توزيع الجهد والتيار داخل دليل الموجة

علمنا أن دليل الموجة له مقطع مستطيل سطحه الداخلى من المعدن و يغذى بواسطة مجس.
كما نعلم من الهوائيات و الموصلات عموما أن المجال المغناطيسى يدور عموديا حول الموصل و المجال الكهربى متعامد على اتجاه انتقال الموجة و المجال المغناطيسى.

لهذا نتوقع أن يكون توزيع المجال الكهربى كما ينظر إليه من أمام مقطع فى دليل الموجة كما بالصورة بالأسهم الحمراء.

و من الطبيعى أن يكون له توزيع أى لا يمكن أن يكون ثابت الشدة على مدى عرض المقطع B. فالمجال الكهربى ينشأ من فرق الجهد بالفولت، والجدار من معدن جيد التوصيل، إذن لا يمكن أن يكون هناك مجال كهربى موازى للسطح و إلا ، فكيف يكون هناك فرق جهد بين نقطتين متلاصقتين على سطح جيد التوصيل، وهذا يفرض حقيقة أن المجال الكهربى عند كلا الجدارين مساويا للصفر، ويزداد تدريجيا لقيمة عظمى عند المنتصف، و مرور التيار بينهما عبر الجانب و المكون لنصف لفة.
و أيضا دوائر المجال المغناطيسى كما تبدو عند النظر من أعلى داخل دليل الموجة ، و طبعا بدأت أساسا حول الهوائى الذى سبق شرحه و تتكرر كل نصف موجة.


جدير بالذكر أن بعد ربع موجة ستبدأ الحزمة الثانية من خطوط المجال، و نظرا لكونه لا ينعكس فجأة حتى لا تتصادم خطوط القوى المغناطيسية، فمن المنطقى أن تكون الخطوط لها نفس الوجهة مما يجعل الحزمة الثانية تدور عكس الأولى.
نعلم أن الموجات اللاسلكية ، وهى التى تتقدم داخل دليل الموجة تتكون من مركبة كهربية متعامدة على أخرى مغناطيسية و كلاهما عمودى على اتجاه سير الطاقة، فلو نظرنا داخل قطع فى دليل الموجة، سنجد الطاقة تدخل من الجانب الأيسر مثلا و يكون اتجاه المجال الكهربى كما بالأسهم الحمراء و خطوط القوى المغناطيسية كما بالدوائر الزرقاء.

هذا يقترح أيضا طريقة تغذية دليل الموجة بحلقة التيار وهى حلقة من السلك يمر فيها التيار فيولد مجال مغناطيسى ، لذا توضع فى نقطة أقوى مجال مغناطيسى كما بالرسم.
وهذا شكلها المنظور



هنا نلاحظ ملاحظتين هامتين جدا، الأولى أن عرض دليل الموجة مرتبط مباشرة بطول الموجة، و أن الموجات الأقصر تستطيع المرور بينما الأطول لا تتمكن من ذلك، وهذا يعنى أن دليل الموجة مرشح تمرير تردد عالى HPF
ثانيا أن العرض لم يؤثر فى القدرة المارة و لكن الارتفاع عليه فرق جهد و ذروته فى المنتصف، وهذا يعنى أن الارتفاع يحدد القدرة القصوى التى يمكن نقلها قبل أن يحدث شرار Acing بين السطحين.
أيضا من الملاحظة الأخيرة ربما نريد زيادة الارتفاع لنقل مزيد من الطاقة، وهذا لا باس به لكن لو أصبح الدليل مربعا لن ترى الموجة أى فرق أن تمر باستقطابها رأسية كما بدأت أو أفقية عند أول اختلال فى انسيابية المسار.
ماذا يهم؟ حسنا، عندما نصل للحمل سنجد هوائى رأسى ليستخلص الطاقة من دليل الموجة، وهو سيلتقط الاستقطاب المناسب بينما تبقى باقى الطاقة مفقودة داخل الدليل.
لذا يجب تعريف توزيع المجال و هذا موضوعنا القادم إن شاء الله

المرة الماضية كانت قضية نسبة العرض للطول مشكلة و هذا يقودنا لتعريف توزيع المجال بداخل الدليل، الوضع السابق سنسميه موجات كهربية مستعرضة Transverse Electric Field و اختصارا TE .
كما علمنا سابقا أن الترددات الأعلى يمكنها أيضا المرور أى ربما نجد أكثر من نصف موجة، لذا نضع رقم يدل على عدد هذه الأنصاف، كما أيضا يجب أن نعرف هل متعامدة على الجانب العريض كما سبق أم الجانب الآخر؟ مهلا لو التردد عالى فربما يمكن توليد الموجة الأخرى أيضا، لذا سيكون هناك رقمين، رقم لكل جانب، العريض أولا.


