إن مضخمات الترددات اللاسلكية هي العمود الفقري للتواصل اللاسلكي الحديث، والرادارات، ونظم البث الإذاعي، وتتمثل مهمتها الرئيسية في زيادة قوة الإشارات الضعيفة مع الحفاظ على سلامة الإشارات، غير أن هناك تحديين ثابتين من حيث القدرة على التنبؤ، وقابلية التنفيذ، وقد يؤدي سوء التصميم إلى التواتر، بينما يؤدي السلوك غير الخطي إلى تشويه نوعية الإشارات.

Understanding Feedback Networks in RF Amplifiers

شبكات التغذية تعمل من خلال أخذ عينات من إشارة إنتاج المضخم وإرجاعها إلى المدخلات، هذا التشكيلة المغلقة التي تُحدّد خصائص نقل المضخم، مما يتيح التحكم الدقيق في الأرباح، وفترات النطاق، والتشوه، والاستقرار، والنوعان الأساسيان هما التغذية العكسية السلبية، والتغذية المرتدة الإيجابية، وفي تصميمات الترددات، فإن التغذية السلبية تُفضّل بشكل ساحق لأنها تُحد من التباينات.

وتتكون شبكة التغذية المرتدة النموذجية من عناصر سلبية - مجهزة، ومكثفة، وأحيانا مصممة في طبلة معينة، وتشمل أكثر التكنولوجيات شيوعاً التغذية المرتدة من سلسلة (فولتاج) والترددات المستحثة من أعلى المستويات (النسخة الحالية) وهي إشارة إلى التعليقات المستقاة من سلسلة، وهي عبارة عن تطويع ينتقص من نطاق المدخلات، وانخفاض المدخلات المعززة.

ويحدد عامل التغذية المرتدة، الذي كثيرا ما يُشار إليه باسم بيتا، كمية الإشارة إلى الناتج التي أعيدت إلى المدخلات، والمكسب المغلقة هو تقريبا (1) بيتا عندما يكون المكسب المفتوح كبيرا، مما يجعل المضخم أقل حساسية من التباينات في العناصر والتغيرات البيئية، وهذه الملكية قيمة بوجه خاص في دوائر إدارة مصائد الأسماك، حيث يمكن أن تتغير بارامترات المقاولات بدرجة حرارة وتحيز وتواتر.

آليات تحسين الاستقرار من خلال التغذية

فالقابلية للاستمرار في مصفاة من هذا النوع تعني أن الدائرة لا تظهر أي انحرافات غير مرغوب فيها أو إشارات مكتفية ذاتيا، ويمكن أن تنشأ عمليات التصفيق من ردود الفعل الإيجابية التي تنشأ عن غير قصد من جراء التكهنات الطفيلية أو الموصلات أو الانقلاب المتبادل بين المراحل، وتثبيت شبكات التغذية المضاعفة من خلال تشكيل مكسب النافذ المفتوح والاستجابة التدريجية.

ومن الأدوات الرئيسية لتقييم الاستقرار معيار نييكيست الذي يدرس مكسب الحلقة (Aß) في الطائرة المعقدة، ولكي تظل التغذية العكسية السلبية مستقرة، يجب ألا تضغط على نقطة -1 + ياء.وإن شبكات التغذية تستحدث تحولاً في المرحلة الخاضعة للرقابة وتخفف من شأنه أن يحول دون وصول المضخم إلى هامش تشغيلي معدل الارتداد في منطقة بارخازين إلى التحول التدريجي.

في الواقع، تحليل الاستقرار غالباً ما ينطوي على استخدام دوائر الاستقرار على خريطة (سميث) هذه الدوائر ترسم مناطق المصدر وتشويشات الحمولة التي تجعل المضخم غير مستقر، ويمكن لشبكات التغذية أن تنقل هذه الدوائر لجعل الجهاز مستقراً دون شروط لجميع الإنهاءات السلبية، ويتم ذلك عن طريق تقليل ردود الفعل الداخلية للمرسل (المكسب العكسي) أو عن طريق إدخال ردود فعل خارجية تتناقض مع الظروف الداخلية.

