أخبار - تحويل الطاقة في هوائيات الرادار

في دوائر أو أنظمة الميكروويف، غالبًا ما تتكون الدائرة أو النظام بأكمله من العديد من أجهزة الميكروويف الأساسية مثل المرشحات والمقرنات ومقسمات الطاقة وما إلى ذلك. ومن المأمول أن يكون من الممكن من خلال هذه الأجهزة نقل طاقة الإشارة بكفاءة من نقطة إلى أخرى بأقل قدر من الفقد؛

في نظام رادار المركبة بأكمله، تتضمن عملية تحويل الطاقة بشكل أساسي نقل الطاقة من الشريحة إلى وحدة التغذية على لوحة الدوائر المطبوعة، ثم نقل الطاقة من وحدة التغذية إلى جسم الهوائي، وأخيرًا إشعاع الطاقة بكفاءة عالية من الهوائي. ويُعد تصميم المحول جزءًا بالغ الأهمية في عملية تحويل الطاقة. تشمل المحولات في أنظمة الموجات المليمترية تحويلات متنوعة، منها تحويلات الميكروستريب إلى دليل موجي متكامل على الركيزة (SIW)، وتحويلات الميكروستريب إلى دليل موجي، وتحويلات SIW إلى دليل موجي، وتحويلات الكابل المحوري إلى دليل موجي، وتحويلات دليل موجي إلى دليل موجي، بالإضافة إلى أنواع أخرى من تحويلات الدليل الموجي. سيركز هذا البحث على تصميم تحويلات SIW في نطاق الموجات الميكرومترية.

أنواع مختلفة من هياكل النقل

الشريط الميكروييُعدّ خط الميكروستريب أحد أكثر هياكل التوجيه استخدامًا عند ترددات الميكروويف المنخفضة نسبيًا. وتتمثل مزاياه الرئيسية في بساطة تركيبه، وانخفاض تكلفته، وسهولة دمجه مع مكونات التثبيت السطحي. يتكون خط الميكروستريب النموذجي من موصلات على أحد جانبي طبقة عازلة، مما يُشكّل سطحًا أرضيًا واحدًا على الجانب الآخر، مع وجود الهواء فوقه. الموصل العلوي عبارة عن مادة موصلة (عادةً النحاس) مُشكّلة على هيئة سلك رفيع. يُعدّ عرض الخط، وسُمكه، ونفاذيته النسبية، ومعامل فقد العزل للركيزة من المعايير المهمة. بالإضافة إلى ذلك، يُعدّ سُمك الموصل (أي سُمك التمعدن) وموصليته من العوامل الحاسمة عند الترددات العالية. من خلال مراعاة هذه المعايير بعناية، واستخدام خطوط الميكروستريب كوحدة أساسية للأجهزة الأخرى، يُمكن تصميم العديد من أجهزة ومكونات الميكروويف المطبوعة، مثل المرشحات، والمقرنات، ومقسمات/مجمعات الطاقة، والخلاطات، وما إلى ذلك. مع ذلك، مع ازدياد التردد (عند الانتقال إلى ترددات الميكروويف العالية نسبيًا)، تزداد خسائر الإرسال ويحدث الإشعاع. لذا، تُفضّل الموجهات الأنبوبية المجوفة، مثل الموجهات المستطيلة، نظرًا لانخفاض الفقد عند الترددات العالية (انعدام الإشعاع). عادةً ما يكون الجزء الداخلي من الموجه مملوءًا بالهواء، ولكن يمكن ملؤه بمادة عازلة إذا لزم الأمر، مما يُعطيه مقطعًا عرضيًا أصغر من الموجه المملوء بالغاز. مع ذلك، غالبًا ما تكون الموجهات الأنبوبية المجوفة ضخمة، وقد تكون ثقيلة، خاصةً عند الترددات المنخفضة، وتتطلب متطلبات تصنيع أعلى، كما أنها مكلفة، ولا يمكن دمجها مع الهياكل المطبوعة المستوية.

منتجات هوائيات RFMISO ذات الشريط الميكروي:

RM-MA25527-22,25.5-27GHz

RM-MA425435-22، 4.25-4.35 جيجاهرتز

أما النوع الآخر فهو بنية توجيه هجينة تجمع بين بنية الشريط الميكروي ودليل الموجة، وتُسمى دليل الموجة المتكامل على الركيزة (SIW). يتكون دليل الموجة المتكامل على الركيزة من بنية متكاملة تشبه دليل الموجة، مصنعة على مادة عازلة، مع موصلات في الأعلى والأسفل، ومصفوفة خطية من فتحتين معدنيتين تشكلان الجدران الجانبية. بالمقارنة مع بنى الشريط الميكروي ودليل الموجة، يتميز دليل الموجة المتكامل على الركيزة بفعاليته من حيث التكلفة، وسهولة عملية تصنيعه نسبيًا، وإمكانية دمجه مع الأجهزة المستوية. إضافةً إلى ذلك، فإن أداءه عند الترددات العالية أفضل من أداء بنى الشريط الميكروي، كما أنه يتمتع بخصائص تشتت دليل الموجة. كما هو موضح في الشكل 1؛

