در سیستم‌های حیاتی مانند ارتباطات ماهواره‌ای، رادار، و{0}}شبکه‌های نوری پرسرعت، حتی کمترین تلفات سیگنال می‌تواند عملکرد را کاهش دهد{1}}که منجر به تحریف داده‌ها، کاهش دامنه تشخیص یا انتقال ناموفق شود.کوپلر حلقه موجبریک جزء اصلی برای تقسیم سیگنال، ترکیب یا مسیریابی، این چالش را از طریق طراحی ساختاری منحصر به فرد، انتخاب مواد و بهینه‌سازی الکترومغناطیسی برطرف می‌کند. در زیر یک تفکیک دقیق از نحوه دستیابی به تلفات کم سیگنال، متناسب با نیازهای عملیاتی سیستم‌های حیاتی ارائه شده است.
طراحی اساسی: محدود کردن امواج الکترومغناطیسی برای به حداقل رساندن تلفات تابش
- اتلاف تشعشع-جایی که انرژی الکترومغناطیسی به جای انتشار در مسیر مورد نظر از کوپل خارج می‌شود-منبع اصلی تخریب سیگنال در اجزای معمولی مانند جفت‌کننده‌های ریز استریپ است. جفت‌کننده حلقه موجبر این مشکل را با اعمال نفوذ{3}}هندسه موج‌های بسته{3} در داخل یک حفره موجبر، این مشکل را برطرف می‌کند.
- یک کوپلر حلقه موجبر معمولی از یک حلقه فلزی دایره‌ای یا مستطیلی تشکیل شده است که درگاه‌های ورودی/خروجی به صورت مماس به حلقه متصل هستند. برخلاف ساختارهای ریزنوار باز، حفره فلزی بسته موجبر به‌عنوان یک "کانتینر" الکترومغناطیسی عمل می‌کند. هنگامی که امواج فرار را با استفاده از شرایط رسانای الکترومغناطیسی بازتاب می‌کند. دیوار داخلی فلزی، رایگان الکترون‌ها در فلز مرتب می‌شوند تا میدان الکتریکی موج را در سطح خنثی کنند و میدان مغناطیسی را به داخل منعکس کنند. این یک حالت انتشار "هدایت‌شده" ایجاد می‌کند که در آن انرژی به داخل حفره محدود می‌شود.
- در سیستم‌های حیاتی مانند رادار، که سیگنال‌ها در فرکانس‌های بالا کار می‌کنند، این محصور شدن حتی مهم‌تر است. امواج با فرکانس بالا، طول موج‌های کوتاه‌تری دارند و بیشتر مستعد تشعشع هستند؛ ساختار بسته موجبر تضمین می‌کند که بیش از 99 درصد سیگنال در کوپلر باقی می‌ماند، در مقایسه با تشعشعات باز به شدت کاهش می‌یابد.
بهینه سازی مواد: کاهش هدایت و تلفات دی الکتریک
دو مکانیسم تلفات کلیدی دیگر-از دست دادن هدایت و تلفات دی الکتریک-از طریق انتخاب مواد دقیق، متناسب با محیط عملیاتی کوپلر، کاهش می‌یابد.
اتلاف رسانایی: فلزات رسانایی بالا-برای حداقل اتلاف گرما
- دیواره های داخلی حلقه موجبر از فلزات-با خلوص و{1} رسانایی بالا مانند-مس آزاد اکسیژن-، نقره-روکش مس یا مس با روکش طلا- ساخته شده است. این مواد مقاومت الکتریکی بسیار پایینی دارند: به عنوان مثال، OFCm ~5 رسانایی اتاق MS دارد. دمای بسیار بالاتر از مس یا آلومینیوم استاندارد.
- مقاومت کم گرمایش ژول را به حداقل می‌رساند: هنگامی که یک موج الکترومغناطیسی منتشر می‌شود، جریان‌های کوچکی را در دیواره‌های موجبر ایجاد می‌کند. فلزات با رسانایی بالا به این جریان‌ها اجازه می‌دهند که با حداقل اتلاف انرژی جریان داشته باشند-اتلاف رسانایی در یک حلقه موجبر طراحی شده خوب{3} معمولاً کمتر از 0.1 دسی‌بل بر متر در فرکانس‌های مایکروویو است. برای سیستم‌های حیاتی مانند فرستنده‌های ماهواره‌ای، این امر حیاتی است: گرمای بیش از حد می‌تواند به اجزای حساس آسیب برساند و افت رسانایی کم، یکپارچگی سیگنال و پایداری حرارتی را تضمین می‌کند.
- در محیط‌های خشن، یک لایه نازک از روکش طلا یا نقره مقاومت در برابر خوردگی را بدون به خطر انداختن رسانایی می‌افزاید-باعث حفظ عملکرد کم-در طول عمر کوپلر می‌شود.
اتلاف دی الکتریک: دی الکتریک هوا-پر یا کم-هوا
- برخلاف جفت‌کننده‌های میکرواستریپ، که برای پشتیبانی از انتشار موج به یک بستر دی الکتریک متکی هستند، اغلب جفت‌کننده‌های حلقه موجبر از هوا- پر شده‌اند. هوا دارای ثابت دی الکتریک ~1 و مماس تلفات بسیار کم است، به این معنی که تقریبا هیچ انرژی الکترومغناطیسی را جذب نمی کند. این اتلاف دی الکتریک را کاملاً حذف می‌کند-یک مزیت عمده برای سیستم‌های حیاتی که در آن هر دسی بل سیگنال مهم است.
