ข่าว - การแปลงพลังงานในเสาอากาศเรดาร์

ในวงจรหรือระบบไมโครเวฟ วงจรหรือระบบทั้งหมดมักประกอบด้วยอุปกรณ์ไมโครเวฟพื้นฐานหลายอย่าง เช่น ตัวกรอง ตัวเชื่อมต่อ ตัวแบ่งกำลัง ฯลฯ โดยหวังว่าด้วยอุปกรณ์เหล่านี้ จะสามารถส่งกำลังสัญญาณจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด

ในระบบเรดาร์ยานยนต์ทั้งหมด การแปลงพลังงานส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานจากชิปไปยังตัวป้อนบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) การถ่ายโอนจากตัวป้อนไปยังตัวเสาอากาศ และการแผ่รังสีพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพโดยเสาอากาศ ในกระบวนการถ่ายโอนพลังงานทั้งหมด ส่วนสำคัญคือการออกแบบตัวแปลง ตัวแปลงในระบบคลื่นมิลลิเมตรส่วนใหญ่ประกอบด้วยการแปลงจากไมโครสตริปเป็นตัวนำคลื่นแบบรวมบนพื้นผิว (SIW) การแปลงจากไมโครสตริปเป็นตัวนำคลื่น การแปลงจาก SIW เป็นตัวนำคลื่น การแปลงจากโคแอกเซียลเป็นตัวนำคลื่น การแปลงจากตัวนำคลื่นเป็นตัวนำคลื่น และการแปลงตัวนำคลื่นประเภทต่างๆ บทความนี้จะเน้นที่การออกแบบการแปลง SIW ในย่านความถี่ไมโคร

โครงสร้างการขนส่งประเภทต่างๆ

ไมโครสตริปสายไมโครสตริปเป็นหนึ่งในโครงสร้างนำทางที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในย่านความถี่ไมโครเวฟต่ำ ข้อดีหลักๆ คือ โครงสร้างที่เรียบง่าย ต้นทุนต่ำ และสามารถรวมเข้ากับชิ้นส่วนแบบติดตั้งบนพื้นผิวได้อย่างดีเยี่ยม โดยทั่วไปแล้ว สายไมโครสตริปจะประกอบด้วยตัวนำไฟฟ้าด้านหนึ่งของชั้นฉนวน ทำให้เกิดระนาบกราวด์เดียวอีกด้านหนึ่ง โดยมีอากาศอยู่ด้านบน ตัวนำด้านบนโดยพื้นฐานแล้วเป็นวัสดุตัวนำ (โดยปกติคือทองแดง) ที่ขึ้นรูปเป็นเส้นลวดแคบๆ ความกว้าง ความหนา ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ และค่าแทนเจนต์การสูญเสียทางไฟฟ้าของวัสดุรองรับเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญ นอกจากนี้ ความหนาของตัวนำ (เช่น ความหนาของโลหะ) และค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำก็มีความสำคัญเช่นกันที่ความถี่สูงขึ้น การพิจารณาพารามิเตอร์เหล่านี้อย่างรอบคอบและใช้สายไมโครสตริปเป็นหน่วยพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์อื่นๆ ทำให้สามารถออกแบบอุปกรณ์และชิ้นส่วนไมโครเวฟแบบพิมพ์ได้มากมาย เช่น ตัวกรอง ตัวเชื่อมต่อ ตัวแบ่ง/ตัวรวมกำลัง ตัวผสมสัญญาณ เป็นต้น อย่างไรก็ตาม เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น (เมื่อเปลี่ยนไปใช้ความถี่ไมโครเวฟสูง) การสูญเสียในการส่งสัญญาณจะเพิ่มขึ้นและเกิดการแผ่รังสีขึ้น ดังนั้น ท่อนำคลื่นกลวง เช่น ท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า จึงเป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากมีการสูญเสียที่ความถี่สูงน้อยกว่า (ไม่มีการแผ่รังสี) โดยปกติแล้วภายในท่อนำคลื่นจะเป็นอากาศ แต่หากต้องการก็สามารถเติมวัสดุไดอิเล็กทริกเข้าไปได้ ซึ่งจะทำให้มีพื้นที่หน้าตัดเล็กกว่าท่อนำคลื่นที่บรรจุด้วยก๊าซ อย่างไรก็ตาม ท่อนำคลื่นกลวงมักมีขนาดใหญ่ หนัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่ต่ำ ต้องใช้กระบวนการผลิตที่ซับซ้อนกว่า มีราคาแพง และไม่สามารถรวมเข้ากับโครงสร้างพิมพ์แบบระนาบได้