إرشادات تصميم SIW

الموجهات المتكاملة على الركيزة (SIWs) هي هياكل متكاملة تشبه الموجهات، تُصنع باستخدام صفين من الثقوب المعدنية المدمجة في مادة عازلة، تربط بين لوحين معدنيين متوازيين. تشكل صفوف من الثقوب المعدنية الجدران الجانبية. يتميز هذا الهيكل بخصائص خطوط الميكروستريب والموجهات. كما أن عملية التصنيع مشابهة للهياكل المسطحة المطبوعة الأخرى. يوضح الشكل 2.1 هندسة نموذجية للموجه المتكامل على الركيزة، حيث يُستخدم عرضه (أي المسافة بين الثقوب في الاتجاه الجانبي (as))، وقطر الثقوب (d)، وطول الخطوة (p) لتصميم هيكل الموجهات. سيتم شرح أهم المعلمات الهندسية (الموضحة في الشكل 2.1) في القسم التالي. تجدر الإشارة إلى أن النمط السائد هو TE10، تمامًا مثل الموجه المستطيل. تُعد العلاقة بين تردد القطع fc للموجهات المملوءة بالهواء (AFWG) والموجهات المملوءة بمادة عازلة (DFWG) والأبعاد a وb هي النقطة الأولى في تصميم الموجهات المتكاملة على الركيزة. بالنسبة للموجات الموجهة المملوءة بالهواء، يكون تردد القطع كما هو موضح في الصيغة أدناه

البنية الأساسية لـ SIW وصيغة الحساب[1]

حيث c هي سرعة الضوء في الفضاء الحر، و m و n هما النمطان، و a هو طول الموجه الأطول، و b هو طول الموجه الأقصر. عندما تعمل الموجه في نمط TE10، يمكن تبسيطها إلى fc=c/2a؛ وعندما تكون الموجه مملوءة بمادة عازلة، يُحسب طول الجانب العريض a من خلال ad=a/√εr، حيث εr هو ثابت العزل الكهربائي للوسط؛ ولكي تعمل SIW في نمط TE10، يجب أن تحقق المسافة بين الثقوب p، والقطر d، والجانب العريض as الصيغة الموجودة في أعلى يمين الشكل أدناه، وهناك أيضًا صيغ تجريبية لـ d<λg و p<2d [2].

حيث λg هو طول موجة الموجة الموجهة: في الوقت نفسه، لن يؤثر سمك الركيزة على تصميم حجم SIW، ولكنه سيؤثر على فقدان الهيكل، لذلك يجب مراعاة مزايا الفقد المنخفض للركائز ذات السماكة العالية.

تحويل الميكروستريب إلى SIW
عند الحاجة إلى توصيل بنية ميكروستريب بدليل موجي متكامل تكاملي (SIW)، يُعدّ وصلة الميكروستريب المخروطية إحدى طرق التوصيل المفضلة، حيث توفر عادةً توافقًا واسع النطاق مقارنةً بوصلات الطباعة الأخرى. تتميز بنية التوصيل المصممة جيدًا بانعكاسات منخفضة للغاية، وينتج فقد الإدخال بشكل أساسي عن فقد العازل والموصل. ويُحدد اختيار مواد الركيزة والموصل بشكل رئيسي فقد التوصيل. ولأن سُمك الركيزة يُعيق عرض خط الميكروستريب، يجب تعديل معلمات الوصلة المخروطية عند تغيير سُمك الركيزة. كما يُعدّ نوع آخر من الأدلة الموجية المستوية المؤرضة (GCPW) بنية خط نقل شائعة الاستخدام في أنظمة الترددات العالية. وتعمل الموصلات الجانبية القريبة من خط النقل الوسيط أيضًا كأرضي. ومن خلال ضبط عرض المغذي الرئيسي والمسافة إلى الأرضي الجانبي، يُمكن الحصول على المعاوقة المميزة المطلوبة.

الميكروستريب إلى SIW و GCPW إلى SIW

الشكل أدناه مثال على تصميم كابل ميكروستريب إلى SIW. الوسط المستخدم هو Rogers3003، وثابت العزل الكهربائي 3.0، وقيمة الفقد الحقيقي 0.001، والسمك 0.127 مم. عرض المغذي عند كلا الطرفين 0.28 مم، وهو ما يتطابق مع عرض مغذي الهوائي. قطر الفتحة النافذة d = 0.4 مم، والمسافة p = 0.6 مم. أبعاد المحاكاة 50 مم × 12 مم × 0.127 مم. الفقد الكلي في نطاق التمرير حوالي 1.5 ديسيبل (ويمكن تقليله أكثر بتحسين المسافة بين الجانبين العريضين).