Mikrodalga Mühendisliği - İletim Hatları
Bir transmission lineenerjiyi bir noktadan diğerine ileten bir konektördür. İletim hattı teorisinin incelenmesi, güç ve ekipmanın etkin kullanımında yardımcı olur.
Temel olarak dört tür iletim hattı vardır -
- İki telli paralel iletim hatları
- Koaksiyel çizgiler
- Şerit tipi alt tabaka iletim hatları
- Waveguides
İletim sırasında veya alırken enerji aktarımı, güç israfı olmadan etkin bir şekilde yapılmalıdır. Bunu başarmak için dikkate alınması gereken bazı önemli parametreler vardır.
Bir İletim Hattının Ana Parametreleri
Bir iletim hattının önemli parametreleri direnç, endüktans, kapasitans ve iletkenliktir.
Direnç ve endüktans birlikte iletim hattı olarak adlandırılır impedance.
Kapasitans ve iletkenlik birlikte denir admittance.
Direnç
İletim hatlarının yapıldığı malzemenin sunduğu direnç, özellikle daha kısa hatlar için hatırı sayılır miktarda olacaktır. Hat akımı arttıkça, omik kayıp $ \ left (I ^ {2} R \: loss \ right) $ da artar.
Direnç $R$ uzunlukta bir iletken "$l$" ve kesit "$a$" olarak temsil edilir
$$ R = \ rho \ frac {l} {a} $$
Nerede
Ѓ $ \ rho $ = iletken malzemenin sabit olan direnci.
Sıcaklık ve akımın frekansı, bir hattın direncini etkileyen ana faktörlerdir. Bir iletkenin direnci, sıcaklıktaki değişimle doğrusal olarak değişir. Oysa akımın frekansı artarsa iletken yüzeyine doğru akım yoğunluğu da artar. Aksi takdirde, iletkenin merkezine doğru akım yoğunluğu artar.
Bu, akımın iletkenin yüzeyine doğru daha fazla akması, merkeze doğru daha az akması anlamına gelir. Skin Effect.
İndüktans
Bir AC iletim hattında akım sinüzoidal olarak akar. Bu akım, elektrik alanına dik olan ve yine sinüzoidal olarak değişen bir manyetik alanı indükler. Bu, Faraday yasası olarak bilinir. Alanlar aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.
Bu değişken manyetik alan, iletkene bir miktar EMF'yi indükler. Şimdi bu indüklenen voltaj veya EMF, başlangıçta akan akıma ters yönde akar. Ters yönde akan bu EMF, eşdeğer olarak bilinen bir parametre ile gösterilir.Inductance, akımdaki kaymaya karşı çıkma özelliği.
"L". Ölçü birimi"Henry(H)".
İletkenlik
İletim hattı ile toprak arasında ve ayrıca faz iletkenleri arasında bir kaçak akım olacaktır. Bu az miktardaki kaçak akım genellikle yalıtkanın yüzeyinden geçer. Bu kaçak akımın tersi olarak adlandırılırConductance. "G".
Hat akımının akışı endüktans ile ilişkilidir ve iki nokta arasındaki voltaj farkı kapasitans ile ilişkilidir. Endüktans, manyetik alanla ilişkiliyken, kapasitans elektrik alanı ile ilişkilidir.
Kapasite
Arasındaki voltaj farkı Phase conductorsiletkenler arasında bir elektrik alanına neden olur. İki iletken tıpkı paralel plakalar gibidir ve aralarındaki hava dielektrik hale gelir. Bu model, iletkenler arasındaki kapasitans etkisine neden olur.
Karakteristik Empedans
Düzgün bir kayıpsız iletim hattı düşünüldüğünde, tek yönde hareket eden bir dalga için, o hat boyunca herhangi bir yansıması olmayan gerilim ve akım genliklerinin oranı olarak adlandırılır. Characteristic impedance.