ผลิตภัณฑ์เสาอากาศไมโครสตริป RFMISO:

RM-MA25527-22,25.5-27GHz

RM-MA425435-22,4.25-4.35GHz

อีกแบบหนึ่งคือโครงสร้างนำทางแบบไฮบริดระหว่างโครงสร้างไมโครสตริปและท่อนำคลื่น เรียกว่า ท่อนำคลื่นแบบรวมในวัสดุพื้นฐาน (Substrate Integrated Waveguide หรือ SIW) SIW เป็นโครงสร้างคล้ายท่อนำคลื่นแบบรวมที่สร้างขึ้นบนวัสดุไดอิเล็กทริก โดยมีตัวนำอยู่ด้านบนและด้านล่าง และมีแถวของรูโลหะสองรูเรียงเป็นเส้นตรงเพื่อสร้างผนังด้านข้าง เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างไมโครสตริปและท่อนำคลื่นแล้ว SIW มีต้นทุนต่ำกว่า มีกระบวนการผลิตที่ค่อนข้างง่าย และสามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์แบบระนาบได้ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพที่ความถี่สูงยังดีกว่าโครงสร้างไมโครสตริปและมีคุณสมบัติการกระจายตัวของท่อนำคลื่น ดังแสดงในรูปที่ 1

แนวทางการออกแบบ SIW

โครงสร้างนำคลื่นแบบรวมในวัสดุรองรับ (Substrate integrated waveguides หรือ SIWs) คือโครงสร้างคล้ายนำคลื่นแบบรวมที่สร้างขึ้นโดยใช้รูโลหะสองแถวที่ฝังอยู่ในวัสดุไดอิเล็กทริกเชื่อมต่อแผ่นโลหะขนานสองแผ่น แถวของรูทะลุโลหะจะทำหน้าที่เป็นผนังด้านข้าง โครงสร้างนี้มีคุณลักษณะของสายไมโครสตริปและนำคลื่น กระบวนการผลิตก็คล้ายกับโครงสร้างแบนพิมพ์อื่นๆ รูปทรงเรขาคณิตของ SIW ทั่วไปแสดงในรูปที่ 2.1 โดยความกว้าง (เช่น ระยะห่างระหว่างรูในทิศทางด้านข้าง (as)) เส้นผ่านศูนย์กลางของรู (d) และความยาวช่วง (p) ถูกนำมาใช้ในการออกแบบโครงสร้าง SIW พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่สำคัญที่สุด (แสดงในรูปที่ 2.1) จะอธิบายในส่วนถัดไป โปรดทราบว่าโหมดเด่นคือ TE10 เช่นเดียวกับนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ตัด fc ของนำคลื่นที่เติมอากาศ (AFWG) และนำคลื่นที่เติมไดอิเล็กทริก (DFWG) กับมิติ a และ b เป็นจุดแรกของการออกแบบ SIW สำหรับท่อนำคลื่นที่บรรจุอากาศ ความถี่ตัดจะแสดงตามสูตรด้านล่าง

โครงสร้างพื้นฐานและสูตรการคำนวณของ SIW[1]