وبالإضافة إلى ذلك، تساعد شبكات التغذية المرتدة على قمع الارتداد الطفيلي الناجم عن حلقات العمل المشتركة، والتخصيب الأرضي، والقوارب بين المراحل، فعلى سبيل المثال، يمكن لمقاومة سلسلة صغيرة في مسار التغذية المرتدة أن يخفض معدلات التردد العالية دون أن يؤثر ذلك تأثيرا كبيرا على المكاسب المنخفضة الترددات، وهذه الشبكات المرتدة للمقاومة هي شبكات مشتركة بين الكمائن الواسعة النطاق، حيث يجب الحفاظ على الاستقرار.

تعزيز التسلسل مع التخلف السلبي

وصف التسلسل قدرة المضخم على إنتاج ناتج مُحدّد بدقة من إشارة الإدخال، السلوك غير الخطيّ يُدخل التناسق (المجموعات من تواتر المدخلات) ومنتجات الخلط (أستهلك واختلافات من عدّة أطنان المدخلات) هذه الإشارات الناقصة يمكن أن تتداخل مع القنوات المتاخمة و أداء النظام المتدهور، خصوصاً في مخططات التحوّل الرقمية الحديثة مثل (كم) أو (إم).

ويُعدّل عنصر التغذية العكسية السلبية وظيفة النقل بتقليص التباين في الأرباح مع ارتفاع إشارات المدخلات، أما المكسب المفتوح لمضخم الترددات الترددية فيكون بطبيعته غير خطي نظرا لخصائص المقاولات مثل ضغط التحويل وضبط مسار النواتج، وعندما تُطبَّق التعليقات السلبية، يصبح المكسب المغلقة تقريباً 1/ بيتا، وهو ما لا يُحسّن التغيرات في المكسب من السحب المفتوح.

ويقاس هذا الأثر التسلسلي كمياً بمقارنة نقطة اعتراض المرتبة الثالثة قبل وبعد تطبيق التعليقات، وفي العديد من التصميمات، تؤدي زيادة المكسب إلى زيادة تخفيض التشويه في الخلط، غير أن التحسن في التواؤم يأتي على حساب انخفاض المفاضلة بين الأرباح والمكاسب التي يجب على المهندسين أن يوازنها استناداً إلى متطلبات النظام.

كما أن التراجع يحسن من خصائص التشويه المتناسقة من خلال جعل مهمة نقل المضخم ثابتة أكثر، مثلاً، اختباراً من 2 إلى 1 قياساً لمنتجات التداخل من الدرجة الثالثة يظهر تحسناً نموذجياً قدره 10 إلى 20 دباء مع تغذية مرتدة متوسطة، وهذا أمر حاسم في نظم مثل أجهزة التصفير التلفزيوني السلكي ومحطات القاعدة الخلوية، حيث يكون التشويه المنخفض إلزامياً للحفاظ على وضوح الإشارات على قنوات عديدة.

اعتبارات تصميم شبكات التغذية في دوائر إدارة مصائد الأسماك

ويتطلب تصميم شبكة فعالة للتغذية المرتدة لمضخم لنموذج الإبلاغ الموحد اهتماماً دقيقاً للاستجابة للتواتر، والتحول التدريجي، والطوابع المكوّنة، والتصميم، وكل من هذه العوامل يمكن أن يحول دائرة التغذية المرتدة المدروسة جيداً إلى مصدر لعدم الاستقرار إذا لم يُدار على النحو المناسب.

الاستجابة لحالات الطوارئ والضمادات

ويجب أن تحافظ شبكة التغذية المرتدة على استجابتها المقصودة عبر نطاق العمليات بأكمله، وفي ترددات منخفضة، يمكن أن يؤدي المكثفات والشبكات التحيزية إلى حدوث ثابتات غير مرغوب فيها، وفي ترددات عالية، يمكن أن يؤدي التلقيم الطفيلي في حلقة التغذية العكسية إلى أن تصبح التعليقات إيجابية فوق تردد معين، مما يؤدي إلى حدوث تذبذبات.

