2.1 مبادئ خطوط النقل

إن توليد طاقة الموجات الميكروية ليس سوى الخطوة الأولى؛ إذ يجب بعد ذلك نقل هذه الطاقة بكفاءة من مصدرها إلى وجهتها، سواء أكانت هوائيًا أو خلاطًا أو أي مكون آخر. هذا هو الدور الأساسي لخط النقل ، الذي يعمل كقناة لنقل طاقة الموجات الميكروية. إن فهم المعايير الكهربائية التي تحكم سلوك هذه الخطوط أمر لا غنى عنه لأي مهندس يسعى إلى تصميم أنظمة موجات ميكروية فعالة وتقليل فقد الطاقة القيّمة إلى أدنى حد.

خط النقل هو وصلة مصممة لنقل الطاقة من نقطة إلى أخرى. وعلى الرغم من وجود العديد من التكوينات، فإن الأنواع الأربعة الأساسية التي تُستخدم في هندسة الموجات الميكروية هي:

1. خطوط نقل متوازية ثنائية الأسلاك
2. الخطوط المحورية
3. خطوط نقل الركيزة من النوع الشريطي
4. موجهات الموجة

يتحدد أداء أي خط نقل بأربعة معايير كهربائية أساسية: المقاومة (R)، والمحاثة (L)، والموصلية (G)، والسعة (C). هذه المعايير موزعة على طول الخط بالكامل.

• المقاومة (ص): يمثل هذا المعامل مقاومة تدفق التيار الناتجة عن مقاومة موصلات الخط. تُعطى المقاومة الكلية بالصيغة: R = ∆ ... تأثير الجلدمع زيادة التردد، يتركز التيار المتردد بالقرب من سطح الموصل بدلاً من تدفقه بشكل منتظم عبر مقطعه العرضي. هذا يقلل المساحة الفعالة a، وبالتالي يزيد المقاومة الكلية R والخسائر الأومية المرتبطة بها (I^2R).
• الحث (L): في خطوط نقل التيار المتردد، يُولّد تدفق التيار الجيبي مجالًا مغناطيسيًا حول الموصلات. ووفقًا لقانون فاراداي، يُولّد هذا المجال المغناطيسي المتغير مع الزمن قوة دافعة كهربائية (EMF) في الموصل تُعاكس التغير الأصلي في التيار. الحث، والتي يرمز لها بالرمز 'L' ويتم قياسها بالهنري (H)، هي الخاصية الفيزيائية التي تقيس هذه المعارضة للتغير في التيار.
• الموصلية (G): تُحسب هذه المعلمة تيار التسرب الذي يتدفق عبر المادة العازلة التي تفصل الموصلات. لا يوجد عازل مثالي، وسيتسرب تيار صغير بين الموصلات أو إلى الأرض. تصرف هو عكس مقاومة التسرب هذه ويمثل فقدان الطاقة على طول الخط.
• السعة (ج): يُنشئ فرق الجهد بين الموصلين الرئيسيين لخط النقل مجالًا كهربائيًا في المادة العازلة التي تفصل بينهما. يعمل هذا التكوين - موصلان يفصل بينهما عازل - كمكثف. هذا تأثير السعة يعني أن الخط يخزن الطاقة في المجال الكهربائي، مما يؤثر على كيفية انتشار الموجات على طوله.

هذه المعلمات الأساسية الأربعة جوهرية للهيكل المادي لخط النقل وتحدد بشكل جماعي خصائصه التشغيلية الرئيسية، والتي سنناقشها لاحقًا.

2.2 خصائص الأداء الرئيسية ومطابقة المعاوقة

تتجلى المعايير النظرية للمقاومة، والمحاثة، والموصلية، والسعة كخصائص عملية وقابلة للقياس تُحدد الأداء الفعلي لخطوط النقل. ويعتمد أداء النظام على مدى توافق الخط مع مصدره وحمله، مما يُحدد بدوره مقدار الطاقة المنقولة بنجاح ومقدار الطاقة المنعكسة بشكل هدر. يركز هذا القسم على المفاهيم الأساسية للمقاومة، والانعكاس، ونقل الطاقة.

