Rekayasa Gelombang Mikro - Jalur Transmisi

SEBUAH transmission lineadalah konektor yang mentransmisikan energi dari satu titik ke titik lainnya. Studi tentang teori saluran transmisi sangat membantu dalam penggunaan daya dan peralatan secara efektif.

Pada dasarnya ada empat jenis saluran transmisi -

Jalur transmisi paralel dua kabel
Garis koaksial
Jalur transmisi substrat jenis strip
Waveguides

Saat transmisi atau saat menerima, transfer energi harus dilakukan secara efektif, tanpa pemborosan daya. Untuk mencapai hal tersebut, ada beberapa parameter penting yang harus diperhatikan.

Parameter Utama Saluran Transmisi

Parameter penting dari saluran transmisi adalah resistansi, induktansi, kapasitansi, dan konduktansi.

Resistensi dan induktansi bersama-sama disebut sebagai saluran transmisi impedance.

Kapasitansi dan konduktansi bersama-sama disebut sebagai admittance.

Perlawanan

Hambatan yang ditawarkan oleh bahan yang digunakan untuk saluran transmisi dibuat, akan sangat besar, terutama untuk saluran yang lebih pendek. Saat arus baris meningkat, kerugian ohmik $ \ kiri (I ^ {2} R \: kerugian \ kanan) $ juga meningkat.

Resistensi $R$ dari konduktor panjang "$l$" dan penampang "$a$" direpresentasikan sebagai

$$ R = \ rho \ frac {l} {a} $$

Dimana

Ѓ $ \ rho $ = resistivitas bahan konduktor, yang konstan.

Suhu dan frekuensi arus merupakan faktor utama yang mempengaruhi hambatan suatu saluran. Hambatan konduktor bervariasi secara linier dengan perubahan suhu. Sedangkan jika frekuensi arus meningkat maka rapat arus yang menuju permukaan penghantar juga meningkat. Jika tidak, kerapatan arus menuju pusat konduktor meningkat.

Ini berarti, semakin banyak arus yang mengalir ke permukaan konduktor, semakin sedikit arus menuju pusat, yang dikenal sebagai Skin Effect.

Induktansi

Dalam saluran transmisi AC, arus mengalir secara sinusoidal. Arus ini menyebabkan medan magnet tegak lurus dengan medan listrik, yang juga bervariasi secara sinusoidal. Ini dikenal sebagai hukum Faraday. Bidang tersebut digambarkan pada gambar berikut.

Medan magnet yang bervariasi ini menginduksi beberapa EMF ke dalam konduktor. Sekarang tegangan induksi atau EMF ini mengalir dalam arah yang berlawanan dengan arus yang mengalir pada awalnya. EMF yang mengalir ke arah yang berlawanan ini secara ekuivalen ditunjukkan oleh parameter yang dikenal sebagaiInductance, yang merupakan properti untuk melawan pergeseran arus.

Ini dilambangkan dengan "L". Satuan pengukurannya adalah"Henry(H)".

Konduktansi

Akan ada arus bocor antara saluran transmisi dan tanah, dan juga antara konduktor fasa. Jumlah kecil arus bocor ini umumnya mengalir melalui permukaan isolator. Kebalikan dari arus bocor ini disebut sebagaiConductance. Ini dilambangkan dengan "G".

Aliran arus saluran dikaitkan dengan induktansi dan perbedaan tegangan antara dua titik dikaitkan dengan kapasitansi. Induktansi dikaitkan dengan medan magnet, sedangkan kapasitansi dikaitkan dengan medan listrik.

Kapasitansi

Perbedaan tegangan antara Phase conductorsmenimbulkan medan listrik antara konduktor. Kedua konduktor itu seperti pelat paralel dan udara di antaranya menjadi dielektrik. Pola ini menimbulkan efek kapasitansi antara konduktor.

Impedansi Karakteristik

Jika saluran transmisi lossless seragam dipertimbangkan, untuk gelombang yang berjalan dalam satu arah, rasio amplitudo tegangan dan arus di sepanjang saluran itu, yang tidak memiliki refleksi, disebut sebagai Characteristic impedance.