النقل إلى المرحلة الانتقالية والتعويض

ويتمثل أحد الأهداف الحاسمة في منع الإشارة المرتدة من التحول التدريجي (180 درجة) عند تواتر حدوث زيادة في عدد الحلقات التي لا تزال فوق الوحدة، وهذا الشرط سيحول التغذية العكسية السلبية إلى تعليقات إيجابية، مما يسبب الانحراف، ويمكن أن تؤدي تقنيات التعويض عن المرحلة، مثل إضافة مكثف صغير بالتوازي مع مقاوم التغذية العكسية، إلى الصفر الذي يمتد نطاق النطاق الترددي مع الحفاظ على الاستقرار.

العنصر

كما أن الخصائص النوعية والطفيلية لمكونات التغذية المرتدة تؤثر مباشرة على الأداء، إذ أن المقاومين على سطح الأرض لديهم سلسلة من المحركات وكمية موازية أصبحت كبيرة فوق عدة مئات من الميغاهرتز، وبالمثل، فإن لدى المكثفات ترددات ذاتية يمكن أن تغير إلى حد كبير حالة الاسترجاع، وبالنسبة للتصميمات العالية التردد، يختار المهندسون عناصر ذات قيم طفيفة صغيرة، مثل حزمة الخلايا.

Gain Margin and Loop Gain Trade-offs

فالاستعراض السلبي القوي )المكسب الكبير( يؤدي إلى تحسين التسلسل والاستقرار، ولكنه يقلل من المكاسب التي تحققت في قاعات مغلقة، ويحافظ ضعف التغذية على المكاسب ولكنه يوفر تحسيناً أقل تشوهاً، ويتوقف الاختيار على التطبيق: ففي نطاق هدف منخفض الدقة )LNA( الذي يسبق جهاز استقبال، كثيراً ما يعطى الأولوية، بينما يكون الحد الأقصى من المكسب في السلطة أكبر من الهامش المسمى " مقياس " .

العيون والمظليين

وفي ترددات مرفق النتائج، فإن التصميم المادي لشبكة التغذية المرتدة هو نفس القدر من الأهمية بالنسبة للخطوبة، حيث أن الآثار تستحدث خطا إضافيا وقصورا، وتضيف من خلاله مقاومة، وتتمثل الممارسة المشتركة في وضع عناصر التغذية المرتدة في أقرب وقت ممكن إلى المحطات الطرفية العابرة للتقليل إلى أدنى حد ممكن من مجال الحلقة وتقليل التفاعل الطفيلي، كما تساعد مخططات قياسية على توازن الإشارة المرتدة وتقليص المسائل المشتركة.

ومن الضروري أن تكون أدوات المحاكاة التي تشمل نماذج المغناطيسية الكهرومغناطيسية (EM) ضرورية لاستخلاص هذه الآثار، ويبدأ تدفق التصميم النموذجي بمحاكاة مخططية باستخدام المقاييس S-parameters، ثم الانتقال إلى محاكاة للشبكة المرتدة من أجل التحقق من أن العناصر الطفيلية لا تضر بالاستقرار.

تقنيات متقدمة في مجال التغذية من أجل أجهزة الاستنشاق

وبالإضافة إلى التغذية المرتدة المقاومة الأساسية، فإن عدة تقنيات متقدمة تتيح أداء معززاً للطلبات المطلة.

دوال فيردباك لووبز

ويستخدم بعض المضخمين مسارين للتغذية المرتدة: أحدهما ذو ترددات متفاوتة لتحقيق الاستقرار المنخفض التردد، والآخر للتعويض عن ارتفاع الترددات، ويمكن لهذا النهج المزدوج أن يحقق أوسع نطاقاً ودرجة أفضل من شبكة واحدة للتغذية المرتدة، وعلى سبيل المثال، فإن حلقة الترددات المنخفضة التي تستخدم كبسولة كبيرة توفر مكاسب كبيرة في الترددات المنخفضة، بينما توجد ثغرة عالية في حالة الاستقرار.

التغذية الرجعية النشطة

وفي إطار التغذية التغذوية النشطة، تشمل شبكة التغذية المرتدة جهازاً نشطاً - مثل جهاز مترجم أو مضخم تشغيلي - لتوفير مكاسب أو عزلة إضافية، وهذه التقنية شائعة في أجهزة مصفاة متكاملة من دوائر الترددات، حيث يمكن للمترجمين عبر الشيكات أن ينفذوا تعليقات دون مكونات خارجية، ويمكن أن تحقق التغذية المرتدة الفعالة تسلسلاً كبيراً في المضخات المتباينة، ولكنها تضيف التعقيد واستهلاك السلطة.