يُعدّ المعاوقة المميزة (Z₀) أحد أهم مقاييس الأداء . تُعرَّف بأنها نسبة سعة الجهد إلى سعة التيار لموجة تنتشر في اتجاه واحد على طول خط مستقيم دون انعكاسات. فيزيائيًا، تُمثّل المعاوقة التي "تبدو" لخط النقل عندما يكون طوله لانهائيًا. الصيغة العامة هي: Z₀ = √(R + jωL) / (G + jωC). بالنسبة لخط مثالي "عديم الفقد"، حيث تكون المقاومة (R) والموصلية (G) مهملتين، تُختزل هذه الصيغة إلى قيمة حقيقية بحتة: R₀ = √(L) / (C).

يُعدّ تحقيق أقصى قدر من نقل الطاقة من المصدر إلى الحمل الهدفَ الأهمّ في العديد من أنظمة الميكروويف. ويتحقق ذلك من خلال مطابقة المعاوقة . ولتحقيق ذلك، يجب أن تكون معاوقة الحمل هي المرافق المركب لمعاوقة المصدر. ويتطلب هذا توافر شرطين في آنٍ واحد:

1. يجب أن تكون مقاومة الحمل مساوية لمقاومة المصدر: R_L = R_S.
2. يجب أن تكون مفاعلة الحمل مساوية في المقدار ولكن معاكسة في الإشارة لمفاعلة المصدر: X_L = -X_S.

عندما يتم استيفاء هذه الشروط، يتم توصيل كل الطاقة المتاحة من المصدر إلى الحمل، ولا تنعكس أي طاقة.

عندما لا تتطابق معاوقة الحمل مع المعاوقة المميزة للخط، ينعكس جزء من الموجة الساقطة نحو المصدر. لهذا التباين في المعاوقة عواقب مهمة عديدة، تُقاس بالمصطلحات التالية:

• معامل الانعكاس (): هذا عدد مركب يصف نسبة الجهد الساقط المنعكس على الحمل. ويُعرّف بأنه نسبة الجهد المنعكس إلى الجهد الساقط. الحمل المتطابق تمامًا له معامل انعكاس يساوي 0، بينما دائرة قصر أو دارة مفتوحة مثالية لها معامل انعكاس يساوي 1.
• نسبة موجة الجهد الدائمة (VSWR): يُنشئ التداخل بين الموجات الواردة والمنعكسة نمطًا ثابتًا من قيم الجهد العظمى والصغرى على طول الخط، يُعرف باسم الموجة المستقرة. معامل الموجة المستقرة (VSWR) (يُشار إليه بالرمز 'S') هو نسبة أقصى جهد إلى أدنى جهد في هذا النمط. S = \frac{\left |V_{max} \right |}{\left |V_{min} \right|} = \frac{1 + \rho }{1 – \rho } معامل الموجة المستقرة هو عدد حقيقي يتراوح بين 1 واللانهاية. يشير معامل الموجة المستقرة (VSWR) الذي يساوي 1 إلى تطابق تام بدون انعكاس. يدل معامل الموجة المستقرة المرتفع على عدم تطابق كبير وضعف في نقل الطاقة.

لمعالجة عدم تطابق المعاوقة، تُستخدم تقنية تُسمى مطابقة الوصلة الفرعية . تتضمن هذه التقنية توصيل جزء قصير من خط نقل مفتوح أو قصير الدائرة (وصلة فرعية) بالتوازي مع الخط الرئيسي على مسافة محددة من الحمل. تُدخل الوصلة الفرعية مفاعلة محددة تُلغي المكون التفاعلي للحمل، وبالتالي تُطابق الخط.

• مطابقة القطعة الفردية: يُوضع طرفٌ واحدٌ بطولٍ ثابتٍ على مسافةٍ محسوبةٍ بعنايةٍ من الحمل. على الرغم من فعالية هذا الحل، إلا أنه حساسٌ للتردد؛ فإذا تغير تردد التشغيل، يجب أيضًا تغيير موضع الطرف وطوله.
• مطابقة الكعب المزدوج: يُوضع طرفان في موضعين ثابتين، ويُضبط طولهما لتحقيق التطابق. يُعد هذا الأسلوب أكثر مرونةً للأحمال المتغيرة، ويُستخدم على نطاق واسع في المختبرات لمطابقة التردد الواحد.

بعد أن تناولنا كيفية إدارة الطاقة على خطوط النقل، سنحول الآن تركيزنا من هذه المبادئ العامة إلى الأوضاع المحددة لانتشار الموجات التي يمكن أن تدعمها هذه الهياكل التوجيهية.

