مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایران
مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایرانُسیرکولاتورها و ایزولاتورها
چرا سیرکولاتورها و ایزولاتورها در دنیای ارزان قیمت میکروالکترونیک به نسبت گران هستند؟ زیرا اغلب دست ساز بوده و به صورت دستی تیون و تست می شوند. تلورانس موجود در ویژگی های فریت ها و مگنت ها و هم چنین تلورانس ساخت مکانیکی به این معنی است که همواره باید حداقل دستمزد را برای افزایش سرعت تولید افزایش داد. روش های تیونینگ در کارخانه های گوناگون متفاوت است.
یک سیرکولاتور یک قطعه ی فریتی (فریت ها خانواده ای از مواد هستند که دارای خواص مغناطیسی منحصر به فردی هستند) با معمولا سه پورت است. مسئله جالب در ارتباط با سیرکولاتورها این است که آن ها غیر هم پاسخ هستند. یعنی انرژی ورودی در پورت 1، عمدتا به پورت 2 می رود و انرژی ورودی به پورت به پورت 3 می رود. انرژی ورودی به پورت 3 نیز به پورت 1 می رود. در یک قطعه یا ساختار هم پاسخ همان فرآیند شارش انرژی از پورت 1 به پورت 2 باید در جهت مخالف از پورت 2 به پورت 1 نیز اتفاق بیافتد.
انتخاب پورت ها اختیاری بوده و سیرکولاتورها را می توان به صورت ساعتگرد و یا پادساعتگرد ساخت. علاوه بر فریت برای ساخت یک سیرکولاتور به آهن ربا نیز نیاز داریم.
سیرکولاتورها به صورت موجبری، کواکسیالی و مایکرواستریپی وجود دارند. سیرکولاتورهای مایکرواستریپی غالبا در ماژول های گیرنده/فرستنده به منظور اتصال آن ها به آنتن مورد استفاده قرار می گیرد. موجبرهای همیشه کمترین تلفات و بیشترین قابلیت های توانی را فراهم می کنند. در شکل زیر یک سیرکولاتور موجبری باند ku نشان داده شده است:
به یک سیرکولاتور گاهی دوپلکسر duplexer نیز گفته می شود، یعنی دو سیگنال را از یک مسیر و کانال عبور می دهد ( ارسال توسط و دریافت از یک آنتن) . این اصطلاح را نباید با دیپلکسر diplexer اشتباه کرد. دیپلکسر به فیلترهایی گفته می شود که دو باند فرکانسی را بر روی یک کانال ارسال ارسال و یا از یک کانال دریافت می کنند. دیپلکسرها نیز یک قطعه سه پورتی هستند. بسیاری از مردم این دو را با یکدیگر اشتباه می گیرند. برای به خاطر سپردن این دو به این نکته توجه داشته باشید که filter diplexer هر دو کلمه i را دارند. circulator و duplexer هر دو دارای کلمه u هستند.
سیرکولاتورها به چه کار می آیند؟ ارائه بهترین قطعه برای اتصال آنتن به فرستنده و گیرنده. سیگنال از سمت فرستنده (پورت 1) به سمت آنتن (پورت 2) در هنگام ارسال می رود، و از سمت آنتن (پورت 2) به سمت گیرنده (پورت 3) در هنگام دریافت می رود. سیرکولاتورها دارای تلفات الکتریکی بسیار کمی بوده و می توانند برای توان های بسیار بالا (کیلووات) نیز ساخته بشوند. آن ها معمولا در پهنای باندی حدود یک تا چندین اکتاو کار می کنند. و قطعاتی کاملا RF (در DC کار نمی کنند) هستند.
نکته: ایزولاسیون یک سیرکولاتور برابر با تلفات بازگشتی آن است. یک سیرکولاتور با 20dB ایزولاسیون دارای تلفات بازگشتی 20dB است. به این موضوع فکر کنید که اگر پورت سوم را به یک بار 50 اهم متصل کنید، ایزولاسیون ساعتگردی که در یک سیرکولاتور پادساعتگرد اندازه گیری می کنید، بهتر از سیگنال بازگشتی از پورت بارگذاری شده، بدلیل عدم تطبیق به 50 اهم، نخواهد بود.
