ข่าวสาร - การแปลงพลังงานในเสาอากาศเรดาร์

ในวงจรหรือระบบไมโครเวฟ วงจรหรือระบบทั้งหมดมักประกอบด้วยอุปกรณ์ไมโครเวฟพื้นฐานหลายอย่าง เช่น ตัวกรอง คัปเปิล ตัวแบ่งกำลัง ฯลฯ หวังว่าอุปกรณ์เหล่านี้จะช่วยให้ส่งกำลังสัญญาณจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยมีการสูญเสียให้น้อยที่สุด

ในระบบเรดาร์ยานพาหนะทั้งหมด การแปลงพลังงานส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานจากชิปไปยังฟีดเดอร์บนแผงวงจรพิมพ์ การถ่ายโอนฟีดเดอร์ไปยังตัวเสาอากาศ และการแผ่พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพโดยเสาอากาศ ในกระบวนการถ่ายโอนพลังงานทั้งหมด ส่วนสำคัญคือการออกแบบตัวแปลงสัญญาณ ตัวแปลงสัญญาณในระบบคลื่นมิลลิเมตรส่วนใหญ่ประกอบด้วยการแปลงไมโครสตริปเป็นซับสเตรตอินทิเกรตเวฟไกด์ (SIW) การแปลงไมโครสตริปเป็นเวฟไกด์ การแปลง SIW เป็นเวฟไกด์ การแปลงโคแอกเชียลเป็นเวฟไกด์ การแปลงเวฟไกด์เป็นเวฟไกด์ และการแปลงเวฟไกด์ประเภทต่างๆ ฉบับนี้จะมุ่งเน้นไปที่การออกแบบการแปลง SIW ไมโครแบนด์

โครงสร้างการขนส่งประเภทต่างๆ

ไมโครสตริปเป็นหนึ่งในโครงสร้างนำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดที่ความถี่ไมโครเวฟค่อนข้างต่ำ ข้อดีหลักคือโครงสร้างที่เรียบง่าย ต้นทุนต่ำ และการผสานรวมที่สูงกับส่วนประกอบที่ติดตั้งบนพื้นผิว สายไมโครสตริปทั่วไปจะขึ้นรูปโดยใช้ตัวนำไฟฟ้าที่ด้านหนึ่งของแผ่นรองรับชั้นไดอิเล็กทริก โดยสร้างระนาบกราวด์เดี่ยวที่อีกด้านหนึ่งโดยมีอากาศอยู่เหนือตัวนำนั้น ตัวนำด้านบนโดยทั่วไปเป็นวัสดุนำไฟฟ้า (โดยปกติคือทองแดง) ที่ถูกขึ้นรูปเป็นเส้นลวดแคบ ความกว้างของเส้น ความหนา ค่าสัมพัทธ์ของค่าการอนุญาต และค่าแทนเจนต์การสูญเสียไดอิเล็กทริกของแผ่นรองรับเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญ นอกจากนี้ ความหนาของตัวนำ (เช่น ความหนาของโลหะ) และค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำก็มีความสำคัญอย่างยิ่งที่ความถี่สูง ด้วยการพิจารณาพารามิเตอร์เหล่านี้อย่างรอบคอบและใช้สายไมโครสตริปเป็นหน่วยพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์อื่นๆ จึงสามารถออกแบบอุปกรณ์และส่วนประกอบไมโครเวฟแบบพิมพ์ได้มากมาย เช่น ตัวกรอง คัปเปลอร์ ตัวแบ่งกำลัง/ตัวรวมกำลัง มิกเซอร์ ฯลฯ อย่างไรก็ตาม เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น (เมื่อเปลี่ยนไปสู่ความถี่ไมโครเวฟที่ค่อนข้างสูง) การสูญเสียสัญญาณจะเพิ่มขึ้นและเกิดการแผ่รังสี ดังนั้น ท่อนำคลื่นแบบท่อกลวง เช่น ท่อนำคลื่นทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า จึงเป็นที่นิยมมากกว่าเนื่องจากมีการสูญเสียพลังงานน้อยกว่าที่ความถี่สูง (ไม่มีการแผ่รังสี) โดยทั่วไปแล้ว ภายในท่อนำคลื่นจะเป็นอากาศ แต่หากต้องการ สามารถเติมวัสดุไดอิเล็กทริกลงไปได้ ซึ่งจะทำให้มีพื้นที่หน้าตัดเล็กกว่าท่อนำคลื่นแบบบรรจุก๊าซ อย่างไรก็ตาม ท่อนำคลื่นแบบท่อกลวงมักจะมีขนาดใหญ่ อาจมีน้ำหนักมาก โดยเฉพาะที่ความถี่ต่ำ ต้องใช้ข้อกำหนดด้านการผลิตที่สูงกว่า และมีราคาแพง และไม่สามารถนำไปประกอบกับโครงสร้างพิมพ์แบบระนาบได้

