مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایرانمهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایرانزمین
بله دوستان، زمین همیشه محل با ثبات و خوبی که فکر می کنید نیست. در این مقاله می خوام مثال هایی بزنم که زمین براتون مشکل ایجاد می کنه.
حلقه های زمین: بسیاری از مهندسین و تکنیسن ها نمی دانند که حلقه زمین چیست. این موضوع را در دانشگاه ها تدریس نمی کنند و البته کاربردی نیز برای آن نیست.
در اینجا مثالی آورده ام که برای مهندسان و تکنیسن های مایکروویو آشنا است. یک تقویت کننده توان را روشن کرده تا برای تست RF آماده شود. دو سیم بازگشتی از هر دو منبع تغذیه به یکدیگر متصل هستند، یک نفر بنا به دلیلی خواسته که در مصرف یک تکه سیم صرفه جویی کند. سیم ها دارای حدودا 0.1 اهم مقاومت هستند. شما در شکل زیر می توانید دو حلقه منبع توان رسم کنید، که در مسیر زمین با یکدیگر مشترک هستند. به این وضعیت حلقه زمین یا حلقه های زمین گفته می شود.
رویه متداول برای روشن کردن ترانزیستور شروع کردن از ناحیه pinch off، مثلا ولتاژ (4- ولت) بر روی گیت است. سپس ولتاژ درین را افزایش داده تا به 10 ولت برسد. در واقع با همین کار می توانید باعث ایجاد نوسان شوید. سپس گیت به آرامی افزایش می یابد تا جریان 1 آمپر بر روی منبع ولتاژ دیده شود. شما در این حالت می بینید که فیکسچر تست خودش حدود 0.1- ولت دارد. که این یک خطر بزرگ نیست ولی به دلیل دیگری بد است. سپس DUT با کابل کواکسیال به یک VNA متصل می شود. ناگهان جریان به طرز قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. آیا سیگنال RF، باعث شده که DUT در ناحیه سیگنال بزرگ قرار بگیرد؟ آیا مدار ناپایدار شده است؟ خیر، شما مقدار ولتاژ را به اندازه 0.1 ولت بیشتر افزایش داده اید و این باعث افزایش جریان DC شده است. FET یک منبع جریان کنترل شده با ولتاژ است و در اینجا از کنترل خارج شده است. پس نویز AC موجود در کانکتورهای VNA، که به زمین ما متصل است، که در آن حدود 220 مدار تقویت کننده وجود دارد چه می شود؟ اگر شما این کار را با دو اسپیکر سینمای خانگی (یا استریو اگر بیشتر از 40 سال دارید) انجام دهید، متوجه خواهید شد که صدای آزار دهنده ای به گوش می رسد. اگر این مسئله را در گوگل جستجو کنید با جمله "حلقه زمین" در صفحه ویکی پدیا آشنا خواهید شد. یک اندازه گیری نویز فاز را در حلقه زمین انجام داده و نتایج را برای ما ارسال کنید!
بهترین راه برای متصل کردن دو منبع ولتاژ به یک DUT در یک موقعیت آزمایشگاهی در شکل زیر نشان داده شده است. در اینجا با چهار سیم دو منبع را به DUT متصل کرده ایم. و زمین ایمن تنها به DUT متصل است و اصلا به منابع وصل نمی کنیم. مقاوت سیم ها می تواند باعث اندکی خطا شوند، ولی حداقل دو منبع با یکدیگر به گفتگو نمی پردازند!!! و ولتاژ روی زمین DUT با اتصال به بخش دیگر (مثلا VNA) تغییر نخواهد کرد.
اگر می خواهید واقعا فانتزی باشید، می توانید از کانکتورهای حسگر خط بر روی منبع تغذیه استفاده کنید (کانکتورهایی که به شما برای استفاده نیست...). در این حالت منبع تغذیه خودش را اصلاح می کند. و هنگامی که شما ولتاژ درین را روی 10 ولت می گذارید، منبع تغذیه خطای ناشی از سیم و کابل را جبران می کند.
ولی هشیار باشید، در این حالت نیز دو راه وجود دارد تا برایتان دردسر درست کند. اگر شما کابل های حسگر خط را برعکس وصل کنید، منبع تغذیه ولتاژ خود را افزایش داده و باعث سوختن سخت افزار شما خواهد شد. سپس یک مهندس شایسته را برای "دیدن اتفاقی که افتاده" به محل تست شما می فرستند و او متوجه موقعیت و شرایط خواهد شد، و باید امیدوار باشید که قطعه مورد علاقه این مهندس را نسوزانده باشید. در حالت بدتر ممکن است باعث سوختن یک یا چند تقویت کننده GaN شده و اخراج خواهید شد.
