5G

تا کنون تقریبا همه درباره نسل آینده شبکه های بی سیم (5G) شنیده اند. تغییرات عمده انتقال فرکانس حامل به موج های میلی متری و استفاده از شماهای پیچیده مدولاسیون است. در این نسل می توان انتظار سرعت های بالا تا حدود 10Gb/s، تاخیر کمتر (کمتر از 1mS) و ارتباطات کامل دو طرفه ویژگی هایی خواهد بود که در یک تلفن همراه می توان داشت. 

اگر شما دانشجوی RF هستید یا یک مهندس  به دنبال تحول بزرگ بعدی، این حوزه وسیع به نظر دارای حدود 10 سال ادامه خواهد داشت با بودجه ای که به نظر نمی رسد توسط کنگره قطع شود. بدون هیچ پرسشی ماشین های بدون راننده متداول خواهند شد، ولی هیچ رباتی نمی تواند جایگزین انسان شود اگر بتوانیم اینترنت اشیا را توسعه دهیم که موجب رانندگی ایمن تر با استفاده از تکنولوژی 5G خواهد شد. 

تا کنون در سال 2016، 5G هنوز به صورت یک استاندارد در حال توسعه است. تکنولوژی کنونی در فرکانس حدود 2.7GHz با نرخ انتقال داده نهایتا 1Gb/S است. 5G تا 60GHz پیش خواهد رفت و نرخ انتقال داده 10Gb/S را فراهم می کند. بنظر می رسد مشابه تمامی نسل های پیشین اندکی طول خواهد کشید تا 5G تجاری شود، با فعالیت های کنونی حدود سال 2020 به بازار خواهد آمد. MIMO وسیع یکی از حوزه های هیجان انگیز تحقیقات بی سیم 5G بوده که باعث فراهم کردن نرخ داده بیشتر برای کاربران خواهد بود. 

کانال تلگرام

صفحه Linkedin

مهندس مایکروویو کیست؟

در ابتدا باید یادآوری کرد که الکترونیک در حوزه مایکروویو در بخش آنالوگ فعالیت می کند. اگر بخواهیم به طور خلاصه بیان کنیم که چه چیز یک مهندس مایکروویو را از یک مهندس برق عادی متمایز می کند، تعدادی از مفاهیم است که یک مهندس مایکروویو را می سازد. این مفاهیم پارامترهای S، چارت اسمیت، دسیبل، خطوط انتقال (شامل موجبر، که در واقع یک خط انتقال نیستند ولی عملکرد مشابهی دارند) و عمق پوستی هستند. توجه داشته باشید که ما آنتن را بیان نکردیم، زیرا مبحث آنتن را بسیار متفاوت و دور از مهندسی مایکروویو میدانیم. مسئله جالب این است که شما می توانید در هر یک از این مباحث خبره و کارشناس شوید بدون اینکه ریاضیات پیشرفته و یا حتی تحصیلات آکادمیک داشته باشید، ولی بدون داشتن مدرک دانشگاهی بدست آوردن شغلی در این صنعت با عنوان مهندس برایتان بسیار سخت خواهد بود. 

اندکی نصیحت و پیشنهاد: اگر می خواهید در این حوزه (یا هر حوزه دیگر) موفق شوید مهم ترین مسئله علاقه به کارتان است. هیچ چیز از شور و اشتیاق پیشی نمی گیرد، حتی مغزهای بزرگ. اگر شما مایکروویو را به صورت ویژه جذاب برای خودتان پیدا نکردید، به دنبال کار دیگری برای خودتان بگردید. 

