Latest News

מנחתים מוליכי גלים על קצה המזלג

מנחתים הם מכשירים פאסיביים בעלי 2 פורטים המסוגלים לפזר אנרגיית גלי מיקרו באופן אינקרמנטלי. יש להם מגוון שימושים ובאופן תדיר נעשה בהם שימוש בתרחישי בדיקה כמחיצות למניעת נזק לציוד בדיקה רגיש ויקר. מנחתים משתנים ניתנים לשימוש בבקרה על הגברה במערכת דרך פלט מקור גלי המיקרו בניגוד לשינוי הקלט במטרה לשמור על יחס רצוי של אות לרעש. מנחתים מתוכננים להחזרות (reflections) מינימליות ויחס נמוך של מתח גל רדיו עומד (VSWR) כדי למנוע החזרות הרסניות חזרה למקור.

תאוריה: עיקרון החיתוך.

הנחתת מוליכי גלים מבוססת במקרים רבים על עקרון חיתוך בו קטע במוליך הגלים פועל בתדר נמוך בהרבה מתדר החיתוך – תדר המתואם ישירות עם מימדי מוליך הגלים, אשר מתחתיו לא מסוגל מוליך הגלים להעביר אותות. עבור מוליך גלים מרובע אורך הדופן הרחבה שווה ככלל ל ½ מאורך גל תדר החיתוך הנמוך. על כן תתפזר אנרגיית המיקרוגל במהירות רבה בקטעים בהם מישור ה H מעוכב כפי שנראה בתרשים 1. קצב דעיכה זה הוא אקספוננציאלי לאורך מסלול השידור של האות. ככל שגדל תדר החיתוך, כך גם קצב ההנחתה של המצבים מתחת לתדר החיתוך. ומאחר ומוליכי גלים מסוגלים לפעול במצבים שונים המתקיימים בו זמנית, המצב הדומיננטי הוא זה שבשימוש; המצב בעל קצב הדעיכה הנמוך ביותר ותדר החיתוך הנמוך ביותר [1].

Propagating wave – גל מתפשט

Evanescent waves – גל אוונסנטי

תרשים 1: שינוי באורך הדופן הרחבה מנחית במהירות את האות לאורך מוליך הגלים. באופן טבעי, ישנו גם VSWR גבוה כתוצאה מהחזרות מאי רציפויות.

מקור: Chegg

קצב ההנחתה עבור מוליך גלים מרובע עם מצב TE10 דומיננטי בתדירויות מתחת לחיתוך ניתן להגדרה בעזרת משוואה 1 [2]. ההנחתה עבור מוליך גלים עגול עם מצב TE11 בתדירויות מתחת לחיתוך מוגדרת בעזרת משוואה 2 [1].

 

 

כאשר  היא ההנחתה,  היא עומק מעטפת המוליך, a היא רדיוס מוליך הגלים העגול,  היא תדירות החיתוך ב GHz, ו-  היא אורך גל החיתוך בסנטימטרים.

מנחת מוליך גלים מקובע

מנחת מוליך גלים מקובע בדרך כלל כולל שכבה כגון זכוכית הממוקמת בתוך מוליך הגלים. כפי שנראה בתרשים 2, הכרטיס המתנגד ממוקם באמצע, במקביל לציר האורך ולמקסימום השדה החשמלי כאשר כל קצה מחודד ומצביע ישירות לכוון הגל הנכנס על מנת למזער החזרות הנגרמות כתוצאה מאי רציפויות. האורך הוא בדרך כלל שני אורכי גל (2ƛ) בעוד אורך החלק המחודד הוא בערך חצי אורך גל (ƛ/2). החומר המתנגד, תפקידו הוא לשמור על הפסד כניסה אחיד לאורך תדירויות נבחרות בעוד החלק המחודד מכוונן עבור VSWR נמוך יותר.

תרשים 2: האלמנט המתנגד גורם להנחתות בעוד החוד ממזער החזרות. צורת החוד משתנה בין חוד יחיד לשני חודים.

