2.1 خطوط نقل

خط النقل هو وصلة مصممة لنقل الطاقة بكفاءة من نقطة إلى أخرى. ويتحدد سلوكه بأربعة معايير رئيسية:

• المقاومة (ص): تتأثر مقاومة تدفق التيار بمقاومة المادة ودرجة الحرارة والتردد. عند الترددات العالية، تأثير الجلد يؤدي ذلك إلى تركيز التيار بالقرب من سطح الموصل، مما يزيد المقاومة.
• الحث (L): الخاصية التي تعارض التغير في التيار، والناشئة عن المجال المغناطيسي الناتج عن تدفق التيار المتردد.
• الموصلية (G): يمثل تيار التسرب المتدفق بين الموصلات أو إلى الأرض، وعادة ما يكون ذلك عبر سطح العازل.
• السعة (ج): ينشأ من المجال الكهربائي بين الموصلات المفصولة بوسط عازل.

تشكل المقاومة والحث معًا معاوقة خط النقل ، بينما تشكل السعة والموصلية السماحية.

مفاهيم أساسية في خطوط النقل

• المعاوقة المميزة (): نسبة سعة الجهد إلى سعة التيار لموجة تنتقل في اتجاه واحد على خط منتظم عديم الفقدان بدون انعكاسات.
  • الصيغة العامة: Z_0 = \sqrt{\frac{R + jwL}{G + jwC}}
  • بالنسبة لخط بدون فقد: Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}}
• مقاومة مطابقة: لتحقيق أقصى قدر من نقل الطاقة، يجب أن تكون معاوقة الحمل هي المرافق المركب لمعاوقة المصدر (R_L = R_S و X_L = -X_S).
• معامل الانعكاس (): نسبة الجهد المنعكس إلى الجهد الساقط عند أطراف الحمل، والتي تحدد مقدار عدم التطابق. التطابق التام ينتج عنه ρ = 0.
• نسبة موجة الجهد الدائمة (VSWR): نسبة الجهد الأقصى إلى الجهد الأدنى على طول الخط، والناتجة عن تداخل الموجات الساقطة والمنعكسة. وهي مقياس لعدم تطابق المعاوقة.
  • S = \frac{\left |V_{max} \right |}{\left |V_{min} \right |}
  • S = \frac{1 + \rho }{1 – \rho }
  • ينتج عن التطابق التام نسبة موجة واقفة (VSWR) تساوي 1.
• الخسائر الناتجة عن عدم التوافق: تؤدي المعاوقات غير المتطابقة إلى خسائر طاقة متنوعة، بما في ذلك التوهين والانعكاس والإرسال والعودة وفقدان الإدخال.
• مطابقة الأجزاء غير المكتملة: تقنية تستخدم أقسام خطوط قصيرة الدائرة أو مفتوحة الدائرة (أطراف) متصلة بالتوازي مع الخط الرئيسي لتحقيق مطابقة المعاوقة. مطابقة طرف واحد يُستخدم لتردد ثابت، بينما مطابقة القطع المزدوجة يسمح بإجراء تعديلات مع تغير الحمل.

2.2. أدلة الموجة

الموجه الموجي عبارة عن أنبوب معدني مجوف ذي مقطع عرضي منتظم ينقل الموجات الكهرومغناطيسية عبر انعكاسات متتالية من جدرانه الداخلية. وهو نوع خاص من خطوط النقل، ولكنه لا يحتوي على موصل مركزي.

الخصائص والمزايا

• يوفر جدار الأنبوب حثًا موزعًا، ويوفر الفراغ سعة موزعة.
• يسهل تصنيعها ويمكنها التعامل مع طاقة كبيرة جدًا (كيلوواط).
• فهي توفر فقدًا منخفضًا جدًا في التوهين، مما يجعلها أكثر كفاءة في نقل الطاقة عالية التردد من الكابلات المحورية.

مقارنة: خطوط النقل مقابل الموجهات الموجية

2.3. أنماط الانتشار

يحدد اتجاه المجالين الكهربائي (E) والمغناطيسي (H) بالنسبة لاتجاه الانتشار (المحور z) نمط الانتشار.

• TEM (الكهرومغناطيسية المستعرضة): يكون كل من المجالين الكهربائي والمغناطيسي متعامدين تمامًا مع اتجاه الانتشار (E_z = 0، H_z = 0). مدعوم بخطوط متعددة الموصلات.
• TE (الكهرباء المستعرضة): المجال الكهربائي عرضي تمامًا، بينما للمجال المغناطيسي مركبة في اتجاه الانتشار (E_z = 0، H_z ≠ 0). مدعوم بواسطة الموجهات الموجية.
• TM (المغناطيسية المستعرضة): المجال المغناطيسي (H) عرضي تمامًا، بينما للمجال الكهربائي (E) مركبة في اتجاه الانتشار (E_z ≠ 0، H_z = 0). مدعومة بموجهات موجية.
• HE (هجين): لا يكون كل من المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي مستعرضًا تمامًا (E_z ≠ 0، H_z ≠ 0). مدعومًا بموجهات موصلة مفتوحة.

2.4. أنواع خطوط النقل والموجات الموجهة

• خطوط متعددة الموصلات: تشمل هذه الأنواع الخطوط المحورية، والخطوط الشريطية، والخطوط الشريطية الدقيقة، والخطوط المشقوقة، والخطوط المستوية. وتُستخدم هذه الأنواع على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة للموجات الميكروية.
• خطوط أحادية الموصل (موجات موجهة): وتشمل الموجهات المستطيلة والدائرية والبيضاوية والموجهات أحادية الحافة والموجهات ثنائية الحافة.
• هياكل الحدود المفتوحة: الموجهات الموجية غير المحاطة بالكامل بدرع معدني، مثل القضبان العازلة والألياف البصرية.