من الطبيعى أيضا أن نتخيل النسق TM11 Mode وهو كالرسم المبين بالنظر من أمام الدليل الموجة سنجد المجال المغناطيسى مستعرض و سيكون الرقم "واحد – واحد" وهكذا تنطق ولا تقال إحدى عشر فهى اسم وليست عدد. و طبيعى ألا يحتوى أصفار فالمجال حلقات كاملة على خلاف المجال الكهربى.
wg_tm_lines.png
لو نظرنا من جانب الدليل سنجد أن المجال الكهربى يأخذ الشكل المبين. ربما هنا نتساءل، قلنا سابقا أن السطح جيد التوصيل ولا يمكن أن يكون هناك فرق جهد بين نقطتين متجاورتين، كيف هنا المجال يخرج من السطح لذاته؟!!

النقطتين هنا غير متجاورتين و يبعدان عن بعضهما مسافة نصف طول الموجة، و من المعروف أن الجهد ينعكس اتجاهه كل نصف موجة، مما يجعل حركة الإلكترونات داخل أى خط نقل قدرة تتذبذب جيئة و ذهابا فى مدى نصف طول الموجة ولا تسير عبر الموصل كما فى حال التيار المستمر والترددات المنخفضة.
ما أهمية كل هذا الحوار؟
ببساطة لتغذية الدليل Wave Guide أو أخذ الطاقة منه إما نستخدم الهوائى كما سبق فى نقطة أعلى مجال كهربى أو لفة من موصل Loop فى مكان أعلى مجال مغناطيسى. عند تبدل النسق Mode سيتغير موضع و شكل المجالين مما يجعل الطاقة التى انتقلت للنسق Mode الجديد لن يستفاد منها.
هناك أيضا سببا آخر وهو أن كل شيء منسوبا لطول الموجة، فالقصر يصبح مفتوحا بعد ربع طول الموجة، فلو نشأ نسق Mode آخر ، قد يكون طول موجته نصف طول الموجة الأصلية كما هو مبين بالصور السابقة فلا يتحقق هذا الشرط و يسبب اختلالا فى أداء المنظومة بكاملها.

من النقاط الهامة فى مجال دليل الموجة هو كيفية إضافة حث أو سعة لتحقيق المواءمة matching ، لتحقيق ذلك فالرجوع لخواص الأشياء يقدم لنا الحل.
السعة هى مجال كهربى داخل المكثف، و أى تعديل فيها هو تعديل فى السعة. يمكننا بالمثل أن نقول أن الحث هو المجال المغناطيسى و التعديل فيه هو تغيير لقيمة الحث.
الحاجز الرأسى بالشكل A يكون فى مسار المجال المغناطيسى أى سيجعل اللفات ستحيد لتلتف حوله مما يطيل محيطها مما يجعلها تكافئ حث أو ملف كما بالرسم.
قيمة هذا الملف تعتمد على عرض كل شريط و أيضا أين يقع من قمة المجال، فلو كان فى منتصف المسافة بين نصفى الموجة، سيكون المجال موازى و لن يتغير مساره و من ثم يكون تأثيره أقل ما يمكن، بينما لو فى منتصف المسافة حيث خطوط المجال موازية للجدار سيكون تأثيره أكبر ما يمكن.
الشكل B يمثل شريطين أفقيين مما يجعل أثره على المجال الكهربى و من ثم فهو سعة و أيضا كما سبق تكون قيمة السعة حسب عرض الشريط و مكانه من أعلى قيمة للمجال الكهربى.
الشكل C هو الشكلين السابقين معا مما يوحى بكونه ملف و سعة أى دائرة رنين توازى كما بالرسم.

معاوقة دليل الموجة
مما سبق نرى أن ارتفاع دليل الموجة يحدد شدة المجال الكهربى و بالتالى السعة و العرض يحدد مسار المجال المغناطيسى أى الحث، فبتذكر أن معاوقة الخط هى جذر الحث على السعة.