ผลิตภัณฑ์เสาอากาศไมโครสตริป RFMISO：

RM-MA25527-22,25.5-27GHz

RM-MA425435-22,4.25-4.35GHz

อีกโครงสร้างหนึ่งเป็นโครงสร้างนำแบบไฮบริดระหว่างโครงสร้างไมโครสตริปและท่อนำคลื่น เรียกว่า ท่อนำคลื่นแบบรวมพื้นผิว (SIW) SIW คือโครงสร้างคล้ายท่อนำคลื่นแบบรวมที่สร้างขึ้นบนวัสดุไดอิเล็กทริก โดยมีตัวนำอยู่ด้านบนและด้านล่าง และมีผนังด้านข้างเป็นเส้นตรงของรูทะลุโลหะสองรู เมื่อเทียบกับโครงสร้างไมโครสตริปและท่อนำคลื่นแล้ว SIW คุ้มค่า มีกระบวนการผลิตที่ค่อนข้างง่าย และสามารถนำไปใช้งานร่วมกับอุปกรณ์แบบระนาบได้ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพที่ความถี่สูงยังดีกว่าโครงสร้างไมโครสตริปและมีคุณสมบัติการกระจายตัวของท่อนำคลื่น ดังแสดงในรูปที่ 1

แนวทางการออกแบบ SIW

ท่อนำคลื่นแบบรวมซับสเตรต (SIW) เป็นโครงสร้างคล้ายท่อนำคลื่นแบบรวมที่สร้างขึ้นโดยใช้รูทะลุโลหะสองแถวฝังอยู่ในแผ่นโลหะที่เชื่อมต่อแผ่นโลหะสองแผ่นขนานกัน ผนังด้านข้างเป็นรูโลหะที่ทะลุผ่าน โครงสร้างนี้มีลักษณะเฉพาะของเส้นไมโครสตริปและท่อนำคลื่น กระบวนการผลิตก็คล้ายกับโครงสร้างแบนพิมพ์อื่นๆ รูปทรงเรขาคณิตของท่อนำคลื่นแบบรวมซับสเตรต (SIW) ทั่วไปแสดงในรูปที่ 2.1 โดยใช้ความกว้าง (เช่น ระยะห่างระหว่างท่อนำคลื่นในทิศทางด้านข้าง (as)) เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อนำคลื่น (d) และความยาวพิทช์ (p) ในการออกแบบโครงสร้าง SIW พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่สำคัญที่สุด (แสดงในรูปที่ 2.1) จะอธิบายไว้ในหัวข้อถัดไป โปรดทราบว่าโหมดหลักคือ TE10 เช่นเดียวกับท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ตัด fc ของท่อนำคลื่นแบบเติมอากาศ (AFWG) และท่อนำคลื่นแบบเติมไดอิเล็กทริก (DFWG) และขนาด a และ b เป็นจุดแรกของการออกแบบท่อนำคลื่นแบบรวมซับสเตรต สำหรับท่อนำคลื่นที่เติมอากาศ ความถี่ตัดจะเป็นไปตามที่แสดงในสูตรด้านล่าง

โครงสร้างพื้นฐาน SIW และสูตรการคำนวณ[1]