מקור: [2]

משתנה מתמשך

הנחתה משתנה מתמשכת מושגת במוליך כלים על ידי התאמה אנכית של ה lossy dielectric fins על מנת להפחית אינקרמנטלית את רמת האנרגיה של האות בפלט. זאת ניתן לבצע על ידי מברג מיקרומטרי (תרשים 3a) או עם התאמה מסוג flap בה החומר המנחית מורכב על זרוע ניתנת להזזה (תרשים 3b). ככל שגדלה החדירה של ה lossy vane, כך תגדל גם ההנחתה. ניתן לעצב את הלוח הדיאלקטרי באופן ספציפי (לעתים קרובות הוא מעוצב בצורת דיסק) כך שההנחתה יכולה להשתנות ליניארית עם ההכנסה. מנחת מוליך הגלים מסוג flap עבר מספר שינויים לשיפור את ליניאריות הפסד הכניסה בפוזיציות מכניות. תצורות ישנות יותר מערבות השהיה ידנית של האלמנט כדי לקבוע מראש פוזיציות קבועות שיכולות להשתנות במשך הזמן כתוצאה משחיקה ובכך לסכן את התנודות [6]. תצורות מסויימות מערבות חומר מבודד בצורת דיסק מושהה לתוך מוליך הגלים דרך מבנה אחיזה. הסיבוב המתמשך של צד אחד של הדיסק מניב הנחתה סינוסואידלית בעוד הצד השני של הסידק מעוצב בצורה המפצה על שינוי הפאזה בשימושים מדוייקים [5].

מנחתים נוספים מסוג flap מותאמים בעזרת מישור אורתוגונלי לזרוע הנעה כך שהאלמנט מוכנס אל תוך מוליך הגלים כפונקציה של המיקום הזויתי [4].

More precision flap-type attenuators are adjusted via a plane orthogonal to the moving arm so that the element is inserted into the waveguide as a function of angular position [4].

 

Resistive film – שכבה מתנגדת

Micrometer – מיקרומטר

Resistive card slot – חריץ לכרטיס מתנגד

Adjusting knob – כפתור התאמה

Dial – מחוגה

תרשים 3: מנחתים משתנים ידניים מפעילים סוג כלשהו של התאמה מכאנית כגון בורג, מיקרומטר, או כפתור. מנחתים ממונעים דורשים סיבוב מתמיד של הלוח המתנגד כך שבקרת השינוי מושגת במקרים רבים על ידי מנועים מכווננים במתח.

מקור: [5][6][7]

מנחתים אלה אינם מתוכננים ספציפית עבור הספק גבוה בשל היכולת הירודה להתמודד עם התחממות הרכיב המתנגד. לדוגמה, מנחתים קואקסיאליים בהספק גבוה מכילים אלמנטים מתנגדים על מצע קראמי מבודד הנמצא במגע ישיר עם סופג חום אליו החום עובר במהירות על ידי צלעות אלומיניום מצופות בתהליך אלגון. לא ניתן להשיג זאת במנחת מוליך גלים בו הכרטיס המתנגד מושהה בחריץ מאחר ואין בנמצא דרך יעילה למקם רכיב ספיגת חום באופן מספק. מאחר והדיאלקטרי בעל מוליכות חום נמוכה בהרבה מזו של מתכת, מנחתים אלה אינם יכולים לפעול בשימושים בהספק גבוה.

Vane רוטורי

מנחתים מסוג Vane רוטורי באופן טיפוסי מורכבים משלושה חלקים של מוליך גלים מעגלי המכיל כרטיס מתנגד בעל צורה מיוחדת. כפי שנראה בתרשים 4, החלק האמצעי מסתובב על ציר בזמן שהקצוות – בדרך כלל מוליך ממרובע לעיגול – נשארים סטאטיים. כאשר כל שלושת הכרטיסים נמצאים על מישור, או מאונכים לשדה החשמלי, לא מתבצעת הנחתה. ספיגה מלאה מתרחשת כאשר הכרטיס המתנגד המרכזי מסובב ב 90o , או מקביל לשדה החשמלי [9]. ערכי הנחתה משתנה מתרחשים בזויות יחודיות ביחס לשדה החשמלי, מה שמאפשר הפסד כניסה מדוייק מאד. התועלת ממכשיר זה היא הדיוק ודו הכווניות בעוד חלק מפרטי התכנון עשויים להיות שינוי הפאזה והאורך אשר משתנים כפונקציה של תדירות.  בנוסף על כך, קירור סוגים אלה של מנחתים עלול להיות קשה להשגה מאחר וקשה להגיע מהמצע הדיאלקטרי ל vane המתנגד בתוך מוליך הגלים.

