כיצד להשיג התאמת עכבה של מוליכי גל? מתורת קווי תמסורת בתורת אנטנות מיקרוסטריפ, אנו יודעים שניתן לבחור קווי תמסורת טוריים או מקבילים מתאימים כדי להשיג התאמת עכבה בין קווי תמסורת או בין קווי תמסורת לעומסים כדי להשיג העברת הספק מקסימלית ואובדן החזרה מינימלי. אותו עיקרון של התאמת עכבה בקווי מיקרוסטריפ חל על התאמת עכבה במוליכי גל. החזרים במערכות מוליכי גל יכולים להוביל לחוסר התאמה בעכבה. כאשר מתרחשת הידרדרות בעכבה, הפתרון זהה לזה של קווי תמסורת, כלומר, שינוי הערך הנדרש. העכבה המקובעת ממוקמת בנקודות מחושבות מראש במוליך הגל כדי להתגבר על חוסר ההתאמה, ובכך לבטל את השפעות ההחזרים. בעוד שקווי תמסורת משתמשים בעכבות מקובעות או בגדמים, מוליכי גל משתמשים בבלוקים ממתכת בצורות שונות.
איור 1: קשתות מוליך גל ומעגל מקביל, (א) קיבולי; (ב) אינדוקטיבי; (ג) תהודה.
איור 1 מציג את הסוגים השונים של התאמת עכבה, בכל אחת מהצורות המוצגות ויכול להיות קיבולי, אינדוקטיבי או תהודה. הניתוח המתמטי מורכב, אך ההסבר הפיזי אינו מורכב. בהתחשב ברצועת המתכת הקיבולית הראשונה באיור, ניתן לראות שהפוטנציאל שהיה קיים בין הדפנות העליונות והתחתונות של מוליך הגל (במצב הדומיננטי) קיים כעת בין שני משטחי המתכת הקרובים יותר, כך שהקיבול עולה. בנקודה זו, גוש המתכת באיור 1b מאפשר לזרם לזרום במקום בו לא זרם קודם לכן. תהיה זרימת זרם במישור השדה החשמלי המשופר בעבר עקב הוספת גוש המתכת. לכן, אגירת אנרגיה מתרחשת בשדה המגנטי וההשראות בנקודה זו של מוליך הגל עולה. בנוסף, אם הצורה והמיקום של טבעת המתכת באיור c מתוכננים באופן סביר, הריאקטנס האינדוקטיבי והתגובה הקיבולית המוכנסות יהיו שוות, והפתח יהיה תהודה מקבילה. משמעות הדבר היא שהתאמת העכבה והכוונון של המודל הראשי טובים מאוד, ואפקט השאנטינג של מצב זה יהיה זניח. עם זאת, מצבים או תדרים אחרים יוחלשו, כך שטבעת המתכת התהודה פועלת גם כמסנן מעביר פס וגם כמסנן מצבים.
איור 2: (א) עמודי מוליך גל; (ב) התאמה דו-ברגית
דרך נוספת לכוונון מוצגת לעיל, כאשר עמוד מתכת גלילי משתרע מאחד הצדדים הרחבים אל תוך מוליך הגל, ובעל אותה השפעה כמו רצועת מתכת מבחינת מתן תגובתיות מגושמת בנקודה זו. עמוד המתכת יכול להיות קיבולי או אינדוקטיבי, תלוי כמה רחוק הוא משתרע אל תוך מוליך הגל. בעיקרו של דבר, שיטת התאמה זו היא שכאשר עמוד מתכת כזה משתרע מעט אל תוך מוליך הגל, הוא מספק רגישות קיבולית בנקודה זו, והרגישות הקיבולית עולה עד שהחדירה היא כרבע אורך גל. בנקודה זו מתרחשת תהודה טורית. חדירה נוספת של עמוד המתכת גורמת לספק רגישות אינדוקטיבית אשר פוחתת ככל שההכנסה הופכת שלמה יותר. עוצמת התהודה בהתקנה בנקודת האמצע היא ביחס הפוך לקוטר העמודה וניתן להשתמש בה כמסנן, אולם במקרה זה היא משמשת כמסנן עצירת פס להעברת אופנים מסדר גבוה יותר. בהשוואה להגדלת העכבה של רצועות מתכת, יתרון עיקרי בשימוש בעמודי מתכת הוא שקל לכוונן אותם. לדוגמה, ניתן להשתמש בשני ברגים כמכשירי כוונון כדי להשיג התאמת מוליך גל יעילה.
עומסים התנגדותיים ומנחתים:
כמו כל מערכת תמסורת אחרת, מוליכי גל דורשים לעיתים התאמת עכבה מושלמת ועומסים מכוונים כדי לספוג באופן מלא גלים נכנסים ללא החזרה ולהיות חסרי רגישות לתדר. יישום אחד עבור טרמינלים כאלה הוא ביצוע מדידות הספק שונות על המערכת מבלי להקרין הספק בפועל.
איור 3 התנגדות מוליך גל עומס (א) התחדדות יחידה (ב) התחדדות כפולה
הסיומת ההתנגדותית הנפוצה ביותר היא קטע של חומר דיאלקטרי עם אובדן, המותקן בקצה מוליך הגל ומחודד (כאשר הקצה מופנה לכיוון הגל הנכנס) כדי לא לגרום להשתקפויות. תווך אובדן זה עשוי לתפוס את כל רוחב מוליך הגל, או שהוא עשוי לתפוס רק את מרכז קצה מוליך הגל, כפי שמוצג באיור 3. החיבור יכול להיות בעל חיבור חד או כפול, ובדרך כלל באורך של λp/2, עם אורך כולל של כשני אורכי גל. בדרך כלל עשוי מלוחות דיאלקטריים כמו זכוכית, מצופים בסרט פחמן או זכוכית מים מבחוץ. עבור יישומים בעלי הספק גבוה, ניתן להוסיף גופי קירור לחלק החיצוני של מוליך הגל, וההספק המועבר לחיבור יכול להתפזר דרך גוף הקירור או באמצעות קירור אוויר מאולץ.
