كيفية تحقيق مطابقة معاوقة الموجهات؟ من نظرية خط النقل في نظرية هوائي الشريط الدقيق، نعلم أنه يمكن اختيار خطوط نقل متسلسلة أو متوازية مناسبة لتحقيق مطابقة المعاوقة بين خطوط النقل أو بين خطوط النقل والأحمال لتحقيق أقصى قدر من نقل الطاقة والحد الأدنى من فقدان الانعكاس. ينطبق نفس مبدأ مطابقة المعاوقة في خطوط الشريط الدقيق على مطابقة المعاوقة في الموجهات. يمكن أن تؤدي الانعكاسات في أنظمة الموجهات إلى عدم تطابق المعاوقة. عندما يحدث تدهور المعاوقة، يكون الحل هو نفسه بالنسبة لخطوط النقل، أي تغيير القيمة المطلوبة. يتم وضع المعاوقة المجمعة في نقاط محسوبة مسبقًا في الموجهات للتغلب على عدم التطابق، وبالتالي القضاء على آثار الانعكاسات. بينما تستخدم خطوط النقل معاوقات مجمعة أو أطراف، تستخدم الموجهات كتل معدنية بأشكال مختلفة.
الشكل 1: قزحيات الموجات الموجهة والدائرة المكافئة، (أ) سعوية؛ (ب) حثية؛ (ج) رنانية.
يوضح الشكل 1 الأنواع المختلفة لمطابقة المعاوقة، متخذةً أيًا من الأشكال الموضحة، ويمكن أن تكون سعوية أو حثية أو رنينية. التحليل الرياضي معقد، لكن التفسير الفيزيائي ليس كذلك. بالنظر إلى الشريط المعدني السعوي الأول في الشكل، يمكن ملاحظة أن الجهد الذي كان موجودًا بين الجدارين العلوي والسفلي للدليل الموجي (في الوضع السائد) موجود الآن بين سطحي المعدن على مقربة أكبر، وبالتالي تزداد السعة. في المقابل، تسمح الكتلة المعدنية في الشكل 1ب بتدفق التيار حيث لم يكن يتدفق من قبل. سيكون هناك تدفق للتيار في مستوى المجال الكهربائي المعزز سابقًا بسبب إضافة الكتلة المعدنية. لذلك، يحدث تخزين الطاقة في المجال المغناطيسي ويزداد المحاثة عند تلك النقطة من الدليل الموجي. بالإضافة إلى ذلك، إذا تم تصميم شكل وموضع الحلقة المعدنية في الشكل ج بشكل معقول، فستكون المفاعلة الحثية والمفاعلة السعوية المدخلة متساوية، وستكون الفتحة رنينًا متوازيًا. هذا يعني أن مطابقة معاوقة الوضع الرئيسي وضبطها ممتازان، وأن تأثير التحويل لهذا الوضع سيكون ضئيلاً. مع ذلك، ستضعف الأوضاع أو الترددات الأخرى، لذا تعمل الحلقة المعدنية الرنانة كمرشح نطاق تمرير ومرشح وضع في آنٍ واحد.
الشكل 2: (أ) أعمدة التوجيه الموجي؛ (ب) مطابقة ثنائية البراغي
طريقة أخرى للضبط موضحة أعلاه، حيث يمتد عمود معدني أسطواني من أحد الجانبين العريضين إلى داخل الدليل الموجي، ويكون له نفس تأثير الشريط المعدني من حيث توفير مفاعلة متكتلة عند تلك النقطة. يمكن أن يكون العمود المعدني سعويًا أو حثيًا، اعتمادًا على مدى امتداده إلى الدليل الموجي. تتمثل طريقة المطابقة هذه أساسًا في أنه عندما يمتد هذا العمود المعدني قليلاً إلى داخل الدليل الموجي، فإنه يوفر قابلية سعوية عند تلك النقطة، وتزداد القابلية السعوية حتى يصبح الاختراق حوالي ربع الطول الموجي، وعند هذه النقطة يحدث الرنين المتسلسل. يؤدي المزيد من اختراق العمود المعدني إلى توفير قابلية حثية تتناقص مع اكتمال الإدخال. تتناسب شدة الرنين عند تركيب نقطة المنتصف عكسيًا مع قطر العمود ويمكن استخدامه كمرشح، ومع ذلك، في هذه الحالة يتم استخدامه كمرشح إيقاف النطاق لنقل أوضاع الترتيب الأعلى. مقارنةً بزيادة معاوقة الشرائط المعدنية، فإن من أهم مزايا استخدام الأعمدة المعدنية سهولة ضبطها. على سبيل المثال، يمكن استخدام برغيين كجهازي ضبط لتحقيق مطابقة فعّالة 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 المحطات إجراء قياسات طاقة مختلفة على النظام دون إشعاع أي طاقة فعلية.
الشكل 3 حمل مقاومة الموجة الموجهة (أ) مخروط واحد (ب) مخروط مزدوج
أكثر أنواع الإنهاءات المقاومة شيوعًا هو قسم من عازل فاقِد للترددات يُركَّب في نهاية الدليل الموجي، ويكون مُدبَّبًا (بحيث يكون طرفه مُوجَّهًا نحو الموجة الواردة) لتجنب الانعكاسات. قد يشغل هذا الوسط المُفاقِد للترددات عرض الدليل الموجي بالكامل، أو قد يشغل مركز طرفه فقط، كما هو موضح في الشكل 3. يمكن أن يكون المُدبَّب مُفردًا أو مُزدوجًا، ويبلغ طوله عادةً λp/2، ويبلغ إجمالي طوله تقريبًا طولين موجيين. عادةً ما يكون مصنوعًا من صفائح عازلة مثل الزجاج، مُغطَّى بغشاء كربوني أو زجاج مائي من الخارج. بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، يمكن إضافة مُشتِّتات حرارية إلى الجزء الخارجي من الدليل الموجي لهذه الأطراف، ويمكن تبديد الطاقة المُوصَّلة إلى الطرف من خلال المُشتِّت الحراري أو من خلال التبريد بالهواء القسري.
