طرق قياس المعاوقة المميزة لكابلات الترددات اللاسلكية المحورية

تعد المعاوقة المميزة معلمة كهربائية مهمة جدًا عند تصميم واختيار كابلات التردد اللاسلكي المحورية. تقدم هذه المقالة العديد من طرق قياس المعاوقة المميزة شائعة الاستخدام في الإنتاج من منظور التطبيقات الهندسية.

تُستخدم كابلات الترددات اللاسلكية المحورية على نطاق واسع كخطوط نقل في أنظمة الاتصالات. المعاوقة المميزة هي المعلمة الكهربائية الأولى التي يجب مراعاتها عند تصميم واختيار كابلات التردد اللاسلكي المحورية. يعتمد الحد الأقصى لنقل الطاقة والحد الأدنى من انعكاس الإشارة على المعاوقة المميزة للكابل ومطابقتها للمكونات الأخرى في النظام. في التطبيقات العملية، يمكن تحليل حالة عمل خط النقل بسهولة بناءً على المعاوقة المميزة للكابل، لذلك من الضروري قياس قيمته بدقة.

I. تعريف المعاوقة المميزة

عندما تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في كابل، عادة ما تكون هناك موجات عارضة تنتشر للأمام وموجات منعكسة تنتشر للخلف، وتتراكب الموجات الساقطة والموجات المنعكسة لتشكل موجات ثابتة. يتم تعريف نسبة الجهد الإجمالي إلى التيار الإجمالي عند أي نقطة على خط النقل على أنها مقاومة الدخل لتلك النقطة باتجاه نهاية الحمل. بشكل عام، لا ترتبط معاوقة الدخل لخط النقل بطول الخط فحسب، بل بالتردد أيضًا. ومع ذلك، عندما يكون خط النقل طويلًا بشكل لا نهائي، لا توجد سوى موجات منتشرة للأمام (موجات متنقلة) على خط النقل. في هذا الوقت، تكون مقاومة الإدخال عند أي نقطة على خط النقل مستقلة عن طول الخط وتساوي قيمة ثابتة Zc، والتي تسمى الممانعة المميزة لخط النقل.

بالإضافة إلى ذلك، عندما تكون نهاية خط النقل متصلة بحمل مقاوم نقي ثابت، فإن ممانعة الدخل عند أي نقطة على خط النقل تكون أيضًا متساوية في كل مكان ومستقلة عن طول الخط. قيمة المقاومة الثابتة هذه هي الممانعة المميزة لخط النقل. تعتمد المعاوقة المميزة Zc لكابل التردد اللاسلكي المحوري فقط على قطر الموصلات الداخلية والخارجية لخط النقل وثابت العزل الكهربائي المكافئ لوسط التعبئة بينهما، وهي مستقلة عن طول الخط.

ثانيا. طرق قياس المعاوقة المميزة

يمكن قياس المعاوقة المميزة لكابلات الترددات اللاسلكية المحورية عن طريق مجال التردد أو طرق المجال الزمني. تستخدم طريقة مجال التردد عمومًا محلل شبكة متجهة لاختبار أداء الكابل. نظرًا لأن محلل شبكة المتجهات يستخدم مرشحات تمرير النطاق والمرشحات الرقمية، فهو يحتوي على ضوضاء خلفية منخفضة جدًا، لذلك يمكنه قياس المعاوقة المميزة للكابل بدقة. وفقًا لاتجاهات الإرسال المختلفة لإشارة الاختبار، يمكن تقسيم طريقة مجال التردد إلى قياس الإرسال وقياس الانعكاس. من بين طرق القياس الشائعة الاستخدام حاليًا للمقاومة المميزة لكابلات الترددات اللاسلكية المحورية، تنتمي طريقة طور الإرسال وطريقة فرق طور الإرسال وطريقة رنين الدائرة المفتوحة أو القصيرة إلى قياس الإرسال في طريقة مجال التردد، في حين أن الطريقة الفردية الأحدث تنتمي طريقة قياس الموصل إلى قياس الانعكاس في طريقة مجال التردد.

طريقة مرحلة الإرسال يعتمد مبدأ القياس لطريقة مرحلة الإرسال على العلاقة بين المعاوقة المميزة Zc لخط النقل والطور والتردد والسعة الإجمالية للكابل:

Z=2πfC×10

(1) حيث ϕ هي مرحلة الإرسال المطلقة لعينة الكبل التي يتم اختبارها؛ f هو تردد الاختبار، بالميجاهرتز؛ C هي السعة الكلية للكابل، بوحدة pF. طالما تم قياس السعة الإجمالية لعينة الكابل ومرحلتها المطلقة عند نقطة تردد معينة، يمكن حساب المعاوقة المميزة للكابل وفقًا للصيغة المذكورة أعلاه.

طريقة فرق طور الإرسال يعتمد مبدأ القياس لطريقة فرق طور الإرسال على العلاقة بين المعاوقة المميزة Zc لخط النقل وسرعة نقل الطور VP:

Z=C1​

(2) حيث C هي السعة لكل وحدة طول الكابل. تغير طور الموجة المنتشرة في خط النقل هو 2π، والعلاقة بين سرعة إرسال الطور VP وفرق التردد Δf الموافق لتغير الطور 2π هي VP=Δf1​، إذن

ض=ΔfC10​

(3) طالما تم قياس فرق التردد والسعة الإجمالية للكابل، يمكن حساب المعاوقة المميزة للكابل وفقًا للصيغة المذكورة أعلاه.