ایزولاتور: با اتصال یک پورت سیرکولاتور به بار تطبیق، یک ایزولاتور ساخته می شود. این ساختار انرژی را تنها در یک جهت عبور می دهد. این قطعه ی بسیار مفیدی برای مجزا کردن قطعات متفاوت در یک زنجیره است. ایزولاتور یک شبکه پسیو و غیر هم پاسخ است.
در شکل زیر یک ایزولاتور موجبری باند Ka نشان داده شده است.
سیرکولاتورها و ایزولاتورها را می توان از 100ها مگاهرتز تا 110 گیگاهرتز ساخت. آنها را می توان به صورت ساختارهای صفحه ای مایکرواستریپی، ساختارهای کواکسیالی، و یا موجبری ساخت. سیلکولاتورها و ایزولاتورهای موجبری دارای بهترین ویژگی های الکتریکی و الکترومغناطیسی هستند. این ساختارها دارای تلفات عبوری کمتر از 0.2dB نیز هستند. ایزولاتور و سیرکولاتورهای مایکرواستریپی و کواکسیالی دارای تلفاتی بین 0.5dB تا 1dB هستند. توجه داشته باشید که هر چه پهنای باند بیشتری بخواهید، ایزولاسیون کمتر و تلفات عبوری بیشتری خواهید داشت.
سیرکولاتورهای سوئیچی: یک خانواده جالب از سیرکولاتورها بوده که با استفاده از یک سیگنال الکتریکی می توان جهت سیرکولاتور را از ساعتگرد به پادساعتگرد و برعکس تغییر داد.
عمق پوستی
عمق پوستی یکی از پایه ای ترین مفاهیم در مهندسی مایکروویو است، ولی در فرکانس های پایین نیز اثراتی دارد. اهمیت فرمول عمق پوستی در مهندسی مایکروویو همانند قانون نیوتون (F=ma) در فیزیک است.
در اینجا می خواهیم یکی از بهترین مطالب در ارتباط با عمق پوستی را ارائه دهیم که شامل تمامی مجموعه مقالات قابل جستجو و مرتبط در IEEE باشد، از این امر مطمئنم چون سرچ کردم!
راز و رمز عمق پوستی - یک داستان روزانه: مبحث عمق پوستی به خوبی درک نشده است، ولی امروز میخواهم این مبحث را اینجا و اکنون ببندم. هر زمانی که یک مهندس مایکروویو در یک باند فرکانسی جدید یا از یک فلز جدید در ساختار استفاده می کند، سوالاتی در ارتباط با تلفات RF در خطوط انتقال مطرح می شود. اغلب "متخصصان" این بحث را شروع کرده و به صورت زیر ادامه می دهند....
"هی مهندس، میزان بهره در طراحی جدید نامطلوب است، مشکل از کجاست؟ چیزی رو از طراحی قبلی عوض کردی؟"
"چیز کلی ای نه دکتر، فقط از یک فروشنده جدید مقداری فلز خریدیم که محصولات پاکستان را می فروخت. البته مشکل زبانی داشتیم، اصلا مطمئن نبودیم که مشخصات مورد نظر ما را متوجه شده اند یا خیر. مونتاژ کاران خیلی این فلز را دوست داشتند، آن ها می گفتند که آبکاری طلای آن همانند سنگ سخت است."
"وای خدای من، به نظر میرسه مشکل عمق پوستی داشته باشیم. ما فقط افراد مختلف رو استخدام می کنیم، هیچ چیز راجع به RF نمی دونیم. برو پیش سر مهندس، کسی که شغل فرکانس پایین باند ایکس را برای بیست سال گذشته داشته است!"
اندکی بعد هنگامی که سر مهندس حدود ساعت 10:30 صبح سر کار آمد.....
"وای خدای من، میشه به ما بگی که آیا ما با رمز و راز عمیق و عجیب عمق پوستی سر و کار داریم؟"
"بذار وقتی داری برام چایی می ریزی، بذار یکی از تجهیزاتت رو با چاقوی مایکروویوی خودم خراش دهم.... بله، مشکل اینجاست، آبکاری نیکل!"
