موائمة الممانعات - Impedance Matching

سواء كنت تعمل باستخدام الإشارات الرقمية أو التماثلية فستحتاج إلى مطابقة الممانعات بين المصدر وخط النقل والحمل وسبب أهمية مطابقة المعاوقة في خط النقل هو التأكد من أنّ إشارة (5 فولت) المرسلة لأسفل الخط يُنظر إليّها على أنّها إشارة (5 فولت) في جهاز الاستقبال وإذا فهمت سبب أهمية مطابقة خط النقل يمكنك البدء في فهم متى تحتاج إلى القيام بذلك إمّا عند طرفي المرسل أو المتلقي من الخط.

ما هي موائمة الممانعات – Impedance Matching؟

موائمة الممانعات (Impedance Matching): هو عملية جعل مقاومة واحدة تبدو مثل أخرى وفي كثير من الأحيان يصبح من الضروري مطابقة مقاومة الحمل بالمصدر أو المعاوقة الداخلية لمصدر القيادة.

تنص نظرية نقل القدرة القصوى على أنّه لنقل أكبر قدر من الطاقة من مصدر إلى حمل يجب أن تتطابق مقاومة الحمل مع مقاومة المصدر، أمّا في الدائرة الأساسية قد يكون المصدر هو تيار مستمر أو تيار متردد ومقاومته الداخلية (R_i) أو مقاومة خرج المولد (Z_g) تقود مقاومة الحمل (RL) أو الممانعة (ZL)، ويتم نقل الطاقة القصوى من المصدر إلى الحمل عندما تساوي مقاومة الحمل المقاومة الداخلية للمصدر.

يُعد عدم تطابق الممانعة الذي يحط من نقل طاقة الإشارة ويؤثر على موثوقية الاتصال عقبة رئيسية أمام اتصالات خطوط الطاقة (PLC)، يمكن تصميم تقنيات مطابقة المعاوقة للتعويض بشكل فعّال عن عدم تطابق المعاوقة بين مودمات (PLC) وشبكات خطوط الطاقة عند تردد معين أو لنطاق تردد معين.

حالات مطابقة مقاومة الاتصال البيني:

الهدف من مطابقة المعاوقة في خط النقل هو تعيين مقاومة متسقة عبر الوصلة البينية، وعندما تتم مطابقة ممانعات السائق والمستقبل وخط النقل تحدث بعض الأشياء المهمة والحالات المهمة في مطابقة المعاوقة في خط النقل:

1. السائق والمتلقي متطابقان – The driver and receiver are matched:

لكن الخط غير متطابق، في هذه الحالة سيكون هناك بعض الانعكاس بمجرد إطلاق الإشارة في خط النقل أي عندما لا يتطابق الخط مع السائق سوف تنعكس بعض إشارة المصدر مرة أخرى على السائق، هذا يمنع بشكل فعّال بعض الطاقة من الإرسال إلى خط النقل، وبالمثل سيكون هناك انعكاس عند طرف المستقبِل وستعود الإشارة إلى السائق.

ستحدد مقاومة الإدخال ما إذا كان سيتم نقل الطاقة القصوى من السائق إلى جهاز الاستقبال وفي حالة وجود خط نقل قصير ستبدو مقاومة خط النقل مثل مقاومة الحمل عندما يكون خط النقل قصيراً جداً.

2. يتم مطابقة السائق والخط والمستقبل مع نفس المعاوقة:

يمكن اعتبار هذا حالة ذات تطابق تام حيث لا توجد انعكاسات على طول الخط سواء عند دخل الخط أو الخروج، ويتم نقل الطاقة القصوى في اتجاه المصب إلى جهاز الاستقبال، ينخفض ​​الجهد في الإشارة فقط بسبب خسائر التشتت والامتصاص وخسائر تأثير الجلد والتيار المستمر.

3. السائق والمتلقي والخط كلها غير متطابقة:

في هذه الحالة لا يهم طول خط النقل وسيكون هناك انعكاسات مستمرة أثناء انتقال الإشارة على طول الخط ممّا ينتج عنه زيادة غير مرغوب فيها في درجة السلم في الجهد الذي يراه المستقبل، لن تقوم بنقل الطاقة القصوى من السائق إلى المتلقي حتى لو كان الخط قصيراً جداً لأنّ السائق والمتلقي غير متطابقين.