איור 4 מחליש כנף נייד
ניתן להסיר מנחתים דיאלקטריים כפי שמוצג באיור 4. כאשר הם ממוקמים במרכז מוליך הגל, ניתן להזיז אותם לרוחב ממרכז מוליך הגל, שם הם יספקו את הנחתה הגדולה ביותר, ועד לקצוות, שם הנחתה מצטמצמת במידה ניכרת מכיוון שעוצמת השדה החשמלי של המודן הדומיננטי נמוכה בהרבה.
הנחתה במוליך גל:
הנחתת האנרגיה של מוליכי גל כוללת בעיקר את ההיבטים הבאים:
1. השתקפויות מאי-רציפות פנימית של מוליך גל או מקטעי מוליך גל שאינם מיושרים
2. הפסדים הנגרמים מזרם הזרם בדפנות מוליך הגל
3. הפסדים דיאלקטריים במוליכי גל מלאים
שני האחרונים דומים להפסדים המקבילים בקווים קואקסיאליים ושניהם קטנים יחסית. הפסד זה תלוי בחומר הקיר ובחספוס שלו, בדיאלקטרי בו נעשה שימוש ובתדר (עקב אפקט העור). עבור צינור פליז, הטווח הוא בין 4 dB/100 מטר בתדר 5 גיגה-הרץ ל-12 dB/100 מטר בתדר 10 גיגה-הרץ, אך עבור צינור אלומיניום, הטווח נמוך יותר. עבור מוליכי גל מצופים כסף, ההפסדים הם בדרך כלל 8dB/100 מטר בתדר 35 גיגה-הרץ, 30dB/100 מטר בתדר 70 גיגה-הרץ, וקרוב ל-500 dB/100 מטר ב-200 גיגה-הרץ. כדי להפחית הפסדים, במיוחד בתדרים הגבוהים ביותר, מוליכי גל מצופים לעיתים (בפנים) בזהב או פלטינה.
כפי שכבר צוין, מוליך הגל פועל כמסנן מעביר גבוהים. למרות שמוליך הגל עצמו כמעט ואינו אובדן, תדרים מתחת לתדר החיתוך נחלשים באופן משמעותי. דעיכה זו נובעת מהשתקפות בפתח מוליך הגל ולא מהתפשטות.
צימוד מוליך גל:
צימוד מוליך גל מתרחש בדרך כלל דרך אוגנים כאשר חלקי או רכיבי מוליך גל מחוברים יחד. תפקידו של אוגן זה הוא להבטיח חיבור מכני חלק ותכונות חשמליות מתאימות, בפרט קרינה חיצונית נמוכה והחזרה פנימית נמוכה.
אוֹגֶן:
אוגני מוליך גל נמצאים בשימוש נרחב בתקשורת מיקרוגל, מערכות מכ"ם, תקשורת לוויינית, מערכות אנטנה וציוד מעבדה במחקר מדעי. הם משמשים לחיבור מקטעי מוליך גל שונים, הבטחת מניעת דליפות והפרעות, ושמירה על יישור מדויק של מוליך הגל כדי להבטיח שידור אמין גבוה ומיקום מדויק של גלים אלקטרומגנטיים בתדר. למוליך גל טיפוסי יש אוגן בכל קצה, כפי שמוצג באיור 5.
איור 5 (א) אוגן רגיל; (ב) מחבר אוגן.
בתדרים נמוכים יותר, האוגן יולחם או יולחם למוליך הגל, בעוד שבתדרים גבוהים יותר משתמשים באוגן שטוח וחד. כאשר שני חלקים מחוברים, האוגנים מחוברים יחד בברגים, אך הקצוות חייבים להיות מגולפים בצורה חלקה כדי למנוע אי-רציפות בחיבור. ברור שקל יותר ליישר את הרכיבים בצורה נכונה עם כמה התאמות, ולכן מוליכי גל קטנים יותר מצוידים לעיתים באוגנים מושחלים שניתן להבריג יחד בעזרת אום טבעת. ככל שהתדר עולה, גודל צימוד מוליך הגל פוחת באופן טבעי, ואי-רציפות הצימוד גדלה ביחס לאורך הגל של האות ולגודל מוליך הגל. לכן, אי-רציפות בתדרים גבוהים יותר הופכת למטרידה יותר.
איור 6 (א) חתך רוחב של מצמד החנק; (ב) מבט קצה של אוגן החנק
כדי לפתור בעיה זו, ניתן להשאיר פער קטן בין מוליכי הגל, כפי שמוצג באיור 6. צימוד חנק המורכב מאוגן רגיל ואוגן חנק המחוברים יחד. כדי לפצות על אי-רציפות אפשרית, טבעת חנק עגולה בעלת חתך רוחב בצורת L משמשת באוגן החנק כדי להשיג חיבור הדוק יותר. שלא כמו אוגנים רגילים, אוגני חנק רגישים לתדר, אך תכנון אופטימלי יכול להבטיח רוחב פס סביר (אולי 10% מתדר המרכז) שבו ה-SWR אינו עולה על 1.05.
זמן פרסום: 15 בינואר 2024