"بله، ما اطلاع داشتیم که از جنس نیکل است ولی این مشکل را به سه بار آبکاری طلا حل کردیم!!. حدود 300 میکرون طلا روی نیکل را پوشانده است، باید تلفات خیلی کم باشد!"
" شما نمی فهمید، اصلا اهمیتی ندارد که در اینجا از انگشتر ازدواج .... طلای بیشتری داشته باشد! شما در وضعیت وخیمی هستی و آن طلا اکنون به دردت نمی خوره!"
مکالمه مشابهی بارها ممکن است در سراسر کشور بارها شنیده شود. و هزاران نفر-ساعت تلف خواهد شد. گاهی با آزمایشات و تست های گرانقیمت سعی می کنند که تاثیر عمق پوستی را بر روی آبکاری های متفاوت بسنجند و یا شعبده بازان الکترومغناطیسی تلاش می کنند تا تاثیر عمق پوستی را با نرم افزارهای تحلیل تمام موج مدل کنند. با خواندن این صفحه مسئله قلب شکن عمق پوستی دیگر باعث ایجاد ضرر مالی نخواهد شد.
عمق پوستی چیست؟ عمق پوستی معیار و اندازه ای است که نشان می دهد رسانایی الکتریکی تا چه عمقی از فلز وجود داشته و تابعی از فرکانس کاری است. در DC (فرکانس صفر) تمامی رسانا مورد استفاده قرار می گیرد. اهمیتی ندارد که ضخامت فلز چقدر است. اگر شما سطح مقطع یک سیم را دو برابر کنید، مقاومت DC در واحد طول نصف خواهد شد، همان طور که از قانون اهم انتظار داریم. در فرکانس های RF، رسانایی فلزات هر چه در عمق فلز پیش می رویم غیر خطی (در واقع نمایی منفی) است. به همین دلیل مقدار رسانایی دارای محدودیت خواهد بود. و افزایش ضخامت فلز به منظور کاهش تلفات، خرج بی فایده پول خواهد بود.
یکی از مباحثی که درک درستی از آن وجود ندارد این است که تصور می شود جریان RF بر روی تمامی سطوح رسانا حرکت می کند. جریان بر روی سحطی حرکت می کند که در مجاورت محیط انتشار امواج الکترومغناطیسی باشد. با توجه به شکل نشان داده شده در زیر، سطح مقطع یک مایکرواستریپ، جریان در سطح زیرین خط مایکرواستریپ ماکزیمم است. به همین دلیل است که اولین فلز برای رسانایی در مایکرواستریپ اهمیت دارد. لطفا توجه داشته باشید که در موجبرها خلاف این امر صادق است. در موجبرها جنس فلز زیرین اهمیتی ندارد، بلکه فلزی که آبکاری می شود مورد توجه است.
توجه داشته باشید که امواجی بالای خط مایکرواستریپ نیز وجود دارند، ولی شدت و چگالی اندکی دارند.
معادله عمق پوستی: معادله معروف عمق پوستی در زیر آورده شده است. توجه داشته باشید که عمق پوستی تابعی از سه متغیر فرکانس، رسانایی و گذردهی مغناطیسی است.
چه قبول داشته باشید چه نداشته باشید، رساناها با افزایش فرکانس نازکتر می شوند. بدون اینکه بر روی تلفات مدار تاثیری داشته باشند. زیرا عمق پوستی با افزایش فرکانس کاهش می یابد. بنابراین آبکاری 150 میکرواینچی بر روی آلومینیوم در باند ایکس را می توان با ضخامت نصف نیز استفاده کرد، بدون اینکه کارایی را کاهش دهد ولی در خرج کردن پول صرفه جویی می کند.
حساب کتاب سرانگشتی: همیشه ضخامت فلز را حداقل پنج برابر عمق پوستی در نظر بگیرید. با این کار 99% از اکترون ها با خوشحالی و به راحتی به انجام وظیفه ی خود می پردازند.
