المدونة

أنواع موصلات RF الرئيسية وملفات أدائها عند الترددات العالية

موصلات SMA، 2.92 مم، 2.4 مم، وSMP: حدود التردد، التكرارية، وحالات الاستخدام

ما زالت موصلات SMA قوية في تطبيقات دون 18 غيغاهرتز التي نراها في كل مكان من أبراج الهواتف إلى الأنظمة الراديوية، لأنها تتميز بالمتانة ولا تكلف الكثير من المال. أما العيب؟ فتبدأ خيوط التوصيل هذه بالتآكل بعد حوالي 500 عملية وصل وفصل، مما يجعل الاتصالات المتكررة أقل موثوقية بمرور الوقت. ولكن عندما تحتاج الأمور إلى العمل عند ترددات أعلى، يلجأ المهندسون إلى خيارات مختلفة. فموصل 2.92 مم (ويُعرف أحيانًا باسم موصل K) يمكنه التعامل مع ترددات تصل إلى 40 غيغاهرتز، في حين أن النسخة الأصغر حجمًا بقطر 2.4 مم تمتد أكثر لتصل إلى نحو 50 غيغاهرتز تقريبًا. وتستخدم هذه الموصلات الهواء بدل المواد الصلبة بين الموصلات ولها مواصفات تصنيع أدق بكثير، وبالتالي فإن فقد الإشارة يكون أقل وتحافظ على استمرارية كهربائية أفضل طوال مدة الاتصال. ثم هناك عائلة موصلات SMP مع نقاط الاتصال المنزلقة المزودة بنوابض التي تنغلق تلقائيًا بسهولة. فهي تستهلك مساحة أقل ويمكنها الدوران بشكل كامل، ما يجعلها مثالية في إعدادات المصفوفات الطورية المزدحمة حيث تكون المساحة عاملاً مهمًا. ويمكن لهذه الموصلات أيضًا التعامل بموثوقية مع إشارات تصل إلى 40 غيغاهرتز. ولكن انتبه إلى أمر واحد: إن نقاط الاتصال المرنة هذه تؤدي في الواقع إلى فقد أكبر للإشارة مقارنة بالموصلات الدقيقة الصلبة، إذ تبلغ الزيادة نحو 0.3 ديسيبل إضافية عند 30 غيغاهرتز وفقًا للقياسات.

موصلات الهواء العازلة عالية الدقة (مثل APC-7) وموصلات BMAM: مزايا الاستقرار الطوري وعرض النطاق الترددي فوق 40 جيجاهرتز

عند التشغيل عند ترددات تزيد عن 40 جيجا هرتز، تزيل وصلات الهواء العازلة مثل سلسلة APC-7 المشكلات المرتبطة بمادة PTFE التي تسبب عدم استقرار في الطور، وتحقق اتساقًا ممتازًا في السعة ضمن ±0.05 ديسيبل حتى 110 جيجا هرتز. إن غياب الخرز في التصميم يساعد على تقليل قفزات المعاوقة المزعجة، ويحافظ على نسبة الموجة الثابتة للجهد أقل من 1.05 حتى عند مستويات 50 جيجا هرتز. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب أداءً ممتدًا، تقدم وصلات BMAM أداءً أعلى من خلال ختمها المحكم الخاص المصهور الذي يمنع مشكلات الأكسدة - وهي ميزة بالغة الأهمية عند التعامل مع الأقمار الصناعية التي تحتاج إلى آلاف دورات الاتصال. تتيح هذه الواجهات المتطورة التشغيل المتزامن عبر منافذ متعددة في أنظمة الرادار الحديثة، حيث يظل تتبع الطور دقيقًا بشكل ملحوظ مع انحراف لا يتجاوز 0.5 درجة عند 70 جيجا هرتز. تُظهر الاختبارات وفقًا لمعايير IEEE MTT-S أنها تتفوق على الخيارات المعبأة بالبوليمر بنسبة تقارب 40٪ من حيث الحفاظ على الثبات مع مرور الوقت.

معايير اختيار الموصلات الراديوية الحرجة للأنظمة ذات الموجات الملليمترية

يتطلب اختيار الموصلات الراديوية للأنظمة ذات الموجات الملليمترية (التقنيات > 30 جيجاهرتز) التحقق الدقيق من ثلاثة مخاطر تتعلق بالأداء الكهرومغناطيسي:

• سلوك القطع : يجب أن تمنع أبعاد الموصلات ظهور الوضعيات ذات الرتبة الأعلى. عند 40 جيجاهرتز، يكون الحد النظري لقطع موصل 2.92 مم حوالي 46 جيجاهرتز — ولكن قد تؤدي تسامحات التصنيع إلى تنشيط مبكر للوضعيات، مما يقلل من وفاء الإشارة.
• التشويه التوافقي : تولد واجهات التلامس غير الخطية إشارات تلقائية عند مضاعفات التردد الأساسي. تقلل تلامسات النحاس البريليوم مطلية بالذهب التشويش التوافقي بمقدار 15 ديسيبل-ك مقابل التلامسات النحاسية المصقولة بالفضة، مما يحافظ على نقاء الطيف.
• الرنين العازل : تُظهر العوازل البوليمرية قمم امتصاص رنينية فوق 26 جيجاهرتز. تلغي التصاميم ذات العازل الهوائي هذه الظاهرة تمامًا، وتحافظ على نسبة الموجة الثابتة بالجهد (VSWR) أقل من 1.15 حتى 50 جيجاهرتز.

