性能下降的完全屏蔽大功率传输线。

WR-12波导功率放大器,70.5 - 76.5 GHz

频率与几何形状

为了实现信号传输,波导要求具有与信号波长相对应的最小横截面,该横截面形状可以为矩形、圆形或椭圆形。因此,波导尺寸决定了其能够支持的波长及传播模态。波导的最低工作频率为一个波长的长度正好等于波导横截面宽度的信号频率。根据麦克斯韦方程,只有当电场具有零散度和零旋度且边界处为零,从而产生零场时,才能以横向电磁(TEM)模进行传输。因此,中空波导或单导体波导无法进行横向电磁(TEM)模的传输。与此相比,微带线、带状线或同轴电缆等双导体低频传输线能够进行横向电磁(TEM)模传输。在矩形波导和圆形波导中,主传播模为TE10模和TE11模。

根据麦克斯韦方程,以下三原则适用于波导:

1 )电磁波在导体上反射;

2 )与导体接触的电场线必须垂直于导体;

3 )导体附近的磁场线必须平行于导体。

只有符合上述各原则时,才能以特定传播模态进行传输。例如,如矩形波导可使用TE10模(横电模)进行传输。截止频率最低的传播模态称为波导的主传播模。

WR-28弯波导,26.5 - 40 GHz

由于波导为超高频(SHF)系统的传输线,因此必须保证波导内只存在一个传播模态。波导传播模态取决于波导的工作波长、极化方式、形状和尺寸。波导标准基于矩形波导制定,而且具有如下特征:

> 频段之间首尾相接,为了满足频段边缘附近的应用需求,两频段之间需有重叠;

> 为了限制频散及每单位长度损耗,频段下边缘比波导截止频率约高30%;

> 为了防止高阶模引起的倏逝波耦合,频段上边缘比次高阶模的截止频率约低5%;

> 波导高度为波导宽度的一半,以实现2:1工作带宽——波导高度正好为波导宽度一半时,可最大程度地提高波导功率。

WR-51十字交叉式波导耦合器,15 - 22 GHz

其他类型波导:

> 双脊矩形波导是射频微波系统使用的一种波导。该波导设计中的脊棱用于增大带宽,但同时存在会导致衰减度变大且功率处理能力变低的缺点。

> 单脊波导类似于矩形波导,但宽壁具有较大的电容性负载能力。与矩形波导相比,单脊波导的截止频率更低,且横截面更小。但是,与双脊波导相比,单脊波导的损耗更大,且功率处理能力更低。

> 开槽波导通常在雷达等应用中用作馈电路径,其每一槽孔均可作为单独的辐射器。相应的天线结构可以在指定的较窄目标方向上发射电磁波。

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