โดยที่ c คือความเร็วแสงในอวกาศว่าง m และ n คือโหมด a คือขนาดของท่อนำคลื่นที่ยาวกว่า และ b คือขนาดของท่อนำคลื่นที่สั้นกว่า เมื่อท่อนำคลื่นทำงานในโหมด TE10 สามารถลดรูปให้เหลือ fc=c/2a เมื่อท่อนำคลื่นถูกเติมด้วยสารไดอิเล็กตริก ความยาวด้านกว้าง a คำนวณได้จาก ad=a/Sqrt(εr) โดยที่ εr คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลาง เพื่อให้ SIW ทำงานในโหมด TE10 ระยะห่างของรูทะลุ p เส้นผ่านศูนย์กลาง d และด้านกว้าง as ควรเป็นไปตามสูตรที่มุมขวาบนของรูปด้านล่าง และยังมีสูตรเชิงประจักษ์ของ d<λg และ p<2d [2] อีกด้วย

โดยที่ λg คือความยาวคลื่นของคลื่นนำทาง: ในขณะเดียวกัน ความหนาของวัสดุรองรับจะไม่ส่งผลต่อการออกแบบขนาด SIW แต่จะส่งผลต่อการสูญเสียของโครงสร้าง ดังนั้นจึงควรพิจารณาข้อดีของการสูญเสียต่ำของวัสดุรองรับที่มีความหนาสูง

การแปลงไมโครสตริปเป็น SIW
เมื่อจำเป็นต้องเชื่อมต่อโครงสร้างไมโครสตริปเข้ากับ SIW การเปลี่ยนผ่านไมโครสตริปแบบเรียวเป็นหนึ่งในวิธีการเปลี่ยนผ่านหลักที่นิยมใช้ และการเปลี่ยนผ่านแบบเรียวมักจะให้การจับคู่แบบบรอดแบนด์เมื่อเทียบกับการเปลี่ยนผ่านแบบพิมพ์อื่นๆ โครงสร้างการเปลี่ยนผ่านที่ออกแบบมาอย่างดีจะมีการสะท้อนที่ต่ำมาก และการสูญเสียการแทรกส่วนใหญ่เกิดจากการสูญเสียของไดอิเล็กทริกและตัวนำ การเลือกวัสดุรองรับและวัสดุตัวนำเป็นตัวกำหนดการสูญเสียของการเปลี่ยนผ่าน เนื่องจากความหนาของวัสดุรองรับเป็นอุปสรรคต่อความกว้างของเส้นไมโครสตริป จึงควรปรับพารามิเตอร์ของการเปลี่ยนผ่านแบบเรียวเมื่อความหนาของวัสดุรองรับเปลี่ยนแปลง ท่อนำคลื่นโคพลานาร์แบบกราวด์อีกประเภทหนึ่ง (GCPW) ก็เป็นโครงสร้างสายส่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบความถี่สูงเช่นกัน ตัวนำด้านข้างที่อยู่ใกล้กับสายส่งกลางยังทำหน้าที่เป็นกราวด์อีกด้วย โดยการปรับความกว้างของฟีดเดอร์หลักและช่องว่างกับกราวด์ด้านข้าง จะสามารถได้ค่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะที่ต้องการ

ไมโครสตริปถึง SIW และ GCPW ถึง SIW

รูปด้านล่างเป็นตัวอย่างการออกแบบไมโครสตริปสำหรับ SIW ตัวกลางที่ใช้คือ Rogers3003 ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกคือ 3.0 ค่าการสูญเสียที่แท้จริงคือ 0.001 และความหนาคือ 0.127 มม. ความกว้างของตัวป้อนทั้งสองด้านคือ 0.28 มม. ซึ่งตรงกับความกว้างของตัวป้อนเสาอากาศ เส้นผ่านศูนย์กลางรูทะลุคือ d = 0.4 มม. และระยะห่าง p = 0.6 มม. ขนาดการจำลองคือ 50 มม. * 12 มม. * 0.127 มม. การสูญเสียโดยรวมในแถบผ่านอยู่ที่ประมาณ 1.5dB (ซึ่งสามารถลดลงได้อีกโดยการปรับระยะห่างด้านกว้างให้เหมาะสม)