لماذا تعتبر مطابقة المعاوقة مهمة في خط النقل؟

عندما يكون السائق وخط النقل متطابقين فإنّك تقوم بقمع الانعكاس عند مدخل خط النقل وعندما لا يتطابق الخط مع جهاز الاستقبال في هذه الحالة لا يزال لديك انعكاس في جهاز الاستقبال، وبالمثل إذا كان الخط غير متطابق من السائق والمستقبل فإنّك تفقد بعض الإشارات بشكل فعّال بسبب الانعكاس، ويضمن ضبط ممانعة الخط والمحرك والمستقبل على نفس الطاقة نقل أقصى طاقة إلى جهاز الاستقبال، وأنّ بعض معايير الإشارة لا تعتمد على نقل الطاقة الأقصى وبدلاً من ذلك تعتمد على مقاومة عالية للإدخال لاستشعار إشارة عند الإدخال.

تمنع مطابقة المعاوقة في واجهة بين جزأين من الوصلة الانعكاسات في تلك الواجهة وفي أي وقت يحدث انعكاس عند انقطاع المعاوقة أي واجهة خط المشغل أو واجهة مصدر المحرك يكون هناك تغيير مفاجئ في مستوى الإشارة ممّا ينتج عنه استجابة عابرة في التوصيل البيني، يظهر الانعكاس الناتج على شكل رنين أي تجاوز أو عجز عن الهدف ويتم فرضه أعلى مستوى الإشارة المطلوب بالإضافة إلى استجابة خطوة سلم محتملة في الإشارات الرقمية، وتخلق الانعكاسات مشكلة أخرى اعتماداً على ما إذا كنا نعمل مع الإشارات الرقمية أو التماثلية.

موائمة الممانعات في الإشارات الرقمية (الانعكاسات):

يمكن أن تؤدي الانعكاسات المتكررة ذهاباً وإياباً على خط نقل غير متطابق إلى استجابة خطوة بخطوة في الجهد المرئي عند جهاز الاستقبال والمصدر كما يمكن أن تظهر استجابة خطوة الدرج هذه كزيادة تدريجية في مستوى الإشارة أو استجابة نمط خطوة صعوداً وهبوطاً وكلاهما يتداخل مع الإشارات الواردة اللاحقة، ويمكن أن يتغير الجهد المرئي عند جهاز الاستقبال بمرور الوقت ويتم حذف الاستجابة العابرة النموذجية أعلى تغير الجهد الناتج عند كل انعكاس من أجل الوضوح.

موائمة الممانعات في الإشارات التماثلية (الانعكاسات):

مثلما يمكن أن تنعكس الإشارات الرقمية بشكل متكرر على خط النقل عندما يكون جهاز الاستقبال غير متطابق مع الخط فإنّ الأمر نفسه ينطبق على الإشارات التماثلية حيث يكون هناك ترددات معينة من شأنها أن تشكل صدى موجات واقفة على خط ما عند القيادة بإشارة تماثلية، وستكون هذه الترددات مضاعفة عدداً صحيحاً لبعض التردد الأساسي الأدنى، و يتسبب هذا في إشعاع قوي من خط نقل عند ترددات معينة، وفي حالة خطوط النقل القصيرة جداً سيظل هذا يحدث عندما لا يكون السائق والمُستقبل متطابقين وستكون الترددات ذات الصلة أكبر بكثير لاستيعاب الطول الموجي الأقصر على خط النقل.

تطبيقات موائمة الممانعات:

• يحدث توصيل الطاقة القصوى من المصدر إلى الحمل بشكل متكرر في التصميم الإلكتروني وأحد الأمثلة على ذلك هو عندما يتلقى مكبر الصوت في نظام صوتي إشارة من مضخم طاقة حيث يتم توفير الطاقة القصوى عندما تتطابق مقاومة السماعة مع معاوقة خرج مضخم الطاقة، فقد اتضح أنّ أفضل ترتيب هو أن تكون مقاومة مضخم الطاقة أقل من مقاومة السماعة؛ والسبب في ذلك هو الطبيعة المعقدة للمتكلم كحمل واستجابته الميكانيكية.
  