عوامل خسائر الإدخال: تأثير مادة الموصل، خشونة السطح، والتحجيم الهندسي على خسائر الموصلات الراديوية

يَزداد فقد الإدخال في وصلات الموجات الملليمترية عالية التردد بشكل غير خطي بسبب ثلاثة عوامل رئيسية:

1. مُقاومة التوصيل : يقلل النحاس الخالي من الأكسجين (Î = 58 MS/m) من فقد تأثير الجلد بنسبة 22٪ مقارنةً بالنحاس الأصفر عند 60 جيجاهرتز.
2. خشونة السطح : يؤدي خشونة السطح الجذرية التربيعية التي تتجاوز 0.4 ميكرومتر إلى زيادة الفقد بمقدار 0.05 ديسيبل/سم عند 40 جيجاهرتز؛ وتُحافظ الوصلات المصقولة تلميعًا عاكسًا على تدهور أقل من 0.01 ديسيبل لكل وصلة.
3. الانقطاعات الهندسية : يتسبب عدم المحاذاة في الموصل المركزي بمقدار 5 ميكرومتر في فقد إضافي قدره 0.2 ديسيبل عند 50 جيجاهرتز بسبب تجمع التيار — مما يبرز الحاجة إلى هندسات اتصال هiperbolية أو مُشَقّقة.

التحقق من مدى التردد: سلوك القطع، قمع الوضع، ومخاطر التوافقيات فوق 26 جيجاهرتز

يتطلب التشغيل المستقر للطور فوق 26 جيجاهرتز تحكمًا دقيقًا في ثلاثة معايير:

• تسامح المعاوقة : الحفاظ على 50 أوم ±0.5 أوم يحد من الانعكاسات الناتجة عن نسبة الموجة الثابتة للجهد (VSWR). تتجاوز وصلات SMA القياسية تسامح ±2 أوم فوق 18 جيجاهرتز، مما يجعلها غير مناسبة للاستخدام في نطاق الموجات الملليمترية.
• خسارة العودة : مواصفة تزيد عن 20 ديسيبل تمنع الموجات الثابتة في إعدادات الاختبار؛ وتحقق الموصلات الدقيقة أكثر من 26 ديسيبل حتى 40 جيجاهرتز.
• الانزياح الحراري : نسبة الموجة الثابتة للجهد (VSWR) أقل من 0.05 عبر مدى درجة حرارة من -55°م إلى +125°م تضمن أداءً متسقًا في بيئات الرادار والفضاء الجوي.

الحفاظ على سلامة المعاوقة والتحكم في نسبة الموجة الثابتة للجهد (VSWR) في واجهات الموصلات عالية التردد

تراكم التسامحات، محاذاة الاتصال المركزي، وتدهور فقد العودة فوق 20 جيجاهرتز

يصبح الحفاظ على عَدم الاستقرار أمرًا صعبًا للغاية بمجرد الوصول إلى ترددات تزيد عن 20 غيغاهرتز. عند هذه المستويات العالية، يمكن للتغيرات الميكانيكية الصغيرة جدًا بمقاييس المايكرون أن تُفسد نسبة الموجة الثابتة للجهد (VSWR) بشكل كبير. وعند وجود عدم توافق مقداره 5 أوم بين المكونات، فإن ذلك يزيد فعليًا من انعكاسات الإشارة بنسبة حوالي 40٪ في أنظمة الموجات الملليمترية تلك. وهناك أمر آخر يستحق الملاحظة وهو مشكلات المحاذاة في الموصل المركزي. إذا كانت هذه المحاذاة خارج الموضع بأكثر من 0.05 مم، وهو ما يحدث غالبًا بسبب تراكم التحملات مع مرور الوقت، فإن فقدان الانعكاس ينخفض بين 3 إلى 6 ديسيبل عند 40 غيغاهرتز. ويؤدي هذا إلى مشكلات حقيقية مثل فقدان القدرة والتشوهات الطورية التي تصبح بالغة الأهمية لتشغيل هوائيات المصفوفة المرحلية بشكل سليم.