 

Conductive septum – מחיצה מוליכה

Rotatable joint – מפרק מסתובב

 

תרשים 4: מנחתי vane רוטורי הם בעלי שלולשה חלקים ומרכז המסתובב ביחס לשדה החשמלי. סוג זה של מנחתים מוליכי גלים הם לרוב המדוייקים ביותר.

מקור: [8]

 

מנחתים מוליכי גלים בהספק גבוה

Vane רוטורי בהספק גבוה

בגרסה נוספת של מנחת vane רוטורי קיימים חריצים העוברים לאורך מוליך גלים מעגלי. אנרגיית מיקרו גל מונחתת תוך כדי סיבוב מיקום החריצים על ידי התנגדות לזרמים בדפנות מוליך הגלים. האנרגיה מתפזרת דרך קו תמסורת לוח מקביל ליד החריץ. קוי תמסורת הלוחות המקבילים ה lossy ניתנים להרכבה על משטח מוליך חום לבקרת חום פשוטה יותר. בנוסף על כך, קירור בהולכה ניתן לביצוע בעזרת פיזור אויר או נוזל בתוך האיזור הסגור. [10].

מנחתים משתנים בהספק גבוה

מנחתים משתנים בהספק גבוה מכילים לעתים קרובות שלושה פורטים כאשר האחד מאפשר לאנרגית המיקרו גל להתנקז לסוג כלשהו של רכיב ספיגה בהספק גבוה. הרכב אחד מכיל סירקולטור בעל 3 פורטים בתוך קו תמסורת המבקר של שידור האות כך שהאנרגיה הנקלטת נשלחת לתוך הפורט השני שם מתרחש הכוונון. בפורט זה, ניתן לכוונן את מוליך הגלים כך שהחזרות נשלחות אל תוך הסירקולטור ולפלט (פורט שלישי) על מנת להניב ערך הנחתה מסויים. שאר האות בפורט השני נספג על ידי רכיב הספיגה אותו ניתן לקרר בקלות רבה יותר בעזרת מיים או סירקולציית אויר [11].

סיכום

ישנם שלושה סוגים של מנחתי מוליכי גלים: מקובע, משתנה מתמשך, ו vane רוטורי. בעוד כל המנחתים הללו מנצלים את עיקרון חיתוך התדר, כל אחד מהסוגים הוא בעל וריאציות תכנון אלקטרומכאניות שונות להן ניתן לבצע אופטימיזציה עבור יותר דיוק, אורך חיים, VSWR, או התמודדות עם הספק. ההרכב הטוב ביותר עבור שימוש ספציפי תלוי בחלק ממשתנים אלה. מנחתים מוליכים מציעים תכנון פשוט יותר בהרבה פחות VSWR מאשר החלופות שלהם – מנחתים קואקסיאליים, מאחר ועל המהנדס לקחת בחשבון את ההפסדים הנגרמים ממתאמי מוליכי גלים לקואקסיאלי.

מקורות:

  1. Adair, Robert T. “A precision 30 MHz waveguide-Below-Cutoff attenuator with an absolute electronic readout :” 1976, doi:10.6028/nbs.ir.76-833.
  2. https://www.electronics-cooling.com/2017/11/thermal-management-considerations-high-power-coaxial-attenuators-terminations/#
  3. https://www.electronics-cooling.com/2017/11/thermal-management-considerations-high-power-coaxial-attenuators-terminations/#
  4. https://www.google.com/patents/WO1999001906A1?cl=en
  5. https://www.google.com/patents/US3209288
  6. https://www.google.com/patents/US2619538
  7. Das, Annapurna, and Sisir K. Das. Microwave engineering. Tata McGraw-Hill, 2009.
  8. https://www.google.com/patents/US2603710
  9. Fundamentals of Microwave and Radar Engineering By K K Sharma.
  10. https://www.google.com/patents/US3562679
  11. https://www.google.com/patents/US6066992

 

 

 

 

 

 

 

 

 

תגובות סגורות