Ini dilambangkan dengan $ Z_0 $

$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {tegangan \: \: gelombang \: \: nilai} {arus \: \: gelombang \: \: nilai}} $$

$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {R + jwL} {G + jwC}} $$

Untuk garis lossless, $ R_0 = \ sqrt {\ frac {L} {C}} $

Dimana $ L $ & $ C $ adalah induktansi dan kapasitansi per satuan panjang.

Pencocokan Impedansi

Untuk mencapai transfer daya maksimum ke beban, pencocokan impedansi harus dilakukan. Untuk mencapai pencocokan impedansi ini, kondisi berikut harus dipenuhi.

Hambatan beban harus sama dengan yang ada pada sumbernya.

$$ R_L = R_S $$

Reaktansi beban harus sama dengan sumber tetapi bertanda berlawanan.

$$ X_L = -X_S $$

Artinya, jika sumbernya induktif, bebannya harus kapasitif dan sebaliknya.

Refleksi Koefisien

Parameter yang menyatakan jumlah energi yang dipantulkan karena ketidakcocokan impedansi dalam saluran transmisi disebut sebagai Reflection coefficient. Ini ditunjukkan dengan $ \ rho $(rho).

Ini dapat didefinisikan sebagai "rasio tegangan yang dipantulkan ke tegangan yang datang pada terminal beban".

$$ \ rho = \ frac {tercermin \: voltase} {insiden \: voltase} = \ frac {V_r} {V_i} \: at \: load \: terminal $$

Jika impedansi antara perangkat dan saluran transmisi tidak cocok satu sama lain, maka energi akan dipantulkan. Semakin tinggi energi yang dipantulkan, semakin besar nilai koefisien refleksi $ \ rho $.

Rasio Gelombang Berdiri Tegangan (VSWR)

Gelombang berdiri terbentuk ketika gelombang datang dipantulkan. Gelombang berdiri yang terbentuk mengandung sejumlah tegangan. Besarnya gelombang berdiri dapat diukur dari segi rasio gelombang berdiri.

Perbandingan tegangan maksimum dengan tegangan minimum dalam gelombang berdiri dapat didefinisikan sebagai Rasio Gelombang Berdiri Tegangan (VSWR). Ini dilambangkan dengan "$ S $".

$$ S = \ frac {\ kiri | V_ {max} \ kanan |} {\ kiri | V_ {min} \ kanan |} \ quad 1 \: \ leq S \ leq \ infty $$

VSWR menggambarkan pola gelombang berdiri tegangan yang ada di saluran transmisi karena penambahan dan pengurangan fase dari insiden dan gelombang yang dipantulkan.

Oleh karena itu, dapat juga ditulis sebagai

$$ S = \ frac {1 + \ rho} {1 - \ rho} $$

Semakin besar ketidakcocokan impedansi, semakin tinggi amplitudo gelombang berdiri. Oleh karena itu, jika impedansinya cocok dengan sempurna,

$$ V_ {maks}: V_ {min} = 1: 1 $$

Sehingga nilai VSWR adalah unity, artinya transmisinya sempurna.

Efisiensi Jalur Transmisi

Efisiensi saluran transmisi didefinisikan sebagai rasio daya keluaran terhadap daya masukan.

$ \% \: efisiensi \: dari \: transmisi \: line \: \ eta = \ frac {Daya \: terkirim \: at \: reception} {Daya \: terkirim \: from \: the \: transmission \: akhir} \ kali 100 $

Regulasi Tegangan

Regulasi tegangan didefinisikan sebagai perubahan besar tegangan antara ujung pengirim dan penerima dari saluran transmisi.