$ Z_0 $ ile gösterilir
$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {voltaj \: \: dalga \: \: değer} {akım \: \: dalga \: \: değer}} $$
$$ Z_0 = \ sqrt {\ frac {R + jwL} {G + jwC}} $$
Kayıpsız bir satır için, $ R_0 = \ sqrt {\ frac {L} {C}} $
$ L $ ve $ C $ birim uzunluklar başına endüktans ve kapasitanstır.
Empedans eşleştirme
Yüke maksimum güç aktarımı sağlamak için empedans eşleştirmesi yapılmalıdır. Bu empedans eşleşmesini sağlamak için aşağıdaki koşullar karşılanmalıdır.
Yükün direnci, kaynağınkine eşit olmalıdır.
$$ R_L = R_S $$
Yükün reaktansı, kaynağınkine eşit olmalı, ancak işaretin tersi olmalıdır.
$$ X_L = -X_S $$
Bunun anlamı, eğer kaynak endüktif ise, yük kapasitif olmalıdır ve bunun tersi de geçerlidir.
Yansıma katsayısı
Bir iletim hattındaki empedans uyumsuzluğundan dolayı yansıyan enerji miktarını ifade eden parametreye Reflection coefficient. $ \ Rho $ ile gösterilir(rho).
"Yük terminallerinde yansıyan gerilimin gelen gerilime oranı" olarak tanımlanabilir.
$$ \ rho = \ frac {yansıyan \: voltaj} {olay \: voltaj} = \ frac {V_r} {V_i} \: \: yük \: terminaller $$ konumunda
Cihaz ile iletim hattı arasındaki empedans birbiriyle uyuşmazsa enerji yansıtılır. Enerji ne kadar yüksek yansıtılırsa, $ \ rho $ yansıma katsayısının değeri o kadar büyük olacaktır.
Gerilim Daimi Dalga Oranı (VSWR)
Durağan dalga, olay dalgası yansıtıldığında oluşur. Oluşan sabit dalga bir miktar voltaj içerir. Duran dalgaların büyüklüğü, duran dalga oranları ile ölçülebilir.
Bir durağan dalgadaki maksimum gerilimin minimum gerilime oranı, Gerilim Daimi Dalga Oranı (VSWR) olarak tanımlanabilir. "$ S $" ile gösterilir.
$$ S = \ frac {\ left | V_ {max} \ right |} {\ left | V_ {min} \ sağ |} \ quad 1 \: \ leq S \ leq \ infty $$
VSWR, olay ve yansıyan dalgaların faz eklenmesi ve çıkarılması nedeniyle iletim hattında mevcut olan voltaj durağan dalga modelini açıklar.
Dolayısıyla şu şekilde de yazılabilir:
$$ S = \ frac {1 + \ rho} {1 - \ rho} $$
Empedans uyumsuzluğu ne kadar büyükse, duran dalganın genliği o kadar yüksek olacaktır. Bu nedenle, empedans mükemmel bir şekilde eşleşirse,
$$ V_ {max}: V_ {min} = 1: 1 $$
Dolayısıyla, VSWR'nin değeri birliktir, bu da aktarımın mükemmel olduğu anlamına gelir.
İletim Hatlarının Verimliliği
İletim hatlarının verimliliği, çıkış gücünün giriş gücüne oranı olarak tanımlanır.
$ \% \: verimlilik \: / \: iletim \: hat \: \ eta = \ frac {Güç \: teslim \: \: alımda} {Güç \: gönderildi \: gönderen \: \: iletim \: end} \ times 100 $
Voltaj regülasyonu
Gerilim regülasyonu, iletim hattının gönderen ve alan uçları arasındaki gerilimin büyüklüğündeki değişiklik olarak tanımlanır.
$ \% \: voltaj \: düzenleme = \ frac {gönderme \: bitiş \: voltaj - \: alma \: bitiş \: voltaj} {gönderme \: bitiş \: voltaj} \ times 100 $
Empedans Uyumsuzluğundan kaynaklanan kayıplar
İletim hattı, eşleşen bir yükle sonlandırılmazsa, kayıplar halinde oluşur. Bu kayıplar, zayıflama kaybı, yansıma kaybı, iletim kaybı, geri dönüş kaybı, ekleme kaybı vb.