حساب کتاب سرانگشتی: هنگامی که از بردهایی با فلز مس 1OZ استفاده می کنید، نیازی ندارید که به عمق پوستی فکر کنید. زیرا ضخامت مس این بردها پنج برابر عمق پوستی برای فرکانس 330MHz است.
مبانی طراحی خوب EMC/EMI
به منظور طراحی ایده آل EMC-EMI باید شرایط واقعا ایده آل باشند به صورتی که در زیر نوشته ام. ولی به هر حال در عمل هیچ چیز ایده آل نیست.
1. همه چیز را درون جعبه های MU-METAL با آبکاری طلا قرار دهید.
2. در و جعبه باید به خوبی به هم وصل شده باشند. اگر می توانید آن ها را به هم جوش دهید. برای صرفه جویی و با توجه به اهداف اقتصادی می توانید هر دو اینچ و یا هر 1/4 طول موج را (هر کدام که کوچکتر بودند) جوش بدهید. توجه داشته باشید که جوش دادن حالت ایده آل است. ولی در عمل با گذاشتن پیچ مناسب در همین فواصل می توانید به خوبی انجام دهید. ولی بنابراین به خوبی EMC-EMI رعایت نمی شود.
3. از هیچ دستگاه الکتریکی ای استفاده نکنید. به جای آن از بخار استفاده کنید.
4. هیچ طراحی ای انجام ندهید که با سیم به جای دیگر متصل شده باشد. از سیگنال های مخابراتی، هیدرولیک، یا طناب استفاده کنید. اگر مجبورید از الکتریسیته استفاده کنید همه چیز را به زمین متصل کنید. حتی خطوط سیگنال را.
5. بر روی همه چیز فریت قرار دهید. حتی بر روی سیم ها. هر چه بزرگتر بهتر.
6. از موتورها استفاده نکنید، یک موش بر روی قفس چرخان گذاشته تا بدود و آن را بچرخاند، خود موش را به زمین متصل کنید. پس نمی توانید از نویز موتورهای الکتریکی و تغذیه ها سوئیچینگ کاملا خلاص شوید.
7. از دریچه های تهویه استفاده نکنید. باعث فرار سیگنال های RF می شوند.
8. همه چیز را به محکمی به صفحه زمین متصل کنید. حتی قطعات قابل حمل را.
9. نوارهای مسی یا آلومینیومی خوب نیستند. از بلوک های طلا استفاده کنید. شما می توانید این طلا را همیشه بفروشید، به خصوص اگر تست به خوبی جواب ندهد.
10. اگر مجبور هستید از منابع تغذیه استفاده کنید، حتما از باطری استفاده کنید.
11. عمق پوستی نقش مهمی در شیلدینگ EMI انجام می دهد. اگر ضخامت فلز شما به اندازه یک عمق پوستی باشد، 36% از میدان الکتریکی از باکس شما فرار می می کند. برای ضخامت جعبه و در حداقل از پنج عمق پوستی استفاده کنید تا EMI را به اندازه 40 دسیبل کاهش دهید.
طراحی آنتن
در ذیل با معرفی برخی مفاهیم ابتدای آنتن های شروع می کنیم:
فیزیک سطح مقطع راداری
قبل از اینکه درباره کاهش سطح مقطع راداری یک جسم صحبت کنیم، بهتر است درباره فیزیک پشت سطح مقطع راداری صحبت کنیم. در یک سیستم آنتنی جهت دار، بیشتر توان تشعشعی به صورت مستقیم و در جهت بهره آنتن ارسال می شود:
چگالی توان (S) که به هدف می رسد از رابطه زیر محاسبه می شود:
که در آن GT بهره آنتن و PT توان منتشر شده توسط آنتن است.
موج برخوردی به پراکنده کننده (SCATTERER- هدفی که تمایل به مخفی کردن آن دارید) باعث تحریک جریان هایی بر روی سطح شده که سپس این جریان ها در سطح جسم باعث ایجاد آنتی متناسب با ابعاد و اشکال جسم شده و با پترن خاص به خود تشعشع می کند. توان بازگشتی PR با معیار سطح مقطع راداری (RCS) اندازه گیری می شود. RCS به مساحت یک آینه ایده آل گفته می شود که توان را به سمت منبع منعکس می کند.