در حالت دیگر ممکن است این خطوط قطع شده باشند. توصیه ما به شما این است که از این خطوط حسگر خط فقط برای ست آپ تست محصول استفاده کنید و فقط توسط مهندسی نصب شوند که مشتاق به کسب شهرت در این زمینه و یا کسب خجالت (اگر اشتباهی پیش آمد) باشد.
توجه داشته باشید که اگر DUT شامل رگولاتورهای ولتاژ باشد و یا جریان اضافی نکشد، شما به هیچ عنوان متوجه ایجاد یک حلقه زمین نخواهید شد. ولی مهندسان شایسته به خوبی به ست آپ شما نگاه خواهند کرد. شما این مشکل را در طول زندگی حدود 10 الی 20 بار می توانید توضیح دهید قبل از اینکه باعث ایجاد یک تراژدی شوید....
راندمان تجهیزات مایکروویو (بخش دوم)
پنج راه اندازه گیری راندمان: راندمان یک تقویت کننده در مهندسی مایکروویو حداقل به پنج روش اندازه گیری می شود، که کاملا گیج کننده هستند. شاید به این فکر کنید که کاش IEEE یک استاندارد بر روی "واژگان راندمان تقویت کننده" داشت، ولی با توجه به دانش ما چنین استانداردی وجود ندارد.
راندمان درین: راندمان درین نام خود را از قطعات FET گرفته است، زیرا تن ها پایه ای که به آن ولتاژ DC متصل می شود، پایه درین است. راندمان درین نسبت توان RF خروجی به توان DC ورودی است:
راندمان درین معیاری برای سنجش میزان تبدیل توان DC به توان RF، برای یک قطعه است. مسئله که در ارتباط با این نوع راندمان وجود دارد این است که توان ورودی به تقویت کننده را در نظر نمی گیرد. در حالت تقویت کننده های یک طبقه، توان ورودی می تواند قابل ملاحظه باشد، زیرا گین یک طبقه چندان زیاد نیست. راندمان درین در تقویت کننده های یک طبقه تقلب یا یکی از روش های بازاریابی حیله گرانه فروشندگان آن ماژول ها به حساب می آید.
توجه داشته باشید که رابطه "راندمان درین" را برای یک محصول با پایه FET مانند pHEMT استفاده می کنید، اگر قطعه مورد استفاده شما BIPOLAR بود مانند HBT، می توانید آن را "راندمان کالکتور" بنامید. روش محاسبه فرقی نمی کند.
راندمان توان افزوده (PAE=POWER ADDED EFFICIENCY): راندمان توان افزودی مشابه راندمان درین است، با این تفاوت که در این روش محاسبه توان ورودی به قطعه نیز در نظر گرفته می شود. PAE یکی از مورد قبولترین و مناسب ترین روش ها برای مقایسه دو قطعه است. بهتر است که قطعه ای با PAE بالاتر انتخاب کنید تا با راندمان درین بالا....
توجه داشته باشید که PAE برای یک تقویت کننده، همانند یک قطعه، نیز به عنوان معیار شایستگی استفاده می شود.
در بحث تئوری یک تقویت کننده با بهره بینهایت دارای راندمان توان افزوده و راندمان درین برابر است. برای یک تقویت کننده واقعی، PAE همیشه کمتر از راندمان درین است. ولی هنگامی که شما دارای 30dB بهره با بیشتر باشید، دو مقدار راندمان بسیار به یکدیگر نزدیک می شوند. زیرا در این حالت توان ورودی کمتر از 1% توان خروجی است. راندمان توان افزوده را می توان بر حسب راندمان درین نیز بیان کرد:
در یک تقویت کننده با بهره 30dB، PAE و راندمان درین فقط به مقدار 0.1 با یکدیگر اختلاف دارند. ماکزیمم PAE ممکن برای یک قطعه معمولا با افزایش فرکانس کاسته می شود. این امر ناشی از این مطلب است که ماکزیمم بهره تقویت کننده ها با افزایش فرکانس کاسته می شود.
راندمان کلی: راندمان کلی نسبت به دو نوع دیگر کامل تر بوده و هر دو نوع توان DC و RF را در نظر می گیرد:
راندمان کلی به طور کامل قوانین ترمودینامیک را در بر دارد. ولی PAE روش محاسبه محبوب در جامعه مایکروویو است.
