تحدي الفصل في حالات التردد

وتعتمد نظم الاتصالات الحديثة بشكل متزايد على التشغيل المتزامن عبر نطاقات الترددات المتعددة، وسواء كانت تبلغ 817 822 1؛ ومحطة قاعدية خلوية تُدار من 4G و 5G، ومحطة ساتلية تستقبل وتبث على مختلف النطاقات، أو إذاعة محددة بالبرمجيات تغطي نطاقا واسعا، فإن القدرة على الفصل أو الجمع بين الإشارات أمر حاسم، فالأجهزة التي تعمل على التقلبات الترددية وتسمح بذلك.

تصميم هذه الشبكات ليس ثلاثياً، بل يجب أن تظهر المرشّحات داخل جهاز غطس أو مضاعفات حادة، وفقدان منخفض للضم، وعزلة عالية، وتطابق جيد للتجهيزات في جميع الموانئ، ومن أكثر الأدوات انفصالاً وثابتة لمعالجة هذه التحديات المصادفة خريطة سميث، التي استحدثها في الأول في في فيلب هو سميث في عام 1939، لا تزال هذه الآيديولوجية البصرية ضرورية

Smith Chart Fundamentals

إن خريطة سميث عبارة عن مؤامرة قطبية لمعامل التأمل (غاما) مغلوطة بإحداثيات التطبيع والتسليم، وكل نقطة على الخريطة تمثل مزيجا فريدا من المقاومة والرد (أو السلوك والاعتراض) ويسمح الرسم البياني رقم 8217، ويظهر أي تحول سلبي في الحيازة (مثل إضافة سلسلة من الموصلات أو تصميمات متطابقة) على أنه شكل من أشكال التناوب التي يمكن التنبؤ بها.

وبالنسبة لعمل المضخات والمزدوجات، فإن رسم الخرائط الخاص بسميك ذو قيمة خاصة لأنه يبين مدى تفاوت الارتداد، وقد يشكل قسم الرش الذي يبدو وكأنه تطابق مثالي بين 50 و000 1 في تردد مركزي، عائقا مختلفا جدا عند حافة السر أو في التردد، وبتخطيط آثار الارتحال التي يمكن أن تحدثها أجهزة الرش أو شبكات الرشاقة الكاملة.

External resource: A comprehensive introduction to Smith chartory and plotting is available at Microwaves101].

معامل التحلل والتفكير

ويعرف معامل التأمل " 915 " على أنه نسبة موجة الفولط المعبر عنها إلى موجة الفولطية التي وقعت في الحادثة، وهو رقم معقد، ويطبيع الرسم البياني للسامية الارتداد إلى النظام 817 821؛ وضد سمي (50 أوما) ويعطي تصميم خطي خطي مثالي " 915 " = 0، التي ترسم في المركز.

هيكل المحفوظات

قبل تطبيق مخطط سميث، يساعد على التذكير بالهيكل النموذجي لمضخم، ويتألف المضخم من ميناء مشترك وموانئين محددين بحجم معين، ويرتبط الميناء المشترك بالهوائي، ويمكن للميناء 1 أن يصفّي نطاقا أدنى من الترددات، والموانئ 2، وفرقة أعلى، وفي الداخل، يُضمّن جهازان من أجهزة تحديد النطاقات في الملتقى المشترك، ويجب أن يُطابقا نطاقهما معا.

فالعامل المضاعف هو حالة خاصة من الديبلكر حيث تكرس القناةان للإحالة والاستلام في وقت واحد، وتصبح متطلبات العزلة عادة أكثر صرامة - 80 دي بي أو أكثر - لمنع جهاز الإرسال ذو الطاقة العالية من تضليل جهاز الاستقبال الحساس. وكثيرا ما يستخدم الدوبلكر أجهزة إعادة التجميل أو مرشحات الكأس المرموقة، ولكن منهجية التصميم المستخدمة في مخطط سميث لا تزال هي نفسها.

استخدام شارة سميث لصيد العسر في ديبلكسرز

إن تطابق العائق أمر أساسي لأداء المناقصات، ففي الملتقى المشترك، فإن الإرتدادين في القذارة متوازيان بشكل فعال، ولكي يكون الفشل العام 50 أوما، يجب أن يقدم كل مرشح قيمة عجز محددة في الترددات التي يعمل فيها المرشح الآخر، وهذا هو المكان الذي يشرق فيه مخطط سميث.