الشكل 4 مُخفف الريشة المتحرك
يمكن جعل المخففات العازلة قابلة للإزالة كما هو موضح في الشكل 4. يتم وضعها في منتصف الموجة الموجهة، ويمكن تحريكها جانبيًا من مركز الموجة الموجهة، حيث ستوفر أكبر قدر من التوهين، إلى الحواف، حيث يتم تقليل التوهين بشكل كبير نظرًا لأن قوة المجال الكهربائي للوضع السائد أقل بكثير.
التوهين في الموجة الموجهة:
يتضمن التوهين الطاقي للموجهات الموجية بشكل أساسي الجوانب التالية:
1. الانعكاسات من انقطاعات الموجة الداخلية أو أقسام الموجة غير المحاذية
2. الخسائر الناجمة عن تدفق التيار في جدران الموجات الموجهة
3. الخسائر العازلة في الموجهات الموجية المملوءة
الأخيران مشابهان للخسائر المقابلة في الخطوط المحورية، وكلاهما صغير نسبيًا. يعتمد هذا الفقد على مادة الجدار وخشونته، والعازل الكهربائي المستخدم، والتردد (بسبب تأثير السطح). بالنسبة للأنابيب النحاسية، يتراوح النطاق من 4 ديسيبل/100 متر عند 5 جيجاهرتز إلى 12 ديسيبل/100 متر عند 10 جيجاهرتز، ولكن بالنسبة للأنابيب المصنوعة من الألومنيوم، يكون النطاق أقل. بالنسبة للموجهات الموجية المطلية بالفضة، تكون الخسائر عادةً 8 ديسيبل/100 متر عند 35 جيجاهرتز، و30 ديسيبل/100 متر عند 70 جيجاهرتز، وقريبة من 500 ديسيبل/100 متر عند 200 جيجاهرتز. لتقليل الخسائر، وخاصةً عند أعلى الترددات، تُطلى الموجهات الموجية أحيانًا (داخليًا) بالذهب أو البلاتين.
كما أشرنا سابقًا، يعمل الدليل الموجي كمرشح تمرير عالي. ورغم أن الدليل الموجي نفسه خالٍ تقريبًا من الفقد، إلا أن الترددات الأقل من تردد القطع تُضعف بشدة. ويعود هذا التوهين إلى الانعكاس عند فوهة الدليل الموجي، وليس إلى الانتشار.
اقتران الموجة الموجهة:
عادةً ما يتم ربط الموجّه الموجي عبر حواف عند توصيل أجزاء أو مكونات الموجّه الموجي معًا. وظيفة هذه الحافة هي ضمان اتصال ميكانيكي سلس وخصائص كهربائية مناسبة، وخاصةً انخفاض الإشعاع الخارجي والانعكاس الداخلي.
شفة:
تُستخدم حواف الدليل الموجي على نطاق واسع في اتصالات الموجات الدقيقة، وأنظمة الرادار، واتصالات الأقمار الصناعية، وأنظمة الهوائيات، ومعدات المختبرات في البحث العلمي. تُستخدم لتوصيل أقسام الدليل الموجي المختلفة، وضمان منع التسرب والتداخل، والحفاظ على محاذاة دقيقة للدليل الموجي لضمان نقل عالي الموثوقية وتحديد دقيق لمواضع الموجات الكهرومغناطيسية الترددية. يحتوي الدليل الموجي النموذجي على حافة في كل طرف، كما هو موضح في الشكل 5.
الشكل 5 (أ) شفة عادية؛ (ب) اقتران الشفة.
عند الترددات المنخفضة، تُلحم الحافة بالدليل الموجي، بينما تُستخدم حافة مسطحة عند الترددات الأعلى. عند توصيل جزأين، تُربط الحواف معًا بمسامير، ولكن يجب تشطيب الأطراف بسلاسة لتجنب أي انقطاعات في التوصيل. من الواضح أن محاذاة المكونات بشكل صحيح أسهل مع بعض التعديلات، لذلك تُزود أحيانًا أدلة الموجات الأصغر بحواف ملولبة يمكن تثبيتها معًا بمسامير باستخدام صمولة حلقية. مع زيادة التردد، يتناقص حجم اقتران الدليل الموجي بشكل طبيعي، ويزداد انقطاع الاقتران بما يتناسب مع طول موجة الإشارة وحجم الدليل الموجي. لذلك، تصبح حالات الانقطاع عند الترددات الأعلى أكثر صعوبة.
الشكل 6 (أ) المقطع العرضي لوصلة الاختناق؛ (ب) المنظر النهائي لشفة الاختناق
لحل هذه المشكلة، يمكن ترك فجوة صغيرة بين الموجهات الموجية، كما هو موضح في الشكل 6. يتكون وصلة الاختناق من شفة عادية وشفة اختناق متصلتين ببعضهما. وللتعويض عن أي انقطاعات محتملة، تُستخدم حلقة اختناق دائرية ذات مقطع عرضي على شكل حرف L في شفة الاختناق لتحقيق اتصال أكثر إحكامًا. على عكس الشفة العادية، تكون شفة الاختناق حساسة للتردد، ولكن التصميم المُحسّن يضمن نطاق تردد معقول (ربما 10% من التردد المركزي) لا يتجاوز فيه معدل الموجة الدائمة 1.05.
وقت النشر: ١٥ يناير ٢٠٢٤