اگر شما یک ریاضیدان باشید می توانید ثابت کنید که راندمان کلی همیشه بزرگتر از PAE است. البته این اثبات زندگی اجتماعی شما را بهبود نخواهد بخشید و هم چنین اثبات کم اهمیتی خواهد بود، پس خودتون رو به زحمت نندازید.
راندمان تقویت کننده: راندمان یک تقویت کننده چند طبقه را نمی توان راندمان درین کلی نامید زیرا راندمان طبقات مختلف با یکدیگر فرق دارد و این اسم باید برای یک قطعه استفاده شود (البته به نظر من). معمولا طبقه خروجی دارای بیشترین راندمان بوده و راندمان طبقات هر چه به سمت ورودی بروید به تدریج کاسته می شود. این امر لازم است زیرا اگر شما بخواهید مطمئن باشید که دارای DRIVE دارید که باعث به اشباع رفتن طبقه خروجی شود.
"راندمان تقویت کننده" نسبت توان خروجی RF به توان DC ورودی بوده و یکی از بهترین معیارهای شایستگی برای یک تقویت کننده چند طبقه است. در عمل برای یک تقویت کننده با بهره بالا، راندمان تقویت کننده، PAE و راندمان کلی به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک هستند که آن ها را برابر فرض کنیم. راندمان تقویت کننده کننده معیاری قبول شده برای بیان راندمان این محصولات است.
راندمان پریز (Wall-plug): کارهای فراوانی برای راندمان بازار انجام شده است، یا باید بگویم که کارهای بازاری بسیار انجام شده. اگر شما طراحی یک تقویت کننده پالسی را ببینید و کسی بگوید که راندمان زنجیره ارسال 20% است، شروع به سوال کردن کنید. آیا این محاسبه در حالت روشن بودن تقویت کننده انجام گرفته است؟ و یا میانگینی است که شامل حالت آماده به کار تقویت کننده هنگامی که فرستنده خاموش می باشد؟. آیا این مقدار تمامی رگولاتورهای ولتاژ و مبدل های DC را نیز در نظر گرفته است (زیرا ممکن است برخی طبقات GaAs باشند و برخی طبقات GaN که با ولتاژهای درین کاملا متفاوت کار می کنند)؟ افت ولتاژ مدولاتور در نظر گرفته شده است؟ ولتاژ گیت و تقسیم کننده های ولتاژ چطور؟ در این زمان است که طراحی از شما می پرسد: راندمان پریز را می خواهی؟
راندمان وال-پلاگ یعنی شما توان متوسط خروجی RF را با مقادیر دقیق اندازه گیری شده مصرفی که از پریز AC می آید، مقایسه کنید و توان RF ورودی را نادیده بگیرید. رابطه زیر برای راندمان پریز پیشنهاد می شود.
در حالت کالی برای فرکانس های مختلف بر اساس راندمان تقویت کننده های متفاوتی توصیه می شود:
L-BAND: قطعات LDMOS سیلیکونی توصیه می شوند زیرا می توانند به راندمان 60% برسند. با GaN HEMT ها حتی به راندمان های بهتر هم می توان رسید. با استفاده در کلاس E می توانید به راندمان 80% نیز برسید.
X-BAND: تقویت کننده های MESFET با پهنای باند 10% می توانند به 30% راندمان در باند ایکس دست یابند. GaAs pHEMT ها می توانند به 40% راندمان توان افزوده در این باند دست یابند. و GaN HEMT ها راندمان 50% درصدی را به خود اختصاص می دهند. TWTها به طور معمول دارای راندمان 60% می باشند.
WiDEBAND: هرچه پهنای باند بیشتر شود، راندمان پایین تر می آید. زیرا شما دیگر نمی توانید بهترین بار را در آن پهنای باند داشته باشید. تقویت کننده های مدار مجتمع به صورت ذاتی ناکارامد هستند، زیرا این قطعات همگی دارای یک ولتاژ نیستند. بعضی از آن ها در آستانه آتش گرفتن و برخی در همان زمان در حال خاموش شدن هستند.
یک تقویت کننده SSD که در پهنای باند 2 تا 18 گیگاهرتز کار می کند دارای راندمان توان افزوده کمتر از 10% است.
Q and W BANDS: در این فرکانس ها، GaN HEMT ها دارای راندمان توان افزوده 30% در حد یک قطعه و برای یک تقویت کننده دارای PAE حدود 20% می باشند.
راندمان 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.
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.