Zayıflama Kaybı
İletim hattındaki sinyalin absorpsiyonundan kaynaklanan kayıp, zayıflama kaybı olarak adlandırılır ve şu şekilde temsil edilir:
$$ Zayıflatma \: kayıp (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i - E_r} {E_t} \ right] $$
Nerede
$ E_i $ = giriş enerjisi
$ E_r $ = yükten girişe yansıyan enerji
$ E_t $ = yüke iletilen enerji
Yansıma Kaybı
İletim hattının empedans uyumsuzluğundan kaynaklanan sinyalin yansıması nedeniyle oluşan kayıp, şu şekilde temsil edilen Yansıma kaybı olarak adlandırılır.
$$ Yansıma \: kayıp (dB) = 10 \: log_ {10} \ left [\ frac {E_i} {E_i - E_r} \ right] $$
Nerede
$ E_i $ = giriş enerjisi
$ E_r $ = yükten yansıyan enerji
İletim Kaybı
İletim hattı üzerinden iletim sırasında meydana gelen kayıp, İletim kaybı olarak adlandırılır ve şu şekilde temsil edilir:
$$ İletim \: kayıp (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_t} $$
Nerede
$ E_i $ = giriş enerjisi
$ E_t $ = iletilen enerji
Geri dönüş kaybı
İletim hattı tarafından yansıtılan gücün ölçüsü, şu şekilde temsil edilen Geri Dönüş kaybı olarak adlandırılır.
$$ Dönüş \: kayıp (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_i} {E_r} $$
Nerede
$ E_i $ = giriş enerjisi
$ E_r $ = yansıyan enerji
Ekleme Kaybı
İletim hattı olmadan enerji aktarımına kıyasla bir iletim hattı kullanılarak yapılan enerji aktarımı nedeniyle oluşan kayıp, şu şekilde temsil edilen Ekleme kaybı olarak adlandırılır.
$$ Ekleme \: kayıp (dB) = 10 \: log_ {10} \: \ frac {E_1} {E_2} $$
Nerede
$ E_1 $ = bir iletim hattı olmadan kaynağa doğrudan bağlandığında yük tarafından alınan enerji.
$ E_2 $ = iletim hattı yük ile kaynak arasına bağlandığında yük tarafından alınan enerji.
Saplama Eşleştirme
Yük empedansı kaynak empedansıyla uyuşmuyorsa, bazen eşleşmeyi sağlamak için "Saplama Eşleştirme" adı verilen bir yöntem kullanılır.
Açık veya kısa devre hatlarının bölümlerini bağlama işlemi denilen stubs bir noktada veya noktalarda ana hat ile şantta, olarak adlandırılabilir Stub Matching.
Daha yüksek mikrodalga frekanslarında, temel olarak iki saplama eşleştirme tekniği kullanılır.
Tek Saplama Eşleştirme
Tek saplama eşleşmesinde, belirli sabit uzunlukta bir saplama, yükten belli bir mesafeye yerleştirilir. Yalnızca sabit bir frekans için kullanılır, çünkü frekanstaki herhangi bir değişiklik için, stubun konumu değiştirilmek zorundadır, bu yapılmaz. Bu yöntem koaksiyel hatlar için uygun değildir.
Çift Saplama Eşleştirme
Çift saplama eşleşmesinde, değişken uzunlukta iki saplama belirli konumlarda sabitlenir. Yük değiştikçe, eşleşmeyi sağlamak için yalnızca koçanların uzunlukları ayarlanır. Bu, laboratuvar uygulamalarında tek bir frekans eşleştirme cihazı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.
Aşağıdaki şekiller, koçan eşleşmelerinin nasıl göründüğünü gösterir.
Tek saplama eşleştirme ve çift saplama eşleştirme, yukarıdaki şekillerde gösterildiği gibi, empedans eşleşmesini sağlamak için iletim hatlarında yapılır.