كيف تختبر مقرن اتجاهي

لاختبار الموجه الاتجاهي (directional coupler)، قم بتوصيله بمولد إشارات (المخرجات: +10 ديسيبل مللي واط، 2-4 جيجاهرتز) ومحلل طيف. قم بقياس طاقة الإدخال (Pin) عند المنفذ الرئيسي، والطاقة الموجهة (Pcouple) عند المنفذ الموجه، وطاقة المنفذ المعزول (Piso). احسب خسارة الإدخال (Pin-Pthru، النموذجية 0.5-2 ديسيبل)، والعزل (Pin-Piso ≥20 ديسيبل)، والاتجاهية (Pcouple-Piso ≥30 ديسيبل) للتحقق من الأداء.

قياس خسارة الإدخال

بالنسبة لموجه مصمم جيداً يعمل في نطاقه المحدد، مثل 2-4 جيجاهرتز، يتوقع أن تكون هذه الخسارة منخفضة جداً، تتراوح عادةً بين 0.1 ديسيبل و 0.5 ديسيبل. قد يبدو هذا الرقم صغيراً، ولكن في نظام عالي الكسب أو سلسلة مضخمات متعددة المراحل، حتى نصف ديسيبل من الخسارة غير المتوقعة يمكن أن يقلل من أداء الضوضاء الإجمالي وطاقة المخرجات. على سبيل المثال، خسارة قدرها 0.3 ديسيبل تترجم إلى انخفاض بنسبة 7% في الطاقة الواصلة إلى الحمل. الهدف هو التحقق من مواصفات الشركة المصنعة، والتي تُذكر غالباً كـ “≤ 0.5 ديسيبل”، والتأكد من ثباتها عبر نطاق التردد بالكامل.

أولاً، قم بمعايرة محلل شبكة المتجهات (VNA) باستخدام طقم معايرة SOLT القياسي لنطاق التردد الذي تختبره، وليكن 1-6 جيجاهرتز. هذا يقلل من خطأ النظام، ويجعل عدم اليقين في القياس يصل إلى حوالي ±0.05 ديسيبل. بعد المعايرة، قم بتوصيل الموجه في تكوين عبور (thru): المنفذ 1 من الـ VNA بمنفذ الإدخال (INPUT) للموجه، ومنفذ المخرجات (OUTPUT) بالمنفذ 2 من الـ VNA. تأكد من إنهاء المنافذ الموجهة بأحمال 50 أوم عالية الجودة ذات خسارة عودة أفضل من -40 ديسيبل. هذا أمر بالغ الأهمية؛ فأي طاقة منعكسة من هذه المنافذ يمكن أن تحرف قراءة خسارة الإدخال.

الآن، قم بإعداد مسح للتردد. بالنسبة لموجه 2-4 جيجاهرتز، يوفر المسح بـ 10,001 نقطة دقة عالية، مما يكشف عن أي انخفاضات أو قمم ضيقة. المعلمة التي تبحث عنها هي S21 (الانتقال من المنفذ 1 إلى المنفذ 2). المفتاح هو النظر في القيم الدنيا والقصوى والمتوسطة لـ S21 عبر النطاق بالكامل. الموجه الجيد سيكون له استجابة مسطحة. إذا رأيت ارتفاعاً مفاجئاً إلى 1.5 ديسيبل عند 3.8 جيجاهرتز، فهذه علامة خطر كبيرة تشير إلى خلل داخلي محتمل أو عدم تطابق في الممانعة.

