كيف يمكن تحقيق مطابقة المعاوقة في الموجهات الموجية؟ من خلال نظرية خطوط النقل في هوائيات الميكروستريب، نعلم أنه يمكن اختيار خطوط نقل مناسبة، سواءً كانت متصلة على التوالي أو على التوازي، لتحقيق مطابقة المعاوقة بين خطوط النقل أو بين خطوط النقل والأحمال، وذلك لتحقيق أقصى قدرة نقل وأقل فقد في الانعكاس. وينطبق المبدأ نفسه لمطابقة المعاوقة في خطوط الميكروستريب على مطابقة المعاوقة في الموجهات الموجية. قد تؤدي الانعكاسات في أنظمة الموجهات الموجية إلى عدم تطابق المعاوقة. وعند حدوث تدهور في المعاوقة، يكون الحل مماثلاً لحلول خطوط النقل، أي تغيير قيمة المعاوقة المجمعة المطلوبة، حيث توضع عند نقاط محددة مسبقًا في الموجه الموجي للتغلب على عدم التطابق، وبالتالي التخلص من آثار الانعكاسات. بينما تستخدم خطوط النقل معاوقات مجمعة أو وصلات قصيرة، تستخدم الموجهات الموجية كتلًا معدنية بأشكال متنوعة.
الشكل 1: فتحات الدليل الموجي والدائرة المكافئة، (أ) سعوية؛ (ب) حثية؛ (ج) رنانة.
يوضح الشكل 1 أنواعًا مختلفة من مطابقة المعاوقة، والتي تتخذ أيًا من الأشكال الموضحة، ويمكن أن تكون سعوية أو حثية أو رنانة. التحليل الرياضي معقد، لكن التفسير الفيزيائي ليس كذلك. بالنظر إلى الشريط المعدني السعوي الأول في الشكل، نلاحظ أن الجهد الذي كان موجودًا بين الجدارين العلوي والسفلي للموجه (في النمط السائد) أصبح الآن موجودًا بين سطحي المعدن المتقاربين، مما يؤدي إلى زيادة السعة عند تلك النقطة. في المقابل، يسمح الكتلة المعدنية في الشكل 1ب بمرور التيار في مكان لم يكن يمر فيه سابقًا. سيمر التيار في مستوى المجال الكهربائي المُعزز سابقًا نتيجة إضافة الكتلة المعدنية. لذلك، يحدث تخزين للطاقة في المجال المغناطيسي، وتزداد الحثية عند تلك النقطة من الموجه. بالإضافة إلى ذلك، إذا صُمم شكل وموضع الحلقة المعدنية في الشكل ج بشكل مناسب، فإن المفاعلة الحثية والمفاعلة السعوية المُدخلتين ستكونان متساويتين، وستكون الفتحة في حالة رنين متوازٍ. هذا يعني أن مطابقة المعاوقة وضبط النمط الرئيسي ممتازين، وأن تأثير التحويل لهذا النمط سيكون ضئيلاً. مع ذلك، ستُخفَّف الأنماط أو الترددات الأخرى، لذا تعمل الحلقة المعدنية الرنانة كمرشح تمرير نطاقي ومرشح أنماط في آنٍ واحد.