التغذية الإيجابية

(د) أن تُعدِّل شبكات التغذية الارتجاعية التكيفية دينامياً عامل التغذية المرتدة استناداً إلى مستوى الإشارة إلى المدخلات أو ظروف التشغيل، فعلى سبيل المثال، يمكن لمضخم الطاقة استخدام شبكة تغذية مرتدة تقلل من التغذية المرتدة عند مستوى منخفض من القدرة على تحقيق أقصى قدر من المكاسب والارتقاءات عند مستوى القدرة العالية على قمع التشويه، ويمكن أن يؤدي هذا النهج إلى تحقيق التسلسل والكفاءة على نطاق التشغيل، وكثيراً ما يتم تطبيق التغذية المرتدة باستخدام أجهزة تتبع متغيرات أو أجهزة المراقبة الرقمية.

التطبيقات العملية لشبكات التغذية في نظم إدارة مصائد الأسماك

وتوجد شبكات التغذية في كل مضخم من مصادر الترددات الإقليمية يستخدم في الهياكل الأساسية الحديثة للاتصالات.

في محطة قاعدية مضخمات كهربائية في محطة قاعدية مُعدّدة تستخدم التغذية الارتجاعية لتحقيق متطلبات التسلسل الصارمة للتعديلات المعقدة مثل 64-QAM و256-QAM.

وفي نظم الدرك ، فإن الاستقرار هو الجوهري لتجنب الصدى الكاذب أو التذبذب الذاتي، وتكفل شبكات التغذية في مضخة الإرسال أن يكون مظروف النبض نظيفاً وأن تردد الناقل يظل ثابتاً، وفي جهاز الاستقبال LNA، تحسن التعليقات على رقم الضوضاء وتمنع حدوث صدمات شديدة من جراء الارتداد بالسلاسل الرادارية المنخفضة.

وفي نظم الاتصالات بالسواتل ، حيث تسافر الإشارات مسافات طويلة ويجب أن تتضخم بأقل قدر من التشويه، تساعد شبكات التغذية على الحفاظ على التواؤم اللازم لخطط تعديل درجة عالية. وكثيرا ما تتضمن أجهزة التعبئة بالأشعة فوق البنفسجية التي تستخدم الموجات المتناهية الصغر ردود الفعل الخارجية، وإن كانت أجهزة تكييف الطاقة الصلبة مدمجة في برامج التعبئة الغازات.

في معدات الاختبار والقياس ]، مثل محللي الطيف ومحللات شبكة النواقل، ومضخات الترددات المزودة بشبكات التغذية المرتدة توفر المكسب الثابت والتشوه المنخفض اللازم للقياسات الدقيقة، مثلاً، يستخدم جهاز كميّد متوسط النطاق واسع النطاق في جهاز تحليل الطيف شبكة تغذية مرتدة تحافظ على تسطح المئات().

الموارد الخارجية لمواصلة التعلم

وبالنسبة للقراء الذين يرغبون في تعميق فهمهم لشبكات التغذية المرتدة في المصاعد المصطنعة لإطار النتائج، فإن الموارد التالية توفر أسسا نظرية ممتازة وأمثلة عملية:

خاتمة

إن شبكات التغذية المرتدة أدوات لا غنى عنها لتحقيق الاستقرار والطابع الأمثل لمضخات الترددات الترددية، ومن خلال اختيارها بعناية لعلم الطبويات المرتدة، وتعويضها عن التحولات في المرحلة، وحصرها في الطوابق المكوّنة، يمكن للمهندسين تصميم مضخمات تلبي المتطلبات الصارمة لنظم الاتصالات الحديثة، وسواء في محطة قاعدية، أو جهاز استقبال راداري، أو جهاز إرسال ساتلي، فإن مبادئ التغذية المرتدة الترددات الترددات السلبية تتيح زيادة الحلول المعقدة.