$ \% \: tegangan \: regulasi = \ frac {pengiriman \: akhir \: tegangan - \: penerimaan \: akhir \: tegangan} {pengiriman \: akhir \: tegangan} \ kali 100 $

Kerugian karena Ketidakcocokan Impedansi

Saluran transmisi, jika tidak diakhiri dengan beban yang sesuai, terjadi kerugian. Kerugian ini banyak jenisnya seperti kehilangan atenuasi, kehilangan refleksi, kehilangan transmisi, kehilangan pengembalian, kehilangan penyisipan, dll.

Atenuasi Loss

Kerugian yang terjadi karena absorpsi sinyal di saluran transmisi disebut sebagai kerugian Atenuasi, yang direpresentasikan sebagai

$$ Atenuasi \: kerugian (dB) = 10 \: log_ {10} \ kiri [\ frac {E_i - E_r} {E_t} \ kanan] $$

Dimana

$ E_i $ = energi masukan
$ E_r $ = energi yang dipantulkan dari beban ke input
$ E_t $ = energi yang ditransmisikan ke beban

Kehilangan Refleksi

Kerugian yang terjadi karena pantulan sinyal karena ketidaksesuaian impedansi saluran transmisi disebut sebagai kerugian Refleksi, yang direpresentasikan sebagai

$$ Refleksi \: kerugian (dB) = 10 \: log_ {10} \ kiri [\ frac {E_i} {E_i - E_r} \ kanan] $$

Dimana

$ E_i $ = energi masukan
$ E_r $ = energi yang dipantulkan dari beban

Kehilangan Transmisi

Kerugian yang terjadi saat transmisi melalui saluran transmisi disebut sebagai Transmission loss, yang direpresentasikan sebagai

$$ Transmisi \: kerugian (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_t} $$

Dimana

$ E_i $ = energi masukan
$ E_t $ = energi yang ditransmisikan

Mengembalikan kerugian

Ukuran daya yang dipantulkan oleh saluran transmisi disebut sebagai Return loss, yang direpresentasikan sebagai

$$ Pengembalian \: kerugian (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_r} $$

Dimana

$ E_i $ = energi masukan
$ E_r $ = energi yang dipantulkan

Rugi Penyisipan

Kehilangan yang terjadi karena perpindahan energi menggunakan saluran transmisi dibandingkan dengan perpindahan energi tanpa saluran transmisi disebut sebagai kerugian penyisipan, yang direpresentasikan sebagai

$$ Penyisipan \: kerugian (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_1} {E_2} $$

Dimana

$ E_1 $ = energi yang diterima oleh beban ketika dihubungkan langsung ke sumber, tanpa saluran transmisi.
$ E_2 $ = energi yang diterima beban ketika saluran transmisi dihubungkan antara beban dan sumber.

Stub Matching

Jika impedansi beban tidak cocok dengan impedansi sumber, metode yang disebut "Stub Matching" kadang-kadang digunakan untuk mencapai pencocokan.

Proses menghubungkan bagian-bagian yang disebut open atau short circuit lines stubs di shunt dengan jalur utama di beberapa titik atau titik, bisa disebut sebagai Stub Matching.

Pada frekuensi gelombang mikro yang lebih tinggi, pada dasarnya dua teknik pencocokan rintisan digunakan.

Pencocokan Stub Tunggal

Dalam pencocokan rintisan tunggal, rintisan dengan panjang tetap tertentu ditempatkan pada jarak tertentu dari beban. Ini digunakan hanya untuk frekuensi tetap, karena untuk setiap perubahan frekuensi, lokasi stub harus diubah, yang tidak dilakukan. Metode ini tidak cocok untuk jalur koaksial.

Pencocokan Stub Ganda

Dalam pencocokan tiang ganda, dua rintisan dengan panjang variabel dipasang pada posisi tertentu. Saat beban berubah, hanya panjang stub yang disesuaikan untuk mencapai kecocokan. Ini banyak digunakan dalam praktik laboratorium sebagai perangkat pencocokan frekuensi tunggal.

Gambar berikut menunjukkan tampilan pencocokan rintisan.

Pencocokan rintisan tunggal dan pencocokan rintisan ganda, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, dilakukan di saluran transmisi untuk mencapai pencocokan impedansi.