الدليل الموجي للميكروويف - Waveguide Microwave

إذا كان تردد إشارة أو نطاق معين من الإشارات مرتفعاً، فإنّ استخدام النطاق الترددي يكون مرتفعاً لأنّ الإشارة توفر مساحة أكبر لتتراكم الإشارات الأخرى، كما لا يمكن للإشارات عالية التردد أن تنتقل لمسافات أطول دون أن تضعف، ويفضل استخدام الدليل الموجي بشكل عام في اتصالات الميكروويف حيث أنّه شكل خاص من خطوط النقل، وهو عبارة عن أنبوب معدني مجوف على عكس خط النقل لا يحتوي الدليل الموجي على موصل مركزي.

ما هي موجهات الموجة – Waveguides؟

الموجهات الموجية (Waveguides): عبارة عن مغذيات (RF) تُستخدم في ترددات الميكروويف حيث تكون قادرة على توفير مستويات منخفضة جداً من الفقد، وهي شكل من أشكال وحدة التغذية اللاسلكية أو خط النقل المستخدم في ترددات الميكروويف.

تنتشر الموجات الدقيقة من خلال دوائر الميكروويف والمكونات والأجهزة التي تعمل كجزء من خطوط نقل الميكروويف والتي تسمى على نطاق واسع باسم الموجات الموجية، كما يُسمى الأنبوب المعدني المجوف ذو المقطع العرضي المنتظم لنقل الموجات الكهرومغناطيسية عن طريق الانعكاسات المتتالية من الجدران الداخلية للأنبوب باسم الدليل الموجي.

أساسيات وحدة تغذية الدليل الموجي:

تُستخدم أدلة الموجات في مجموعة متنوعة من التطبيقات لنقل طاقة التردد اللاسلكي من نقطة إلى أخرى، كما يُمكن وصفها بأنّها نظام من المواد مصمم لحصر الموجات الكهرومغناطيسية في اتجاه تحدده حدوده المادية.

تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء المفتوح في جميع الاتجاهات ويمكن اعتبارها موجات كروية تنتقل من مصدر مركزي، ونتيجةُ لذلك تتناقص شدة الطاقة مع زيادة المسافة أي تتناسب مع قوة المصدر مقسومة على مربع المسافة حيث يعمل الدليل الموجي عن طريق حصر الموجة الكهرومغناطيسية بحيث لا تنتشر ويتم التخلص من الخسائر الناتجة عن هذا التأثير، وعادةً ما يُفكر في الدليل الموجي إذا كان كخط نقل يشتمل على أنبوب موصل مجوف، والذي قد يكون مستطيلاً أو دائرياً تنتشر فيه الموجات الكهرومغناطيسية.

على عكس الكابل المحوري الذي يُعد خط نقل حيث لا يوجد موصل مركزي داخل الدليل الموجي، كما تنتشر الإشارات داخل حدود الجدران المعدنية التي تعمل كحدود ويقتصر انتشار الإشارة على الانعكاس الداخلي الكلي من جدران الدليل الموجي، كما لن تحمل الأدلة الموجية أو تنشر إلّا إشارات فوق تردد معين يُعرف بتردد القطع، وأسفل هذا الدليل الموجي غير قادر على حمل الإشارات كما أن هذه معلمة مهمة وواحدة من أهم المواصفات الأساسية لتشغيلها، ولهذا السبب تُستخدم موجهات الموجات عادةً فقط في ترددات الميكروويف.

أنواع مغذي الدليل الموجي:

1. الدليل الموجي المستطيل – Rectangular waveguide:

هذا هو الشكل الأكثر استخداماً للدليل الموجي وله مقطع عرضي مستطيل حيث تحدد الاتجاه من جوانب المقطع العرضي العناصر بما في ذلك تردد القطع.

2. الدليل الموجي الدائري – Circular waveguide:

هذا أقل شيوعاً من الدليل الموجي المستطيل حيث لديهم العديد من أوجه التشابه في نهجهم الأساسي، وعلى الرغم من أنّ الإشارات غالباً ما تستخدم أسلوباً مختلفاً للانتشار ويكون القطر مهم لأنّ هذا يحدد نطاق التشغيل.