- در کاربردهای فشرده، جایی که موجبرهای پر از هوا ممکن است خیلی بزرگ باشند، جفت کننده از مواد دی الکتریک کم تلفات- استفاده می کند. این مواد دارای مماس تلفات 10-100 برابر کمتر از استاندارد FR-4 هستند، و تضمین می‌کنند که تلفات دی الکتریک زیر 0.05 دسی‌بل حتی در باندهای فرکانس بالا باقی می‌ماند.
تطبیق حالت: جلوگیری از اتلاف درج از اعوجاج موج
- از دست دادن درج{0}}تضعیف سیگنال بین پورت‌های ورودی و خروجی-اغلب به دلیل عدم تطابق حالت ایجاد می‌شود: زمانی که حالت انتشار موج ورودی با حالت طراحی‌شده جفت‌کننده مطابقت ندارد و منجر به بازتاب یا پراکندگی موج می‌شود. جفت کننده حلقه موجبر از طریق مهندسی حالت دقیق از این امر جلوگیری می کند.
- ابتدا، ابعاد حلقه برای پشتیبانی از حالت انتشار مورد نظر در فرکانس هدف محاسبه می شود. برای مثال، یک حلقه موجبر دایره‌ای که در فرکانس 10 گیگاهرتز کار می‌کند، به گونه‌ای اندازه می‌شود که فقط حالت TM01 منتشر شود. حالت‌های مرتبه بالاتر «قطع» هستند زیرا طول موج آنها از بعد بحرانی حلقه بیشتر است. این رقابت حالت را حذف می‌کند، جایی که حالت‌های متعدد انرژی را پراکنده می‌کنند و تلفات درج را افزایش می‌دهند.
- دوم، پورت های ورودی/خروجی به صورت مماس به حلقه متصل می شوند و از جفت شدن هموار موج ورودی به حالت دلخواه اطمینان می دهند. پورت های مماسی، میدان الکتریکی موج را با شکل حالت حلقه تراز می کنند و بازتاب ها را در رابط پورت به حداقل می رساند. به عنوان مثال، در یک جفت حلقه 3{4}}دسی بل، پورت ها با فاصله 90 درجه در اطراف حلقه قرار گرفته اند و رابطه فاز بین سیگنال های تقسیم را بهینه می کنند در حالی که تلفات ورودی را زیر 0.3 دسی بل نگه می دارند.
دقت ساخت: تحمل‌هایی که عملکرد پایین-از دست دادن را حفظ می‌کنند
- حتی انحرافات کوچک از هندسه طراحی شده می تواند انتشار موج را مختل کند و تلفات را افزایش دهد. برای جلوگیری از این،جفت کننده های حلقه موجبربرای سیستم های بحرانی با تلرانس های مکانیکی محکم ساخته می شوند.
- تکنیک های پیشرفته ای مانند ماشینکاری کنترل عددی کامپیوتری یا شکل دهی الکتریکی برای ایجاد حفره موجبر استفاده می شود. ماشینکاری CNC تضمین می‌کند که سطح داخلی حلقه صاف است، زیرا بی‌نظمی‌های سطح امواج با فرکانس-بالا را پراکنده می‌کنند و افت هدایت را افزایش می‌دهند. الکتروفرمینگ-که در آن یک لایه فلزی روی یک قالب دقیق قرار می‌گیرد-حفره‌های یکپارچه و یکنواختی را ایجاد می‌کند که برای کاربردهای فرکانس بالا- ایده‌آل است.
- پس از ساخت، هر کوپلر تحت آزمایش تحلیلگر شبکه برداری قرار می گیرد تا تلفات درج، تلفات برگشتی و ایزوله را اندازه گیری کند. فقط واحدهایی با تلفات درج کمتر از 0.5 دسی بل برای سیستم های بحرانی تایید شده اند.
نتیجه گیری
ایناتصال دهنده حلقه موجبراز دست دادن سیگنال کم با پرداختن به دلایل اصلی تخریب اطمینان حاصل می کند: از هندسه بسته برای حذف تلفات تشعشع، از مواد{0}}رسانایی/کم{1} با تلفات بالا برای کاهش هدایت و تلفات دی الکتریک، تطبیق حالت برای جلوگیری از تلفات درج در اثر اعوجاج موج، و ساخت دقیق برای حفظ این بهینه سازی ها استفاده می کند. در سیستم‌های حیاتی-که قابلیت اطمینان و یکپارچگی سیگنال غیرقابل مذاکره است-این ویژگی‌ها آن را ضروری می‌سازد. خواه ارتباطات ماهواره‌ای واضح،-تشخیص رادار برد بلند، یا انتقال داده‌های نوری با سرعت-بالا، طراحی تلفات کم- حلقه موجبر مستقیماً به بهبود عملکرد و انعطاف‌پذیری سیستم منجر می‌شود.
مرجع
1. فناوری جفت موجبر با تلفات کم: استراتژی‌ها و تکنیک‌ها برای دستیابی به انتقال انرژی کارآمد - کتابخانه CSDN.
2. فرمول های تجربی برای طراحی شکاف{1}}کوپلور حلقه هیبریدی موجبر.
3. Balun مسابقه موش کم تلفات در فناوری موجبر شکاف.
4. چند مورد طراحی را برای کاهش تلفات درج سیرکولاتورهای RF توصیه کنید.
5. طراحی و تجزیه و تحلیل عملکرد یک -کریستال فوتونیک مغناطیسی چهار بعدی-دوبعدی جدید.
6. [SGM4553 Signal Integrity Enhancement Manual] : رونمایی از تکنیک هایی برای به حداقل رساندن تلفات سیگنال و تداخل الکترومغناطیسی.