در این معادله AR مساحت گیرندگی آنتن است. مقدار کاهش توان متناسب با (R^4/ ) است. برای اینکه رنج شناسایی را نصف کنیم، مقدار تلفات بازگشتی شیئ به صورت زیر محاسبه می شود:
یک جاذب با مقدار 12dB تلفات بازگشتی به ما اجازه می دهد که دو برابر به یک رادار نزدیک تر شویم، در مقایسه با جسمی با 0dB تلفات بازگشتی، قبل از اینکه ما را شناسایی کند.
سطح مقطع راداری بیشتر توسط شکل جسم تعیین می شود، همان طور که در سه مثال زیر توضیح داده شده هنگامی که یک شیئ نسبت به طول موج برخوردی بزرگ باشد، زیرا این شکل جسم است که تعیین می کند چه میزان از توان برخوردی به شیئ مجددا به سمت منبع منعکس می شود. مثال سمت چپ بیانگر بازتابش آینه ای است، در این حالت بازتابش متناسب با (2^(lambda)/ یک) است. مثال وسطی نشان دهنده دامنه سیگنال بازگشتی از یک استوانه عمودی است. به سیلندرهایی که در نقاط ماکزیمم بازتابش هستند توجه کنید. با این حال، در زوایای معینی میزان بازتابش قابل توجهی وجود دارد. برای یک استوانه سیگنال بازگشتی متناسب با (lambda/یک) است. مثال سمت راست نشانگر یک کره است، که سیگنال را متناسب با شعاع کره (و نه تابعی از طول موج برخوردی) برمیگرداند.
زاویه شیئ بسیار مهم است. بدترین حالت زمانی اتفاق می افتد که موج برخوردی متعامد بر بخش مسطح شیئ باشد، که این امر باعث ایجاد انعکاس آینه ای خواهد شد.
هنگام طراحی برای RCS پایین به رفلکتورهای گوشه ای (corner reflector) توجه داشته باشید. گوشه ها و لبه های داخلی می توانند RCS تان را بیش از آنچه تصور می کنید، افزایش دهند.
اگر این اکو نیز تشعشع کند، نقش بسیار مهمی در میزان RCS خواهد داشت. این امر به دلیل انکسار رخ می دهد، که از ناپیوستگی های روی سطح ناشی می شود. ناپیوستگی ها باعث ایجاد تغییر در شرایط مرزی می شوند، و شرایط مرزی تعیین کننده میزان و نحوه ی توزیع میدان ها هستند. فلزات در فرکانس های رادیویی تقریبا مشابه رسانای الکتریکی کامل (PEC) عمل می کنند. یکی از شناخته شده ترین قوانین ماکسول بیان می کند که: میدان الکتریکی مماسی در سطح یک رسانا صفر است.
هنگامی که میدان الکتریکی مماسی صفر است، انرژی کجا می رود؟ به میدان مغناطیسی تبدیل می شود:
میدان الکتریکی در سطح فلزات معمولا عمود و میدان مغناطیسی مغناطیسی موازی سطح است. در بخش سایه میدان الکتریکی به سطح چسبیده و با سرعت نور بر روی سطح حرکت می کند. بارهایی با بار مخالف می مقدار برابر در سمت دیگر ایجاد شده که تقریبا هیچ استکترینگی ایجاد نمی کنند. در سمت دیگر ما شاهد موج های رونده که شامل امواج برخوردی و بازتابش میشوند، هستیم.
در حالت پولاریزاسیون افقی حاشیه های بیرونی اجسام، مانند بال های یک هواپیما، هستند که به شدت موجب پراکندگی موج می شوند. در لبه ها جریان های بسیار قدرتمندی ایجاد می شود که وظیفه ی آن ها تولید میدانی است که دقیقا میدان الکتریکی مماسی بر روی سطح را صفر کند. واضح است که عمل کاهش RCS برای لبه های بیرونی متفاوت است.