• يجب مطابقة الممانعات في مرسلات التردد اللاسلكي لتمرير القدرة القصوى من مرحلة إلى أخرى حيث تشمل معظم الممانعات المحاثات والسعة التي يجب أخذها في الاعتبار في عملية المطابقة.
  
• يجب أن تكون معاوقة الهوائي مساوية لمقاومة خرج المرسل لاستقبال القدرة القصوى.
  
• مطابقة خط النقل (Transmission-Line Matching): عادةً ما يتم توصيل خرج جهاز الإرسال بالهوائي عبر خط نقل وهو عادةً كبل (coax) أمّا في التطبيقات الأخرى قد يكون خط النقل زوجاً ملتوياً أو بعض الوسائط الأخرى، كابل التوصيل هو خط نقل إذا كان طوله (3.44 بوصة) وجميع خطوط النقل لها ممانعة مميزة (Z_O) وهي دالة لمحاثة الخط وسعته ولتحقيق أقصى نقل للقدرة عبر خط نقل يجب أن تتطابق معاوقة الخط أيضاً مع ممانعي المصدر والحمل، فإذا كانت الممانعات غير متطابقة فلن يتم تسليم أقصى قوة وسوف تتطور الموجات الواقفة على طول الخط.
  هذا يعني أنّ الحمل لا يمتص كل الطاقة المرسلة أسفل الخط وإنّ بعض تلك القوة تنعكس مرة أخرى نحو المصدر وتضيع فعلياً وقد تؤدي القوة المنعكسة إلى إتلاف المصدر.
  الموجات الدائمة: هي الأنماط الموزعة للجهد والتيار على طول الخط والجهد والتيار ثابتان للخط المطابق لكنّهما يختلفان بشكل كبير إذا كانت الممانعات غير متطابقة، مقدار الطاقة المفقودة بسبب الانعكاس هو دالة لمعامل الانعكاس (Γ) ونسبة الموجة الدائمة (SWR) ويتم تحديدها من خلال مقدار عدم التطابق بين ممانعات المصدر والحمل.
  

ملاحظة: إنّ جميع خطوط النقل مثل كيبل (coax) تؤدي إلى فقد ديسيبل لكل قدم ويجب أخذ هذه الخسارة في الاعتبار في أي حساب للطاقة التي تصل إلى الحمل حيث توفر أوراق البيانات المحورية هذه القيم للترددات المختلفة.

ملاحظة: إذا تمت مطابقة مقاومة الخط والحمل فلن يكون طول الخط مهماً وإذا لم تتطابق معاوقة الخط والحمل فسوف يرى المولد مقاومة معقدة تكون دالة على طول الخط.

تتكامل أدوات التصميم والتوجيه القوية في (Altium Designer) مع أداة حل مجال دقيقة والتي تحدد بسرعة مقاومة آثارك أثناء بناء اللوحة الخاصة بك، ممّا يساعد هذا في ضمان الحفاظ على مطابقة فائقة الدقة للمقاومة أثناء قيامك بتوجيه التوصيلات البينية عبر (PCB)، وتم إنشاء هذه الأدوات فوق محرك تصميم موحد يحركه القواعد ويتفاعل مع عدد من أدوات المحاكاة حيث سيكون لديك أيضاً إمكانية الوصول إلى مجموعة كاملة من ميزات التصنيع والتخطيط والتوثيق في نظام أساسي واحد.

تلعب مطابقة المعاوقة دوراً مهماً في نظام اتصالات خط الطاقة حيث نبحث في التأثير على نسبة الإشارة إلى الضوضاء في المستقبل وعلى سعة النظام لثلاثة معايير مختلفة لمطابقة المعاوقة في المرسل بافتراض اتصال واسع النطاق، تظهر أنّ مطابقة المعاوقة المثلى يجب أن تزيد من اتساع جهد الإشارة عند منفذ إدخال القناة ونظراً لأنّ مقاومة الخط تُظهر سلوكاً يعتمد بشكل كبير على التردد فقد تم أيضاً اقتراح معايير مطابقة ممانعة مبسطة.