کانال تلگرام

صفحه Linkedin

چرا 50 اهم؟ (ماکزیمم توان قابل انتقال)

مقدار بیشینه توان قابل در کابل کواکسیال با ولتاژ شکست دی الکتریک کابل رابطه دارد. ممکن است بخواهید فاصله بین هادی داخلی کابل کواکسیال و هادی خارجی (شیلد) را افزایش دید تا از آرک الکتریکی جلوگیری کنید. بنابراین ممکن است تصمیم بگیرید که هادی داخلی را تا جایی که می توانید نازک می کنید، ولی این روش اشتباهی است. توزیع میدان الکتریکی ماکزیمم در کابل کواکسیال کاملا متفاوت با رساناهایی با دو صفحه موازی است. در زیر معادله "بهبود میدان" وجود دارد که بیانگر میزان تفاوت نسبت به صفحات موازی است:

Beta=(a/r)/[ln(1+a/r)]

a مقدار gap بین رساناها و r شعاع رسانای داخلی است. این رابطه از کتاب گیلمر گرفته شده است. در این جا نیز باید امپدانس مشخصه را در نظر بگیرید زیرا توان با رابطه V^2/z0 بیان می گردد.

یک راه برای محاسبه ماکزیمم توان قابل انتقال فرض کردن یک میدان الکتریکی بحرانی بوده که اگر فراتر از آن برم، شکست الکتریکی رخ می دهد. ما در اینجا مقدار 100هزار ولت بر متر را انتخاب می کنیم. سپس میدان الکتریکی ای که باید در gap ایجاد شود را بدون توجه به ساختار کابل کواکسیال (فرض می کنیم رسانای داخلی و خارجی صفحات موازی هستند)، محاسبه می کنیم. سپس  از معادله "بهبود میدان" در بالا (که مقداری بزرگتر از 1 است) استفاده می کنیم. پس توان بیشینه برابر با مقدار Vcritical^2/2*z0 خواهد بود. عدد 2 در مخرج به این دلیل است که Vcritical یک مقدار بیشینه است و نه مقدار rms.

بهترین انتقال توان در امپدانس مشخصه 30 اهم اتفاق می افتد. 

ولتاژ شکست یک کابل کواکسیال با دی الکتریک هوا تابعی از فشار اتمسفر (یا ارتفاع)، دما، رطوبت، و حتی صافی سطح است. حال مسئله این است که چگونه می توانیم قابلیت های توانی کابل کواکسیال را افزایش دهیم. می توانیم به راحتی یک دی الکتریک مانند PTFE مقدار ولتاژ بسیار بالاتر از ولتاژ شکست هوا به ضریب 10 و یا بیشتر خواهد شد. 

مقدار میانی 50 اهم: میانگین حسابی بین 30 اهم (بهترین قابلیت توانی) و 77 اهم (کمترین تلفات انتقالی) برابر با مقدار 53.5 و واسطه هندسی 48 است. بنابرین انتخاب 50 اهم مصالحه ای بین قابلیت انتقال توان و تلفات سیگنال بر واحد طول برای دی الکتریک هوا است. 

کانال تلگرام

صفحه Linkedin

چرا 50 اهم؟

بسیاری از تجهیزات مایکروویو در سیستم های 50 اهمی کار می کنند (تجهیزاتی در سیستم های 75 اهم کار می کنند). اکنون این سوال مطرح است، چرا این استاندارد انتخاب شده است؟

استاندارد سازی امپدانس پنجاه اهم به زمان تولید و توسعه کابل های کواکسیال برای استفاده در فرستنده های رادیویی کیلو واتی 1930 بر می گردد. یک توضیح مناسب برای انتخاب امپدانس 50 اهم در کتاب تیوب های مایکروویو گیلمر وجود دارد. پاسخ سریع مربوط به ایجاد تعادل مناسب توسط امپدانس 50 اهم،  بین ماکزیمم توان انتقالی و تلفات اندک در  کابل های کواکسیال با دی الکتریک هوا  است.

تلفات کابل بر حسب امپدانس: برای سیگنال های RF، مقاومت در واحد طول یک کابل کواکسیال توسط مساحت پیرامونی فلز رسانای ناشی از اثر عمق پوستی و نه تمامی سطح مقطع محاسبه می شود. در زیر معادله تلفات در واحد طول برای کابل های کواکسیال برای مقدار دی الکتریک و فلز رسانای دلخواه آورده شده است:

شما تصور می کنید که یک رسانای ضخیم باید همیشه دارای تلفات عبوری کمتری باشد زیرا دارای مساحت پیرامونی بیشتری (مولفه یک بر روی d  باعث کاهش تلفات با افزایش d  می شود)  است. ولی شما اشتباه می کنید، زیرا امپدانس مشخصه کابل دارای مولفه log(D/d) در مخرج بوده که باعث افزایش امپدانس مشخصه با افزایش d می شود. 