الدائرة المفتوحة أو طريقة رنين الدائرة القصيرة عندما يكون أحد طرفي الكبل مفتوحًا أو قصير الدائرة، فإن التغيير في التردد سوف يسبب تغييرات دورية في مقاومة دخل الكبل، والتي تتجلى كتغيرات دورية في قراءة الكاشف. الفرق بين رنينين متوازيين متجاورين أو رنينين متسلسلين (أي قيمتين عظمى أو صغرى متجاورتين) هو نصف طول موجي، أي فرق طور قدره π. طالما تم قياس فرق التردد Δf ′ (بالميغاهرتز) بين قيمتين متجاورتين كحد أقصى (أو أدنى) في عينة الكبل، ويتم قياس السعة الإجمالية C لكابل العينة (بالـ pF) وفقًا لمعيار GB 4098. 2-1983، يمكن حساب المعاوقة المميزة للكابل وفقًا للصيغة التالية:

Z=Δf′C2π​

(4) طريقة الموصل الفردي عندما يتم توصيل طرف الكابل بالحمل، تكون العلاقة بين مقاومة دخل Zin للكابل، والمقاومة المميزة Zc للكابل الذي يتم اختباره، ومعامل الانعكاس T هي:

زين ​=Zc​(1+T)/(1−T)

(5) عند استخدام محلل شبكة متجهة لاختبار الانعكاس، يمكن قياس نسبة الموجة الدائمة للجهد لمجموعة الكابلات المحورية RF من خلال المعلمات S11 أو S22. يعكس معامل الانعكاس T درجة عدم التطابق بين مقاومة دخل الكبل قيد الاختبار والمقاومة الاسمية Z0​ للنظام. لها العلاقة التالية مع مقاومة الإدخال Zin​ للكابل والممانعة الاسمية Z0​ (50Ω أو 75Ω) لنظام الاختبار:

Z0​=زين​(1+T)/(1−T)​

(6) من الصيغة المذكورة أعلاه، طالما أننا نقيس معامل الانعكاس T، يمكننا حساب مقاومة دخل الكابل. نظرًا لأن معامل الانعكاس T هو ناقل، والبيانات المقاسة حاليًا هي نسبة موجة ثابتة للجهد العددي، ويمكن لمعامل الانعكاس T الحصول فقط على مقاومة الإدخال، وليس المعاوقة المميزة، فيجب قياسه عن طريق قياس نسبة موجة الجهد الدائمة لموصل RF واحد للحصول على المعاوقة المميزة للكابل. إن نسبة الموجة الدائمة للجهد المقاسة لمجموعة الكابلات هي تراكب نسب الموجة الدائمة لموصلين وقسم من الكابل، والذي يتضمن عدم استواء الكابل، وانحراف المعاوقة، وانحراف الانقطاع والممانعة للموصل.

ترجع نسبة الموجة الدائمة للجهد لموصل التردد اللاسلكي بشكل أساسي إلى المعاوقة غير المتساوية داخل الموصل والانحراف عن المعاوقة المميزة للكابل. نظرًا لأنه من السهل التحكم في الممانعة المميزة لموصل التردد اللاسلكي (مثل (50±0.5) Ψ)، فإن الممانعة غير المتساوية بداخله، بما في ذلك نسبة الموجة الدائمة الناتجة عن السعة المتقطعة الناتجة عن طفرة الحجم، صغير جدًا، وفي الترددات المنخفضة (مثل 200 ميجا هرتز) أسفل القسم، تكون نسبة الموجة الدائمة للموصل بشكل عام حوالي 1.005 فقط، وهي أصغر بكثير من نسبة الموجة الدائمة للجهد لمجموعة الكبل، وبالتالي فإن نسبة الموجة الدائمة للجهد تبلغ يمكن تجاهل الموصل، ولكن لا يمكن تجاهل الانعكاس الناتج عن المعاوقة غير المتساوية داخل الكابل المقاس. أثناء الاختبار، يجب إزالة هذا الجزء من التأثير، بحيث يأتي مصدر الانعكاس الرئيسي في موصل واحد من انحراف مقاومة الكابل عن المعاوقة القياسية، وأخيرًا يمكن الحصول على المعاوقة المميزة للكابل المقاس مباشرة عن طريق قياس نسبة موجة الجهد الدائمة لموصل واحد.

في نطاق التردد اللاسلكي، تكون المعاوقة المميزة لكابل التردد اللاسلكي مستقلة عن التردد، لذلك من الضروري فقط قياسها عند أي تردد ضمن نطاق التردد 30-200MHz المحدد بواسطة المعيار الوطني GB 4098.3 "طريقة قياس الخصائص "ممانعة كابلات الترددات اللاسلكية" باستخدام طريقة مرحلة الإرسال. نظرًا لأن خطأ طريقة فرق طور الإرسال كبير نسبيًا، فمن الأفضل استخدامه بحذر. طريقة الموصل الفردي سهلة التشغيل، والبيانات المقاسة دقيقة، وترتبط مباشرة بنسبة موجة الجهد الكهربي، ولها عملية قوية، وهي طريقة مريحة وعملية جيدة لقياس المعاوقة المميزة لكابلات الترددات اللاسلكية، ويوصى بها للاستخدام التفضيلي.

[المصدر: الألياف الضوئية والكابلات وتكنولوجيا تطبيقاتها]