3.مخطط لوحة الدائرة الكهربائية – Circuit board strapline:

يستخدم هذا الشكل من الدليل الموجي على لوحات الدوائر المطبوعة كخط نقل لإشارات الميكروويف، كما يتكون عادةً من خط بسُمك معين فوق مستوى أرضي وسمكها يحدد الممانعة.

مزايا وحدة تغذية الدليل الموجي:

• خسارة منخفضة للغاية.

• يمكن أن تعمل على ترددات عالية جداً.

عيوب وحدة تغذية الدليل الموجي:

• مكلفة.

• غير مرن أي توجد بعض الأنواع المرنة ولكنّها غالية الثمن بشكل خاص.

• يتطلب حواف ومحولات خاصة لربط الأقسام معاً.

أوضاع الدليل الموجي:

1. وضع الموجات الكهربائية العرضية – TE:

يعتمد وضع الدليل الموجي هذا على الموجات الكهربائية المستعرضة والتي تسمى أحياناً موجات (H)، والتي تتميز بحقيقة أنّ المتجه الكهربائي (E) دائماً ما يكون متعامداً مع اتجاه الانتشار.

2. وضع الموجات المغناطيسية المستعرضة – TM:

تتميز الموجات المغناطيسية المستعرضة والتي تسمى أيضاً موجات (E) بحقيقة أنّ المتجه المغناطيسي أي ناقل (H) دائماً ما يكون عمودياً على اتجاه الانتشار.

3. وضع الموجة الكهرومغناطيسية المستعرضة – TEM:

لا يمكن نشر الموجة الكهرومغناطيسية المستعرضة داخل الدليل الموجي، ولكن يتم تضمينها للتأكد من اكتمالها، كما إنّه الوضع المستخدم بشكل شائع داخل مغذيات الأسلاك المحورية والمفتوحة، حيث تتميز موجة (TEM) بحقيقة أنّ كلاً من المتجه الكهربائي متجه (E) والمتجه المغناطيسي متجه (H) متعامدين مع اتجاه الانتشار.

قواعد أوضاع الدليل الموجي:

• بالنسبة إلى الأدلة الموجية المستطيلة، فإنّ وضع (TE10) للانتشار هو أدنى وضع مدعوم.

• بالنسبة إلى الأدلة الموجية المستطيلة يحدد العرض أي البعد الداخلي الأوسع للمقطع العرضي، تردد القطع الأدنى ويساوي (1/2) الطول الموجي لتردد القطع السفلي.

• بالنسبة إلى الأدلة الموجية المستطيلة يحدث الوضع (TE01) عندما يساوي الارتفاع (1/2) الطول الموجي لتردد القطع.

• بالنسبة إلى الأدلة الموجية المستطيلة يحدث (TE20) عندما يساوي العرض طولاً موجياً واحداً لتردد القطع المنخفض.

مقاومة الدليل الموجي:

• تحديد مقاومة الدليل الموجي باستخدام الجهد يكون فرق الجهد بين الجدران العلوية والسفلية في منتصف الدليل الموجي ثم أخذ قيمة التيار لتكون القيمة المتكاملة عبر الجدار العلوي، وإنّ النسبة تعطي الممانعة.

• قياس مقاومة الدليل الموجي هو استخدام الجهد ثم استخدام تدفق الطاقة داخل الدليل الموجي.

• يمكن تحديد مقاومة الدليل الموجي بأخذ نسبة المجال الكهربائي إلى المجال المغناطيسي في مركز الدليل الموجي.

مقاومة الدليل الموجي ومعامل الانعكاس:

للحصول على أفضل نقل للطاقة بين الدليل الموجي ومصدره أو حمله، يجب أن تكون معاوقة كلا العنصرين عند التقاطع هي نفسها، أمّا عندما لا تتطابق مقاومة الدليل الموجي بدقة مع الحمل ينتج عن ذلك موجات واقفة حيث لا يتم نقل كل الطاقة، وبالمثل عندما يوفر المصدر الطاقة إلى الدليل الموجي ويوجد عدم تطابق في الممانعة، فلا يمكن نقل كل الطاقة المتاحة.

مطابقة مقاومة الدليل الموجي:

• استخدام التغييرات التدريجية في أبعاد الدليل الموجي.

• استخدام قزحية الدليل الموجي.