الشكل 2: (أ) أعمدة الدليل الموجي؛ (ب) مُطابق ثنائي البراغي
تُظهر الصورة أعلاه طريقة أخرى للضبط، حيث يمتد عمود معدني أسطواني من أحد الجانبين العريضين داخل الدليل الموجي، مُحدثًا نفس تأثير الشريط المعدني من حيث توفير مُفاعلة مُجمّعة عند تلك النقطة. يمكن أن يكون العمود المعدني سعويًا أو حثيًا، اعتمادًا على مدى امتداده داخل الدليل الموجي. تعتمد هذه الطريقة في المطابقة على أنه عندما يمتد هذا العمود المعدني قليلًا داخل الدليل الموجي، فإنه يُوفر مُفاعلة سعوية عند تلك النقطة، وتزداد هذه المُفاعلة السعوية حتى يصل الاختراق إلى حوالي ربع طول الموجة. عند هذه النقطة، يحدث رنين متسلسل. يؤدي المزيد من اختراق العمود المعدني إلى توفير مُفاعلة حثية تتناقص مع اكتمال الإدخال. تتناسب شدة الرنين عند نقطة التثبيت الوسطى عكسيًا مع قطر العمود، ويمكن استخدامها كمرشح، ولكن في هذه الحالة، تُستخدم كمرشح حجب نطاق لنقل الأنماط ذات الرتب الأعلى. بالمقارنة مع زيادة مقاومة الشرائح المعدنية، تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لاستخدام الأعمدة المعدنية في سهولة ضبطها. على سبيل المثال، يمكن استخدام برغيين كأدوات ضبط لتحقيق مطابقة فعالة للموجات الموجهة.
الأحمال المقاومة والمخففات:
كما هو الحال في أي نظام نقل آخر، تتطلب الموجهات الموجية أحيانًا مطابقة مثالية للممانعة وأحمالًا مضبوطة لامتصاص الموجات الواردة بالكامل دون انعكاس، ولتكون غير حساسة للتردد. ومن تطبيقات هذه الموجهات إجراء قياسات مختلفة للطاقة على النظام دون بث أي طاقة فعليًا.
الشكل 3: مقاومة حمل الموجه (أ) مخروط أحادي (ب) مخروط مزدوج
أكثر أنواع التوصيلات المقاومة شيوعًا هي عبارة عن قطعة من مادة عازلة ذات فقد عالٍ، مثبتة في نهاية الدليل الموجي، ومخروطية الشكل (بحيث تكون الحافة موجهة نحو الموجة الواردة) لتجنب الانعكاسات. قد تشغل هذه المادة العازلة كامل عرض الدليل الموجي، أو قد تشغل مركز نهايته فقط، كما هو موضح في الشكل 3. يمكن أن يكون التخروط أحاديًا أو مزدوجًا، ويبلغ طوله عادةً λp/2، أي ما يعادل طول موجتين تقريبًا. تُصنع هذه التوصيلات عادةً من ألواح عازلة مثل الزجاج، مطلية بطبقة من الكربون أو زجاج الماء من الخارج. في التطبيقات عالية الطاقة، يمكن إضافة مشتتات حرارية إلى هذه التوصيلات على السطح الخارجي للدليل الموجي، ويمكن تبديد الطاقة الموصلة إلى التوصيل من خلال المشتت الحراري أو عن طريق التبريد القسري بالهواء.
الشكل 4: مخفف ذو ريشة متحركة
يمكن جعل المخففات العازلة قابلة للإزالة كما هو موضح في الشكل 4. عند وضعها في منتصف الدليل الموجي، يمكن تحريكها جانبياً من مركز الدليل الموجي، حيث ستوفر أكبر قدر من التوهين، إلى الحواف، حيث يتم تقليل التوهين بشكل كبير لأن قوة المجال الكهربائي للنمط السائد أقل بكثير.
التوهين في الدليل الموجي:
يشمل توهين الطاقة في الموجهات بشكل أساسي الجوانب التالية:
1. انعكاسات من انقطاعات داخلية في الدليل الموجي أو أقسام غير محاذية للدليل الموجي
2. الخسائر الناتجة عن تدفق التيار في جدران الدليل الموجي
3. الفقد العازل في الموجهات المملوءة
يتشابه النوعان الأخيران مع الخسائر المقابلة في الخطوط المحورية، وكلاهما صغير نسبيًا. وتعتمد هذه الخسارة على مادة الجدار وخشونته، والعازل المستخدم، والتردد (بسبب تأثير الجلد). بالنسبة للأنابيب النحاسية، يتراوح النطاق من 4 ديسيبل/100 متر عند 5 جيجاهرتز إلى 12 ديسيبل/100 متر عند 10 جيجاهرتز، بينما يكون النطاق أقل بالنسبة للأنابيب المصنوعة من الألومنيوم. أما بالنسبة للموجات الموجهة المطلية بالفضة، فتكون الخسائر عادةً 8 ديسيبل/100 متر عند 35 جيجاهرتز، و30 ديسيبل/100 متر عند 70 جيجاهرتز، وتقارب 500 ديسيبل/100 متر عند 200 جيجاهرتز. ولتقليل الخسائر، خاصةً عند الترددات العالية، تُطلى الموجات الموجهة أحيانًا (داخليًا) بالذهب أو البلاتين.