2.3 طرق الانتشار وهياكل الموجات الموجهة

يُعدّ توجيه الموجات الكهرومغناطيسية لحقولها الكهربائية والمغناطيسية بالنسبة لاتجاه انتشارها أمرًا أساسيًا لتصنيفها وفهم سلوكها ضمن مختلف الهياكل الموجهة. ويُحدد هذا التوجيه نمط الانتشار . ويستند التصنيف الرسمي إلى ما إذا كان للحقل الكهربائي (E_z) والحقل المغناطيسي (H_z) مركبات على طول محور الانتشار (الاتجاه z).

هناك أربعة طرق أساسية للانتشار وهي:

• المجهر الكهرومغناطيسي المستعرض (TEM): في هذا الوضع، يكون كلٌّ من المجالين الكهربائي والمغناطيسي عرضيًا (عموديًا) على اتجاه انتشار الموجة. لا توجد أي مركبات مجال في الاتجاه المحوري. E_z = 0 \: و \: H_z = 0
• الكهرباء المستعرضة (TE): في هذا الوضع، يكون المجال الكهربائي عرضيًا تمامًا لاتجاه الانتشار، ولكن المجال المغناطيسي له مُركب في الاتجاه المحوري. E_z = 0 \: و \: H_z \ne 0
• المغناطيسية المستعرضة (TM): في هذا الوضع، يكون المجال المغناطيسي عرضيًا تمامًا لاتجاه الانتشار، بينما يكون للمجال الكهربائي مكون محوري. E_z \ne 0 \: و \: H_z = 0
• هجين (HE): في هذا الوضع، لا يكون المجال الكهربائي ولا المغناطيسي عرضيًا بحتًا. لكلا المجالين مركبات على طول اتجاه الانتشار. E_z \ne 0 \: و \: H_z \ne 0

يُحدد نوع هيكل التوجيه الأوضاع التي يدعمها. تدعم الخطوط متعددة الموصلات، مثل الكابلات المحورية والخطوط ثنائية الأسلاك، وضع TEM. أما الهياكل أحادية الموصل، المعروفة باسم الموجهات الموجية، فلا تدعم وضع TEM، بل تنشر الطاقة في وضعي TE أو TM.

موجهات الموجة

الموجه الموجي هو خط نقل متخصص يتكون من أنبوب معدني مجوف ذي مقطع عرضي منتظم. يقوم بتوجيه الموجات الكهرومغناطيسية عن طريق جعلها تنعكس تباعًا عن جدرانه الداخلية. توفر جدران الأنبوب نفسها حثًا موزعًا، بينما توفر المساحة الفارغة بينها سعة موزعة.

توفر الموجهات الموجية العديد من المزايا المتميزة، وخاصةً عند ترددات الميكروويف العالية:

• من السهل نسبيا تصنيعها.
• إنها قادرة على التعامل مع مستويات عالية جدًا من الطاقة، حيث لا يوجد موصل مركزي يمكن أن ينكسر.
• إنها تظهر خسارة توهين منخفضة للغاية مقارنة بالكابلات المحورية على نفس التردد.

يوفر الجدول التالي مقارنة دقيقة بين خطوط النقل التقليدية والموجهات الموجية، مع تسليط الضوء على الاختلافات الأساسية بينهما في التشغيل والتطبيق.

هناك مفهومان إضافيان أساسيان لوصف انتشار الموجات داخل الدليل: سرعة الطور ( ) وسرعة المجموعة ( ).

• سرعة الطور (): هذه هي السرعة التي ينتقل بها طور الموجة أحادية التردد عبر الدليل الموجي. تُعرَّف بأنها المعدل الذي يجب أن يتغير به طور الموجة ليخضع لانزياح قدره 2π راديان. يمكن حسابها بالصيغة التالية: V_p = \frac{\omega} {\beta } حيث \omega هو التردد الزاوي و\beta هو ثابت الطور.
• سرعة المجموعة (): هذه هي السرعة التي ينتشر بها الغلاف الكلي للموجة المعدلة (مجموعة الموجات) عبر الدليل الموجي. وهي تمثل سرعة انتقال المعلومات أو الطاقة. تُعرَّف على النحو التالي: V_g = d_omega d_beta

إن فهم الإطار النظري للنقل والانتشار يسمح لنا الآن باستكشاف المكونات السلبية المحددة المستخدمة في بناء الدوائر والأنظمة الميكروويف الوظيفية.