إذن بتغيير هذه الأبعاد يمكن تغيير معاوقة الخط، و بجعل هذا التغيير تدريجيا سواء فى أحد الأبعاد أو كليهما، يمكن عمل تغيير تدريجى فى المعاوقة و أكثر الأمثلة شيوعا هى قمع التغذية Feed Horn والذى يربط طرف الخط بالهواء فالدليل Wave Guide عامة مت يكون 50 أوم ليتواءم مع الكابلات و المذبذبات و كافة المكونات الأخرى، بينما الهواء 41 أوم فقط و يجب عمل هذا المحول لتحقيق ذلك.


المرة القادمة إن شاء الله نتحدث عن وصلات أدلة الموجات

وصلات دليل الموجات:
مما سبق نعلم أن الجدار الفاعل يكون طبقة داخل دليل الموجة و سمكه رقيق جدا وهو المحدد بالتأثير السطحى Skin Effect وهذا يفرض شيئا هاما جدا أن أى خدش مهما كان صغيرا يسبب انقطاع لمسار التيار مما يسبب إما شرار arcing داخل دليل الموجة أو حيود شديد فى مسار التيار مما يسبب ظهور مجال مغناطيسى إضافى مسببا موجات موقوفة نتيجة اختلاف المقاومة النوعية، إذن كيف سنوصل قطعتين من أدلة الموجات Wave Guide معا أو نوصل أى أجهزة أو مفاتيح كما سبق الشرح؟؟
مما سبق، فمهما حاولنا أن نجعل سطح الاتصال ناعما و متصلا، لن يمكن ذلك، لذلك يجب ابتكار أسلوب يستغل حقيقة وجود هذا الفصل و تأكيده وهو الأيسر، ثم عكسه.
حسنا لقد تذكرتها وهى أن الخط المفتوح بعد ربع طول موجة سيكون مغلق وهذا سر اللعبة.

تأكيد هذا الفصل يكون بتأكيد وجود مسافة بين الجزء الأيمن من دليل الموجة الأول و الجزء الأيسر من دليل الموجة الثانى. المشكلة ألآن أن نجعله على مسافة /4 وهو سيجعل الدليل مفتوح لدخول الأتربة و أى شيء آخر. الحل أن نسير /4 أخرى و نضع قصر Short و الذى سينعكس بدوره كما نريد مما يتيح لنا غلق الدليل. لتقليل القطر المطلوب، يمكن جعل المسار على شكل L كما بالرسم.
فى الموجات الطويلة نسبيا أى 1 و حتى 3 جيجا مثلا قد يكون من الصعب تشكيل المربع حول دليل الموجة لذا يكتفى بالمسار الدائرى كما بالصور العلوية. بزيادة التردد و قصر طول الموجة و من ثم أبعاد دليل الموجة، يمكن عمل مسار مربع كما بالصورة، و يلاحظ أن هذا المسار يحتوى مادة مطاطية لإحكام غلق الرباط بين الوحدات خاصية أن الوحدات غالبا ما تكون خارجية Out Door مما يعرضها للعوامل الجوية كما فى وحدات الأقمار الصناعية، فضلا عن أن زيادة القدرة المنقولة قد يتطلب استخدام هواء مضغوط. الصورة لوحدة بها "شفتان" رأسيتان لإضافة حث (ملف) للخط.

نادرا ما يكون مسار دليل الموجة Wave Guide مستقيما، إذ لابد من للانحناء و تغيير المسار. هناك عادة ثلاث أنواع من الانحناء، إما جانبيا أو محوريا.

الانحناء الجانبى إما جهة الجانب العريض أو الجانب الضيق كما بالصورة. المسار المنحنى كما بالصورة يجب أن يكون أيضا ربع طول الموجة، لاحظ الحرف G هنا للدلالة على طول الموجة داخل دليل الموجة وهو كما سبق الشرح أطول من الهواء الطلق. هذه الطريقة أنسب من حيث التصنيع للترددات الأعلى حيث الموجات سنتيمترية لكن فى الترددات الأقل حيث الموجات الديسيمترية يكون الانحناء التدريجى أفضل كما بالصورة حيث نصف قطر الدوران ربع طول الموجة.

النوع الآخر من الدوران وهو حول المحور يكون ببساطة التواء الدليل حول محورة ويجب أيضا مراعاة المسافات التى يتم فيها هذا الدوران حتى لا تتسبب فى تغيير فجائى مسببا تغيير فى المقاومة النوعية للخط و توليد أنماط Modes أخرى غير مرغوب فيها.