التحقق من الاتجاهية باستخدام الحمل

الاتجاهية العالية، ولتكن 40 ديسيبل أو أكثر، تعني أن الموجه الخاص بك يعزل الإشارة الأمامية بفعالية، وهو أمر ضروري لقياسات الطاقة وخسارة العودة الدقيقة. على سبيل المثال، الموجه ذو الاتجاهية البالغة 30 ديسيبل يمكن أن يتسبب في خطأ قدره ±0.5 ديسيبل في قياسات خسارة العودة، وهو ما قد يكون مقبولاً للمهام الأساسية. ومع ذلك، للعمل الدقيق مثل اختبار خطية المضخم، تحتاج إلى موجه باتجاهية تتراوح بين 45 ديسيبل إلى 50 ديسيبل للحفاظ على أخطاء القياس دون ±0.1 ديسيبل.

قم بتوصيل الموجه: منفذ الإدخال بالمنفذ 1، ومنفذ المخرجات بالمنفذ 2، وقم بإنهاء المنفذ المعزول (ISOLATED) بحمل 50 أوم عالي الجودة. جودة هذا الحمل هي المفتاح؛ يجب أن تكون خسارة العودة الخاصة به أفضل من -40 ديسيبل. الحمل الضعيف سيؤدي إلى انعكاس الطاقة وإفساد قراءة الاتجاهية. للمقياس الأول، قم بإنهاء المنفذ الموجه (COUPLED) بحمل آخر مثالي وقس العزل العكسي، وهو معلمة S31. سجل هذه القيمة، على سبيل المثال، -32.5 ديسيبل عند 3.5 جيجاهرتز.

بعد ذلك مباشرة، استبدل الحمل المثالي على المنفذ الموجه بدائرة قصر (short circuit) معايرة. يتم حساب الاتجاهية عن طريق طرح القراءة الأولى من الثانية. الموجه الجيد يجب أن يعطي نتيجة قريبة جداً من القيمة المذكورة في ورقة البيانات وهي 40 ديسيبل. أي انخفاض حاد في الاتجاهية عند تردد معين يشير إلى وجود خلل في التصميم.

اختبار دقة قيمة التوجيه

الموجه المحدد بـ 20 ديسيبل يجب أن يستخرج بشكل موثوق 1% من طاقة الخط الرئيسي. ومع ذلك، فإن انحرافاً طفيفاً قدره ±0.5 ديسيبل عن هذه القيمة الاسمية يؤدي إلى خطأ بنسبة ±12% في حسابات الطاقة الخاصة بك.

لاختبار ذلك، استخدم VNA المعاير الخاص بك. قم بتوصيل المنفذ 1 بالإدخال، وأنهِ منفذ المخرجات بحمل 50 أوم. من الضروري أيضاً إنهاء المنفذ المعزول بحمل عالي الجودة؛ فتركه مفتوحاً يمكن أن يشوه النتائج بمقدار 0.2-0.3 ديسيبل. المعلمة المراد قياسها هي S21 من الإدخال إلى المنفذ الموجه. بالنسبة لموديل 20 ديسيبل، تتوقع رؤية خط مستقيم تقريباً عند -20 ديسيبل.

الاختبار الحقيقي يكمن في الانحراف. راقب تغير القمة إلى القمة (peak-to-peak variation). المواصفات البالغة 20 ديسيبل ± 0.5 ديسيبل تعني أن قياسك يجب أن يبقى بين -19.5 ديسيبل و -20.5 ديسيبل عبر النطاق بالكامل. وللحصول على دقة مطلقة، قارن قراءة الـ VNA بمقياس طاقة موثوق.

التحقق من نطاق استجابة التردد

نطاق التردد المحدد للموجه ليس مجرد اقتراح؛ بل هو الحدود الصارمة التي تظل فيها المعلمات الرئيسية ضمن الحدود القابلة للاستخدام. التشغيل خارج هذا النطاق يمكن أن يؤدي إلى تدهور سريع في الأداء.

• تغير قيمة التوجيه: تتبع الانحراف عن القيمة الاسمية (مثلاً 20.0 dB ± 0.5 dB).
• الحد الأدنى للاتجاهية: تحديد أدنى نقطة للاتجاهية، وهي ضرورية لدقة القياس.
• قمة خسارة الإدخال: ملاحظة أقصى خسارة إدخال، والتي تؤثر على طاقة الإشارة.
• تدهور خسارة العودة: مراقبة تطابق منافذ الإدخال والمخرجات (المثالي VSWR < 1.25:1).