تصميم شبكات المطابقة

ومن الناحية التقليدية، فإن كل مرشح مصمم على حدة ليكون له ازدحام في نطاقه، ولكن التفاعل بين مرشحين يمكن أن يسبب، عندما يكون مجتمعا، تعثرا في المنصات، ويساعد مخطط سميث المصمم على إضافة عناصر تحويلية إلى المسافات - مثل أقسام خطوط النقل أو شبكات L-C المقطوعة - بين الزلازل المشتركة وكل مرشح، عن طريق رسم مخططات الرشاقة الكهربائية المثبتة والشبكة المرغوبة.

فعلى سبيل المثال، يُفترض أن القذارة ذات النطاق المنخفض تُظهر وجود نقص في 25+ج10 أوم في تردد المركز الأعلى، وهذا الازدحام يجب أن يتحول إلى حالة من الإزعاج (تنص على دائرة مفتوحة) بحيث لا يحمّل جهاز التصفيق العلوي، وهذا يعني، في مخطط سميث، تحويل النقطة إلى الجانب الأيمن (المقاومة العالية) باستخدام خط انتقال.

ستوب تونيغ

وتتمثل تقنية مشتركة في استخدام دائرة مفتوحة أو دائرة قصيرة في المجلس المشترك لإلغاء الجزء التفاعلي من عملية تصفية القوارير، وتُحدد مدة التعبئة والتنسيب برسم دوائر سلوك دائمة، وإيجاد نقطة يصبح فيها القبول الكلي حقيقياً تماماً ومتساوياً مع القيمة المنشودة (مثلاً، 0.02 قافز لعملية مرئية تبلغ 50 درجة).

External resource: For a deep dive on stub matching, see RF Cafe’s Smith chart tutorial].

تصميم قسم السينما مع شركة سميث

ويمكن تصميم مرشحات الضمادات نفسها باستخدام خريطة سميث، وبينما تستقبل البرامجيات الحديثة الكثير من هذا، فإن فهم الطريقة البيانية الأساسية أمر لا يقدر بثمن في استئصال المشاكل وتحقيق الحد الأمثل.

محررون من طراز Element

وبالنسبة للترددات المنخفضة (التي تقل عادة عن بضع مئات من الهيدروكتار)، كثيرا ما يستخدم المضخون مكونات L and C المصممة، ويبدأ بتحديد التردد المركزي، وضم الترددات، وفقدان الضم، وينتج عن سلسلة التصفيق (مثلا، رد فعل بوترورث أو تشيبيشيف) مجموعة من قيم الارتباك المثالية في كل جهاز من أجهزة الصمامات.

المحررون الموزعون

وفي ترددات الموجات الدقيقة (فوق 1 جيهرتز)، يستعاض عن المكونات المقطوعة، وغالبا ما تُبنى الأفلام باستخدام خطوط مقترنة، أو أجهزة صعود مفتوحة، أو هياكل متطورة، ويبسط الرسم البياني لرسم هذه العناصر، وعلى سبيل المثال، فإن جهاز تحويل الموجات الثابتة - جهازا موحدا للتطابق - يمثل خريطة التناوب 180 درجة.

الخطوات العملية في تصميم جهاز سميث

فلنمشي عبر تدفق تصميمي واقعي قد يتبعه مهندس في إدارة الموارد.

  • Define the bands.] Assume a diplexer splitting 700-800 MHz (Band A) and 1800-1900 MHz (Band B). The common port must be matched to 50 ohms across both bands.
  • Design individual filters.] Using conventional filter synthesis (e.g., coupled resonator theory), create a 5-pole Chebyshev bandpass filter for each band with 0.5 dB ripple and appropriate bandwidth. Simulate each filter alone to obtain its impedance versus frequency. Export S-parameters.
  • Plot on Smith chart.] Overlay the impedance of Filter A and Filter B on the same Smith chart (normalized to 50 ohms). Observe that at 700-800 MHz, Filter A impedance cycles around 50 ohms, while Filter B impedance is far away (high reflection1900).
  • ]Check isolation.] For a diplexer, the reflection of one filter in the other’s passband can degrade inclusionion loss. The Smith chart shows the impedance that each filter presents to the other. If the impedance is not sufficiently open or short, a matching network must be inserted.
  • Insert matching network.] Suppose at 1900 MHz, Filter A presents an impedance of 5 + j30 ohms (normalized to 0.1 + j0.6). This low resistance will absorb power from the Band B signal. On the Smith chart, draw a constant conductance cycle through the point 0.1 + j0.6.
  • (د) حفز الشبكة المشتركة (Sstrong) (Simulate) (S-strong) (Simulate) بعد إضافة مشابك أو أجزاء من الموجات ربعية، وتحفيز الديوكسر الكامل (S11 (خسارة العودة المشتركة للميناء) (S21 (خسارة في الضم عبر الحدود) (خسارة في ضم قطاع الطرق) (خسارة أخرى) (العزل بين الموانئ) (و) (ورسم البياني سميث يستخدم مرة أخرى للتحقق من أن دائرة الموانئ المشتركة (V1-5)
  • ]] Iterate.] Adjust stub lengths or transformer impedances in small steps. The Smith chart provides immediate visual feedback - if the impedance moves away from the target, the corrective direction is obvious.