• استخدام عمود الدليل الموجي أو المسمار.

استخدام العناصر بما في ذلك قزحية الدليل الموجي أو عمود الدليل الموجي أو اللولب له تأثير يتجلى على مسافة ما من العائق في الدليل حيث أنّ الحقول الموجودة بالقرب من قزحية أو لولب الدليل الموجي معطلة.

كما وجد أنّ التغييرات المفاجئة في الدليل الموجي ستؤدي إلى انقطاع من شأنه أن يخلق موجات واقفة حيث يُنظر إلى هذا على أنّه عدم تطابق في المعاوقة، ومع ذلك فإنّ التغييرات التدريجية في الممانعة لا تسبب هذا لأنّ التغيير التدريجي يُنظر إليه على أنّه عنصر مطابق في النظام وليس عدم تطابق.

يتم استخدام هذا النهج مع هوائيات البوق وهي عبارة عن هوائيات على شكل قمع توفر مطابقة معاوقة الدليل الموجي بين الدليل الموجي نفسه والمساحة الخالية من خلال توسيع أبعاد الدليل الموجي تدريجياُ، وهناك ثلاثة أنواع أساسية من بوق الدليل الموجي التي يمكن استخدامها:

• مستوى (E).

• مستوى (H).

• شكل هرمي.

مطابقة المعاوقة باستخدام قزحية الدليل الموجي:

يمكن توفير مطابقة المعاوقة داخل الدليل الموجي باستخدام قزحية الدليل الموجي، وقزحية الدليل الموجي هي بشكل فعال عائق داخل الدليل الموجي يوفر عنصر سعوي أو حثي، وبهذه الطريقة يكون هذا العنصر قادراً على توفير المطابقة المطلوبة للمقاومة المميزة للدليل الموجي، كما يقع العائق أو قزحية الدليل الموجي في المستوى العرضي للمجال المغناطيسي أو الكهربائي، وتضع قزحية الدليل الموجي مواسعة تحويلية أو محاثة عبر الدليل الموجي، وتتناسب طردياً مع حجم قزحية الدليل الموجي.

يتم وضع قزحية الدليل الموجي الحثي داخل المجال المغناطيسي، ويتم وضع قزحية الدليل الموجي السعوي داخل المجال الكهربائي، كما يمكن أن تكون هذه عرضة للانهيار في ظل ظروف الطاقة العالية وخاصةً قزحية مستوى (E) لأنّها تركز على المجال الكهربائي، كما يمكن أن يحد استخدام قزحية الدليل الموجي أو المسمار أو العمود من قدرة معالجة الطاقة.

يمكن استخدام مزيج من قزحيات الدليل الموجي للمستوى (E وH) لتوفير تفاعل حثي وسعي، وهذا يشكل دائرة مضبوطة، أمّا عند الرنين تعمل القزحية بمثابة تحويلة مقاومة عالية فوق الرنين أو تحته كما تعمل القزحية كمفاعلة سعوية أو استقرائية.

مطابقة المعاوقة باستخدام عمود الدليل الموجي أو المسمار:

يمكن استخدام العمود أو اللولب لإعطاء تأثير مماثل للمعاوقة باستخدام قزحية الدليل الموجي وبالتالي توفير مطابقة معاوقة الدليل الموجي، وعامود الدليل الموجي أو المسمار مصنوع من مادة موصلة لجعل المنشور أو اللولب حثياً، كما يجب أن يمتد من خلال الدليل الموجي ويتلامس تماماً مع الجدران العلوية والسفلية، أمّا بالنسبة للمفاعلة السعوية يجب أن يمتد العمود أو المسمار لجزء من الطريق فقط.

عند استخدام المسمار يمكن تغيير المستوى لضبط الدليل الموجي على الظروف الصحيحة، كما يُعد التأكد من وجود تطابق جيد بين الدليل الموجي ومصدره وحمله أمراً ضرورياً إذا كان الدليل الموجي سيوفر التشغيل الأمثل داخل والنظام والتأكد من استخدام فوائد الخسارة المنخفضة بشكل صحيح، كما يمكن استخدام الطرق المختلفة لتوفير مطابقة مقاومة جيدة ويعتمد النهج الخاص على متطلبات النظام.