قم بمراقبة جميع معلمات S الأربعة في نافذة عرض واحدة. راقب S31 (التوجيه) من حيث التسطيح. وراقب S41 (العزل) للتأكد من بقائه مرتفعاً، عادة فوق 40 ديسيبل، و S11 (خسارة عودة الإدخال) للتأكد من بقائه تحت -20 ديسيبل. النظرة الأكثر أهمية هي أثر الاتجاهية المحسوب؛ فأي انخفاض للاتجاهية تحت 25 ديسيبل داخل النطاق المحدد يجعل الموجه غير صالح للتطبيقات الدقيقة.

تقييم تطابق ممانعة المنافذ

فعالية الموجه تعتمد على تكامل منافذه بسلاسة في نظام 50 أوم. يؤدي تطابق المنفذ السيئ، الذي يظهر كنسبة موجة واقفة للجهد (VSWR) أكبر من 1.25:1، إلى العمل كمقياس انعكاس للإشارة داخل دائرتك.

• VSWR الإدخال/المخرجات: يجب أن يكون عادةً < 1.25:1 (خسارة العودة > -20 ديسيبل).
• تطابق المنفذ الموجه: غالباً ما يكون أسوأ قليلاً؛ < 1.35:1 مقبول.
• تطابق المنفذ المعزول: ضروري لدقة الاتجاهية؛ يجب أن يكون < 1.30:1.
• استقرار التطابق: يجب ألا تزاح الممانعة بأكثر من ±0.05 في الـ VSWR مع تغير الحرارة.

قم بإنهاء المنافذ الثلاثة الأخرى بأحمال عالية الجودة. بالنسبة لاختبار منفذ الإدخال، قم بقياس S11. المواصفات البالغة 1.20:1 VSWR تعني أن أثر S11 يجب أن يظل تحت -21 ديسيبل. كرر هذه العملية بدقة لكل منفذ. من المهم اختبار تطابق المنفذ الموجه تحت ظروف التشغيل الفعلية.

تقييم سعة التعامل مع الطاقة

تحدد تقييمات التعامل مع الطاقة — التي تُدرج غالباً كـ 50 واط كمتوسط و 500 واط كقمة — الحدود التشغيلية قبل تدهور الأداء أو حدوث تلف دائم.

“لا تختبر الموجه أبداً عند حده الأقصى المطلق. بالنسبة لوحدة 50 واط، صمم اختبارك ليصل إلى 45 واط، ثم راقب انحراف الأداء. يوفر هذا هامش أمان بنسبة 10%.”

لاختبار التعامل مع متوسط الطاقة، تحتاج إلى مولد إشارات، وحمل وهمي (dummy load) بقدرة 100 واط، ومقياس طاقة. ابدأ بمستوى طاقة منخفض وقم بزيادة الطاقة تدريجياً، مع الانتظار لمدة دقيقتين عند كل خطوة للاستقرار الحراري. الموجه المستقر سيظهر تغيراً أقل من ±0.1 ديسيبل في التوجيه.

يتطلب اختبار طاقة القمة (Peak power) مولد إشارات نبضي قادراً على توفير طاقة قمة عالية، واستخدام أوسيلوسكوب لمراقبة شكل الموجة عند المنفذ الموجه للبحث عن أقواس كهربائية (arcs) أو تشويه.

أي نقطة ساخنة (hotspot) تتجاوز 95 درجة مئوية على الهيكل تشير إلى ضعف انتقال الحرارة الداخلي، مما يقصر عمر المكون. بعد الاختبار، قس المقاومة المستمرة (DC resistance)؛ فأي تغير كبير يشير إلى تلف داخلي ناتج عن الحرارة الزائدة.