دليل الموجة الدائرى
من الممكن عمل دليل موجات دائرى و لكن نظرا لتماثل الشكل حول محوره، فهو أكثر عرضه لتغير النسق Mode ولهذا فهو نادر الاستخدام.

كيف إذن يمكن توصيل الهوائى الدوار للنظام الثابت؟
نظرا لاستحالة دوران الشكل المستطيل، فلابد من استخدام وصله مستديرة يدور حولها جسم الهوائى الدوار، وكما ذكرنا أن الكابل المحورى يمكن تغيير أبعاده ليناسب الطاقة و المقاومة المطلوبين، فيمكننا استخدام وصلة محورية لهذا الغرض كما بالشكل باستخدام مجس Probe لنقل الطاقة من نهاية الدليل المربع السفلى لتعبر الجزء المحورى و المثبت عادة داخل سقف غرفة جهاز الإرسال و تعلوه بداية الدليل المربع لعاكس الهوائى الدوار و الذى تتم تغذيته أيضا باستخدام مجس Probe كما سبق الشرح.

وصلات التوالى والتوازى :

ماذا يحدث لو تفرع دليل موجة إلى فرعين؟؟ بالتأكيد سيكون السؤال "أى جانب هو الذى تفرع؟".
حسنا سنناقش كل جانب على حده.
قبل أن نستمر فى التفاصيل، من المفيد أن نناقش بديهية هنا وهى ما هو تعريف دائرتى التوالى والتوازى!!

لا تتعجب فالسبب سيتضح فورا.
دائرة التوالى هى التى يتجزأ فيها الفولت أو الجهد.
دائرة التوازى هى التى يتجزأ فيها التيار.
هل وضح السبب؟ فالآن نستبدل الجهد بالمجال الكهربى و التيار بالمجال المغناطيسى.

فلو أخذنا مثلا هذه التفريعة حيث الجانب الأطول ينقسم لمسارين، بالنظر من الجانب ستجد أن المجال الكهربى سينقسم إلى قسمين كما هو مبين باللون الأحمر ، أى يتجزأ لقسمين جاعلا هذه الوصلة وصلة توالى كما هو مبين بالرسم. ولاحظ أيضا أن الاتجاه لأعلى فى جهة ولأسفل فى الجهة الأخرى أى معكوس.

أما لو أخذنا الجانب الآخر فسيكون المجال الكهربى له نفس الاتجاه و سيتجزأ المجال المغناطيسى مما يجعلها وصلت توازى كما بالرسم.

هذا المفهوم هام جدا فهو يحدد أداء أى جزء فى دليل الموجة، فقد تعودنا أن نقول قصر يكون مفتوح بعد ربع طول موجة، و كان افتراضنا ضمنيا أنها فى المكان الصحيح ليكون توصيلها يؤدى الدور الصحيح.
معنى هذا الكلام أن استخدام مفتاح ليكون قصر أو مفتوح، يجب الأخذ فى الاعتبار كونه توالى أو توازى خاصة وأن الخط عادة ما يكون منتهى بشيء ما.


لو أخذنا فى الاعتبار الدارة بالرسم، لا نجد أن تأثير S1 مماثل لتأثير S2، فالأول، عندما يكون قصر يجعل ما يليه يبدو قصر و بعد مسافات يتغير لكن عندما يكون مفتوحا يكون الخط مكافئ للمقاومة النوعية Zo
و بالمثل S2 عندما يكون مفتوحا يكون الخط كله مفتوحا، بينما عندما يكون مغلقا، يكون الخط كله مكافئ للمقاومة النوعية Zo

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته.
أظن أنك نسيت ترسم R1 والتي تساوي 100 أوم حتى تمشي الأمور كما يقول الشرح.. لأنه بدونها ستكون معاوقة الخط 100 أوم وليس 50 أوم.
وجزاك الله خيرا على هذا المجهود.

هذه الرسمة ليس الهدف منها هو الحساب لأنه لا توجد مثل هذه المكونات فى الطبيعة فى أى خط
الهدف منها هو توضيح كيف أن إضافة المزيد من طول الخط لا يغير فى قيمة المقاوم الداخلية و عادة ما يترك الطرف الآخر غير منتهى عمدا لتأكيد أنه لا يكتفى بهذا العدد فقط من المقاطع و يستمر إلى مالا نهاية

شكراً وبارك الله فيك...مهندس,,,ماجد عباس محمد