โดยที่ c คือความเร็วแสงในพื้นที่ว่าง m และ n คือโหมด a คือขนาดของท่อนำคลื่นที่ยาวกว่า และ b คือขนาดของท่อนำคลื่นที่สั้นกว่า เมื่อท่อนำคลื่นทำงานในโหมด TE10 สามารถลดรูปได้เป็น fc=c/2a เมื่อท่อนำคลื่นเต็มไปด้วยไดอิเล็กทริก ความยาวด้านข้าง a จะคำนวณได้จาก ad=a/Sqrt(εr) โดยที่ εr คือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของตัวกลาง เพื่อให้ SIW ทำงานในโหมด TE10 ระยะห่างของรูทะลุ p เส้นผ่านศูนย์กลาง d และด้านกว้าง as ควรเป็นไปตามสูตรทางด้านบนขวาของรูปด้านล่าง และยังมีสูตรเชิงประจักษ์ของ d<λg และ p<2d [2]

โดยที่ λg คือความยาวคลื่นนำทาง: ในขณะเดียวกัน ความหนาของวัสดุรองรับจะไม่ส่งผลต่อการออกแบบขนาดของ SIW แต่จะส่งผลต่อการสูญเสียของโครงสร้าง ดังนั้นควรพิจารณาข้อดีของการสูญเสียต่ำของวัสดุรองรับที่มีความหนามาก

การแปลงไมโครสตริปเป็น SIW
เมื่อต้องการเชื่อมต่อโครงสร้างไมโครสตริปเข้ากับ SIW นั้น การเปลี่ยนผ่านแบบไมโครสตริปเรียวเป็นหนึ่งในวิธีการเปลี่ยนผ่านหลักที่นิยมใช้ และการเปลี่ยนผ่านแบบเรียวมักให้การจับคู่แบบบรอดแบนด์ที่ดีกว่าการเปลี่ยนผ่านแบบพิมพ์อื่นๆ โครงสร้างการเปลี่ยนผ่านที่ออกแบบมาอย่างดีจะมีค่าการสะท้อนต่ำมาก และการสูญเสียการแทรกส่วนใหญ่เกิดจากการสูญเสียของไดอิเล็กทริกและตัวนำ การเลือกวัสดุของพื้นผิวและตัวนำเป็นตัวกำหนดการสูญเสียของการเปลี่ยนผ่านเป็นหลัก เนื่องจากความหนาของพื้นผิวจำกัดความกว้างของสายไมโครสตริป ดังนั้นพารามิเตอร์ของการเปลี่ยนผ่านแบบเรียวจึงควรได้รับการปรับเปลี่ยนเมื่อความหนาของพื้นผิวเปลี่ยนแปลง อีกประเภทหนึ่งคือตัวนำคลื่นร่วมระนาบแบบต่อลงดิน (GCPW) ซึ่งเป็นโครงสร้างสายส่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบความถี่สูง ตัวนำด้านข้างที่อยู่ใกล้กับสายส่งระดับกลางยังทำหน้าที่เป็นกราวด์ด้วย การปรับความกว้างของตัวป้อนหลักและช่องว่างไปยังกราวด์ด้านข้างจะทำให้ได้ค่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะที่ต้องการ

ไมโครสตริปไปยัง SIW และ GCPW ไปยัง SIW

รูปด้านล่างเป็นตัวอย่างการออกแบบไมโครสตริปไปยัง SIW (Self-Induced Waveform) ตัวกลางที่ใช้คือ Rogers3003 ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกคือ 3.0 ค่าการสูญเสียจริงคือ 0.001 และความหนาคือ 0.127 มม. ความกว้างของสายป้อนที่ปลายทั้งสองข้างคือ 0.28 มม. ซึ่งตรงกับความกว้างของสายป้อนเสาอากาศ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูทะลุคือ d = 0.4 มม. และระยะห่าง p = 0.6 มม. ขนาดของการจำลองคือ 50 มม. * 12 มม. * 0.127 มม. การสูญเสียโดยรวมในย่านความถี่ผ่านประมาณ 1.5 dB (ซึ่งสามารถลดลงได้อีกโดยการปรับระยะห่างด้านกว้างให้เหมาะสม)