مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایران
مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایرانراندمان تجهیزات مایکروویو (بخش اول)
مقدمه ای بر راندمان: راندمان معیاری است که تعیین می کند یک وسیله به چه میزان یک منبع انرژی را به نوع دیگری از انرژی تبدیل می کند. در واقع بخشی از توان که به گرما تبدیل نمی شود اهمیت دارد. گرما تقریبا به طور جهانی محصول نامطلوبی در تبدیل و انتقال انرژی به حساب می آید.
در فرآیندهای دیگری که در زندگی روزانه اتفاق می افتد، ما توقع سطوح متفاوتی از راندمان داریم. موتور اتوموبیل در حالت خوشبینانه حدود 20% از مخزن بنزین را به کار قابل اندازه گیری تبدیل می کند. البته تفاوت بزرگی بین "کار قابل اندازه گیری" و "کار غیر لازم" وجود دارد.
در سلول های خورشیدی، ما توقع داریم که نور خورشید را به الکتریسیته قابل استفاده تبدیل کنیم، و امروزه بازدهی 10% این سلول ها برای شرکت آمورفس بدست آمده است. برای بدست آوردن 100 مگاوات توان، با تابش 1 کیلووات بر متر مربع انرژی خورشیدی، نیاز به یک کیلومتر مربع سلول خورشیدی خواهیم داشت.
در مهندسی مایکروویو علاقه داریم که توان DC را به توان RF تبدیل کنیم. هر چه راندمان تقویت کننده توان بیشتر باشد، تلفن همراه شما مدت زمان بیشتری آماده به کار خواهد بود. زیرا در واقع تقویت کننده های فرستنده هستند که از باتری جریان می کشند. برخی تقویت کننده های کلاس E دارای بازدهی 80% نیز هستند. ولی این الزاما درست نیست، زیرا تقویت کننده گیرنده همواره روشن است در حالیکه تقویت کننده توان تنها در هنگامی که تلفن همراه اطلاعاتی ارسال می کند، روشن می شود. بنابراین طراحان LNA باید بیشتر به بازدهی طراحی شان توجه داشته باشند تا طراحان تقویت کننده های توان.
ماکزیمم بازدهی تجهیزات در حوزه مایکروویو تابعی از فرکانس، دما، سطح توان ورودی، امپدانس بار، نقطه بایاس، مشخصات هندسی قطعه، و امپدانس مشخصه آن است. بازدهی در واقع یک مسئله چند بعدی (MULTI DIMENSIONAL) است، می توان بازدهی مدار را تحت شرایط متفاوت با استفاده LOAD PULL محاسبه کرد.
توجه داشته باشید که قوانین ترمودینامیک به شما اجازه نمی دهند به بازدهی 100% برسید، اصلا اهمیت ندارد که چگونه محاسبه می کنید. برخی رگولاتورهای سوئیچینگ می توانند یک ولتاژ را با بازدهی جالب 90% به ولتاژ دیگر تبدیل کنند.
بازدهی تقویت کننده های توان را می توان با قرار دادن بارهای مناسب برای هارمونیک هایشان، در محل بار و منبع افزایش داد. معمولا با اتصال کوتاه کردن هارمونیک دوم می توان بازدهی تقویت کننده توان را افزایش داد. هامونیک سوم را می توان با یک مدار باز کاهش داد. دست و پنجه نرم کردن با سایر هارمونیک ها به سر دردش نمی ارزد، مگر اینکه قطعه در هارمونیک سوم یا غیره دارای بهره ی قابل توجهی باشد.
اکنون بگذارید دربارۀ موضوع حماقت مایکروویوی صحبت کنیم. فرض کنید که شما یک تقویت کننده را مجددا طراحی کرده و PAE آن را از 20% به 22% رساندید. آیا شما بازدهی را 2% افزایش داده اید؟. خیر، فقط دو صدم افزایش دادی، انیشتین!!
ریاضیات خازن ها
راکتانس خازنی: راکتانس خازنی امپدانس موهومی یک خازن بر حسب اهم است. توجه داشته باشید که علامت منفی که در چارت اسمیت با آن برخورد می کنیم، ضریب بازتابش را به صورت پادساعتگرد می چرخاند. راکتانس خازنی تابعی از فرکانس است.
این رابطه را برای فرکانس بر حسب گیگاهرتز و مقدار خازن بر حسب پیکوفاراد بازنویسی می کنیم.
ضریب کیفیت: ضریب کیفیت معیاری برای سنجش کم تلف بودن یک خازن است:
بنابراین یک خازن 1pF با 0.1Ohm مقاومت دارای Q=159 در فرکانس 10GHz است. فاکتور تلفات در واقع متقابل ضریب کیفیت است:
مقدار تلفات همان خازن در فرکانس 10GHz برابر با 0.6% است.
خازن های دو صفحه موازی: رابطه مشهور خازن دو صفحه موازی با ابعاد بینهایت در زیر داده شده است. بیشتر خازن های صفحه موازی مشابه حالت ایده آل رفتار می کنند زیرا مساحت صفحات آن ها بسیار بزرگتر از فاصله ی بین صفحات است. لازم نیست اثر fringing را در نظر بگیریم، مگر اینکه با خازن های بسیار کوچکی سر و کار داشته باشیم (شاید کمتر از 1pF):
این رابطه ای است که مهندسی مایکروویو ترجیح می دهد از سیستم متریک استفاده کند، زیرا گذردهی الکتریکی خلا همیشه بر حسب فاراد بر متر، نه فاراد بر اینچ، بیان می شود. چون مدارات مایکروویو بسیار کوچکتر از متر هستند این رابطه را بر حسب میلی متر و پیکوفاراد بازنویسی می کنیم:
رزونانس خازنی: اولین رزونانس خازن، فرکانس رزونانس سری است. با توجه به مدل زیر، این فرکانسی است که در آن راکتانس خازنی و راکتانس سلفی برابر با صفر می شوند.
فرکانس رزونانس سری (SRF) : فرکانسی که در آن اندوکتانس سری خازن برابر و مخالف با مقدار خازنی آن می شود. در این نقطه خازن همانند یک مقاومت اندک رفتار می کند. بسیاری از فروشندگان خازن به شما مقدار رزونانس سری را می گویند و نه مقدار Ls. برای محاسبه Ls بر حسب نانو هانری از روابط زیر استفاده می کنیم:
فرکانس رزونانس موازی (PRF) : تقریبا در دو برابر فرکانس SRF اتفاق می افتد. معمولا هیچ کاربرد تجاری ای برای یک خازن در نزدیکی فرکانس PRF وجود ندارد، زیرا در این فرکانس همانند یک مدار باز عمل می کند.