كما سبق ذكره، يعمل الدليل الموجي كمرشح تمرير عالي. ورغم أن الدليل الموجي نفسه يكاد يكون عديم الفقد، إلا أن الترددات الأقل من تردد القطع تتعرض لتوهين شديد. ويعود هذا التوهين إلى الانعكاس عند مدخل الدليل الموجي وليس إلى الانتشار.
اقتران الموجات الدليلية:
يحدث اقتران الموجات الدليلية عادةً عبر الحواف عند وصل أجزاء أو مكونات الموجات الدليلية معًا. وتتمثل وظيفة هذه الحافة في ضمان اتصال ميكانيكي سلس وخصائص كهربائية مناسبة، ولا سيما انخفاض الإشعاع الخارجي والانعكاس الداخلي.
شفة:
تُستخدم حواف الموجهات الموجية على نطاق واسع في اتصالات الميكروويف، وأنظمة الرادار، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، وأنظمة الهوائيات، ومعدات المختبرات في البحث العلمي. وتُستخدم هذه الحواف لربط أقسام الموجهات الموجية المختلفة، وضمان منع التسرب والتداخل، والحفاظ على محاذاة دقيقة للموجه الموجي لضمان نقل عالي الموثوقية وتحديد دقيق لموقع الموجات الكهرومغناطيسية. يحتوي الموجه الموجي النموذجي على حافة في كل طرف، كما هو موضح في الشكل 5.
الشكل 5 (أ) شفة بسيطة؛ (ب) وصلة شفة.
عند الترددات المنخفضة، تُلحم الحافة بالدليل الموجي، بينما عند الترددات العالية، تُستخدم حافة مسطحة ذات طرفين متوازيين. عند وصل جزأين، تُربط الحواف معًا بمسامير، ولكن يجب تشطيب الأطراف بسلاسة لتجنب أي انقطاعات في الوصلة. من الواضح أنه من الأسهل محاذاة المكونات بشكل صحيح مع بعض التعديلات، لذا تُجهز بعض الأدلة الموجية الأصغر بحواف ملولبة يمكن ربطها معًا بصامولة حلقية. مع ازدياد التردد، يقل حجم وصلة الدليل الموجي بشكل طبيعي، وتزداد انقطاعات الوصلة بما يتناسب مع طول موجة الإشارة وحجم الدليل الموجي. لذلك، تصبح الانقطاعات عند الترددات العالية أكثر إزعاجًا.
الشكل 6 (أ) مقطع عرضي لوصلة الخنق؛ (ب) منظر جانبي لشفة الخنق
لحل هذه المشكلة، يمكن ترك فجوة صغيرة بين الموجهات الموجية، كما هو موضح في الشكل 6. يتكون وصلة الخنق من شفة عادية وشفة خنق متصلتين معًا. وللتعويض عن أي انقطاعات محتملة، تُستخدم حلقة خنق دائرية ذات مقطع عرضي على شكل حرف L في شفة الخنق لتحقيق وصلة أكثر إحكامًا. على عكس الشفاه العادية، فإن شفاه الخنق حساسة للتردد، ولكن التصميم الأمثل يضمن نطاق تردد معقول (ربما 10% من التردد المركزي) لا تتجاوز فيه نسبة الموجة الموقوفة 1.05.
تاريخ النشر: 15 يناير 2024