به منظور رسم منحنی تلفات در واحد طول بر حسب امپدانس مشخصه، به رابطه امپدانس مشخصه کابل کواکسیال توجه می کنیم. امپدانس مشخصه یک کابل کواکسیال به صورت زیر محاسبه می شود:

اکنون می توانیم منحنی تلفات در واحد طول بر حسب امپدانس مشخصه را رسم کنیم. با رسم این مشخصه متوجه می شویم که مقدار تلفات در واحد طول در امپدانس 77 اهم، برای هر کابلی با دی الکتریک هوا، به حداقل خود می رسد.

ادامه دارد....

کانال تلگرام

صفحه Linkedin

دسیبل

یک دسیبل نسبت لگاریتمی متداولی از دو سطح توان RF یا دو سطح ولتاژ RF است (معمولا سطوح توان یا ولتاژ ورودی و خروجی). مزیت استفاده از محاسبات لگاریتمی در این است که ضرب به جمع و تقسیم به تفریق تبدیل می شود. فرمول محاسبه نسبت توان ها به dB به صورت زیر است:

(10xlog(power level2/power level1

(10xlog(voltage level2/voltage level1

البته توجه داشته باشید که در مایکروویو ما بیشتر به سطوح توان اهمیت می دهیم تا سطوح ولتاژ، به همین دلیل سیگنال های مایکروویو بیشتر با واحد میلی وات سنجیده می شوند و نه میلی وات. در صورت دانستن امپدانس مشخصه سیستم می توان به راحتی توان را به ولتاژ و یا ولتاژ را به توان تبدیل کرد. 

مفهوم دسیبل: دسیبل یک راه بسیار مناسب برای صحبت درباره افزایش (گین) یا کاهش (تلفات) بدون صحبت درباره مقدار حقیقی توان یا ولتاژ است. به خاطر داشته باشید که دسیبل یک واحد مانند میلی متر یا اینچ نیست، بلکه یه نسبت است. یک مقدار منفی dB بیانگر تلفات یا کاهش سطح توان و یک مقدار مثبت dB بیانگر افزایش بهره و یا افزایش توان سیگنال است. هنگامی که در مورد تلفات به dB صحبت می کنیم، متداول است که علامت منفی را بیان نکنیم. مثلا یک تضعیف کننده 10dB دارای 10dB تلفات بوده، در حالیکه دارای 10- دسیبل بهره است. 

در حوزه مایکروویو از واحدهای dBm (دسیبل نسبت به میلی وات) و یا dBW (دسیبل نسبت به وات) استفاده می شود. باز هم همان محاسبات لگاریتمی در اینجا هم وجود دارد، در اینجا شما تنها یک سطح توان را به نسبت 1mW محاسبه می کنید. 10dBm معادل 10mW، و 20dBm معادل 100mW و 30dBm معادل 1000mW (یا یک وات) است. 

در زیر مقادیر حدودی برخی نسبت های دسیبلی متداول آورده شده است.

30 dB is an increase of 1000X in power

20 dB is an increase of 100X in power

10 dB is an increase of 10X in power

6 dB is an increase of 4X in power

3 dB is an increase of 2X in power

2 dB is an increase of 1.6X in power

1 dB is an increase of 1.25X in power

0 dB is no increase or decrease in power

-1 dB is a decrease of 20% in power

-2 dB is a decrease of 37% in power (roughly a decrease of 1/3)

-3 dB is a decrease of 50% in power

-6 dB is a decrease of 75% in power

-10 dB is a decrease of 90% in power

-20 dB is a decrease of 99% in power

-30 dB is a decrease of 99.9% in power

کانال تلگرام

صفحه Linkedin