وهذه العملية ليست عملية لمرة واحدة، بل إن هناك حاجة في الممارسة إلى عدة عمليات تهوية لاستيعاب التسامح الصناعي وآثار الحرارة، كما أن مخطط سميث يساعد المهندس على البقاء على المسار دون أن يضيع في مصفوفات معقدة.

أدوات المحاكاة والتعظيم

وفي حين أن الرسم البياني سميث ممتاز للتصميم المفاهيمي والتشويه، فإن البرمجيات الحديثة لنموذج الإبلاغ الموحد تدمجه بغموض، كما أن أدوات مثل نظام تحديد الهوية المسمى " كيسيت " ، أو مجموعات المواد ذات الموارد المفتوحة (مثلا، كويسستوديو) تسمح للمستعمل بتخطيط مقاييس S-parameter على خريطة سمث مثبتة، وتضيف عناصر تستهلك برامجيات متطورة تلقائيا.

وحتى عند استخدام البرمجيات، يظل فهم مخطط سميث ضروريا، ويمنع المصمم من اتخاذ خيارات تنتهك القيود الأساسية (مثل محاولة مضاهاة مقاومة منخفضة جدا مع موصل واحد من سلسلة المحركات يمكن أن تؤدي إلى إطالة غير عملية) كما يساعد المخطط في تفسير نتائج المحاكاة: فمنحى الازدحام التنفسي كثيرا ما يشير إلى وجود حساسية طفيلية أو إلى وجود صلة سيئة.

External resource: For examples of software-based Smith chart usage in filter design, refer to the application notes from Keysight Technologies.]

النظر في المسائل المسبقة

ويفرض الدوبلسترات شروطا أشد صرامة على العزلة ومناولة الطاقة، ويمتد أسلوب رسم الخرائط في سميث إلى هذه الحالات ولكن مع تعقيد إضافي، وكثيرا ما يتم ترتيب أجهزة الصمود في شكل " متوازن " حيث تلغي أجهزة الإرسال وتلقي مرشحات إحباط بعضها البعض في الميناء المشترك، وهذا الإلغاء واضح على خريطة سميث على أنه أثران في العزلة يبلغان ١٨٠ درجة من درجات الحرارة.

وثمة تقنية متقدمة أخرى هي استخدام أجهزة التصفيق المزودة بأجهزة متعددة، حيث يربط خط نقل المني بين المرشات بدلا من ربط بسيط، وتُستخدم أمثل طول المانييف ونقاط النقر في استخدام خريطة سميث لتحقيق تحميل موحد، ويبدو أن كل مرشح يشكل عبئا معقدا عند نقطة اتصاله؛ ويحول الماني هذه الحمولات بحيث تصبح النسيجات المركبة 50 أوروم.

External resource: A detailed treatment of manifold coupling appears in the IEE Microwave Magazine] article ] “Design of a Diplexer Using a Manifold Coupling Approach” (2019).

خاتمة

إن مخطط سميث أكثر بكثير من مجرد أثر تاريخي؛ فهو يظل أداة قوية ومناسبة لتصميم المثقفين والمزدوجات، ومن خلال توفير خريطة بصرية للتحولات في الازدحام، يتيح للمهندسين أن يتصوروا بسرعة شبكات المطابقة، ويصدقوا على تفاعلات التصفية، ويحققوا الأداء الأمثل، ومن المفهوم الأولي إلى التعليم النهائي، فإن مخطط سميث يخفض من التخمينات ويسرع في دورة التنمية.