تقلل تقنيات المحاذاة الدقيقة من هذه التأثيرات:

• تقلل ملفات الاتصال القطعية الزائدة من VSWR إلى أقل من 1.15:1
• تُظهر واجهات التجعيد استقرارًا حراريًا أفضل بنسبة 18٪ أثناء دورات التغير من −40°م إلى +85°م
• تمنع الفجوات الهوائية المحدودة التحولات في المعاوقة الناتجة عن العازل

فوق 30 جيجاهرتز، يكون تأثير خشونة السطح هو المسيطر على سلوك الفقد. وتُبقي التوصيلات المصقولة حتى أقل من 0.1 ميكرومتر (Ra) فقد الإدخال أقل من 0.1 ديسيبل لكل وصلة. وفي حال عدم وجود مثل هذه الضوابط، فإن معامل الاست standing wave ratio (VSWR) الذي يتجاوز 1.5:1 يعكس أكثر من 4٪ من القدرة المرسلة—مما يؤدي إلى تدهور شديد في هامش الخطأ المتجه (EVM) للإشارات المُعدلة بتقنية 256-QAM.

دمج الكابل بالموصل الراديوي: تقليل الانقطاعات والانعكاسات

يُعدّ تحقيق الاتصال الصحيح بين الكابلات وموصلات الموجات الراديوية (RF) أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على إشارات نظيفة في الأنظمة عالية التردد التي نعمل معها يوميًا. فحتى أدنى اختلاف بسيط في المعاوقة، مثل 5 أوم، يمكن أن يتسبب في انعكاسات إشارة تصل إلى 40%. وهذه الانعكاسات تؤثر بشكل كبير على قياسات EVM الخاصة بالإشارات المُعدَّلة. ويزداد الوضع سوءًا عند الترددات المليمترية (mmWave) بسبب قِصر الطول الموجي جدًا. إذ يصبح أي انقطاع بسيط في الاستمرارية مصدرًا رئيسيًا لتشتت الإشارة عند هذه الترددات الأعلى. وعليه، يجب على المهندسين الانتباه لهذا الأمر، لأن تركيب الموصلات بشكل صحيح يُحدث فرقًا كبيرًا في أداء النظام. وعند التعامل مع هذه التحديات، هناك عدة أساليب يتبعها المهندسون عادةً لتقليل الانعكاسات غير المرغوب فيها.

• الحفاظ على استمرارية المعاوقة 50 أوم بدقة عبر جميع الواجهات
• استهداف نسبة الموجة الثابتة للجهد (VSWR) أقل من 1.2:1، خاصة في محطات القاعدة MIMO الضخمة حيث تتراكم سوء المطابقة بشكل متسلسل
• استخدم الموصلات المموجة، التي توفر استقرارًا حراريًا أفضل بنسبة 18٪ مقارنة بالبدائل الناعمة خلال نطاق درجات حرارة من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية.

يمنع المحاذاة الدقيقة لمخترقات المركز وهياكل الدعم العازل تدهور فقدان العودة فوق 20 جيجاهرتز. وترجع التحليلات الصناعية ما يقارب الثلث من مشكلات تأخر شبكات 5G في المناطق الحضرية إلى سوء مطابقة خطوط الكواكسيال، مما يبرز أن التكامل الأمثل يجمع بين الاتساق الهندسي والمواد المصممة لتقليل خشونة السطح وقمع إثارة الوضع الشاذ.

قسم الأسئلة الشائعة

• ما هي العيوب الرئيسية لموصلات SMA؟

  العيب الرئيسي لموصلات SMA هو أن خيوطها تتآكل بعد حوالي 500 مرة من التوصيل وفصل، مما يجعل التوصيلات المتكررة أقل موثوقية مع مرور الوقت.

• لماذا تُفضل موصلات العازل الهوائي فوق 40 جيجاهرتز؟

  تُفضَّل الموصلات ذات العازل الهوائي، مثل سلسلة APC-7، فوق 40 جيجاهرتز لأنها تُلغي مشكلات عدم استقرار الطور وتُحافظ على ثبات سعة مثير للإعجاب، وتقلل من قفزات المعاوقة لتحقيق أداء أفضل.

• ما العوامل التي تسهم في فقد الإدخال في موصلات الموجات الملليمترية عالية التردد؟

  يتأثر فقد الإدخال في موصلات الموجات الملليمترية عالية التردد بمقاومة الموصل، وخشونة السطح، وعدم الاستمرارية الهندسية.

• كيف يقلل المهندسون من انعكاسات الإشارة في الأنظمة عالية التردد؟

  يقلل المهندسون من انعكاسات الإشارة من خلال الحفاظ على استمرارية صارمة في المعاوقة تبلغ 50 أوم، والهدف من نسبـة الموجـة الساكنـة (VSWR) أقل من 1.2:1، واستخدام موصلات متموجة لتحقيق استقرار حراري أفضل أثناء الدورات.

• لماذا يكون محاذاة التلامس المركزي أمرًا بالغ الأهمية فوق 20 جيجاهرتز؟

  تُعد محاذاة التلامس المركزي أمرًا بالغ الأهمية فوق 20 جيجاهرتز لأن سوء المحاذاة يمكن أن يؤدي إلى تدهور كبير في فقد العودة، مما يسبب فقدان الطاقة وتشوهات في الطور ضرورية لتشغيل هوائيات المصفوفة الطورية.