طرف توصيل (إلكترونيات)

في هندسة الموجات الميكروية والترددات الراديوية ، يُعرف الوصل الفرعي أو الوصل الفرعي الرنيني بأنه خط نقل أو دليل موجي متصل من طرف واحد فقط. يُترك الطرف الحر للوصل الفرعي إما مفتوح الدائرة أو موصولًا بدائرة قصر (كما هو الحال دائمًا في الأدلة الموجية). وبإهمال فقد خط النقل، تكون معاوقة دخل الوصل الفرعي تفاعلية بحتة ؛ إما سعوية أو حثية ، وذلك تبعًا للطول الكهربائي للوصل الفرعي، وما إذا كانت الدائرة مفتوحة أم قصر. وبالتالي، يمكن أن تعمل الوصلات الفرعية كمكثفات ومحاثات ودوائر رنانة عند الترددات الراديوية.

يعود سلوك الوصلات القصيرة إلى الموجات المستقرة على طولها. وتتحدد خصائصها التفاعلية بطولها الفيزيائي بالنسبة لطول موجة الموجات الراديوية. لذا، تُستخدم الوصلات القصيرة بكثرة في دوائر الترددات العالية جدًا (UHF) أو دوائر الميكروويف ، حيث تكون أطوال الموجات قصيرة بما يكفي لتصغير حجم الوصلة. ^{[ 1 ]} وغالبًا ما تُستخدم لاستبدال المكثفات والمحاثات المنفصلة، ​​لأن أداء المكونات المجمعة ضعيف عند ترددات UHF والميكروويف بسبب المفاعلة الطفيلية. ^{[ 1 ]} وتُستخدم الوصلات القصيرة عادةً في دوائر مطابقة معاوقة الهوائي ، والمرشحات الانتقائية للتردد ، ودوائر الرنين للمذبذبات الإلكترونية UHF ومضخمات الترددات الراديوية .

يمكن إنشاء دوائر فرعية باستخدام أي نوع من خطوط النقل : خطوط الموصلات المتوازية (وتُسمى خطوط ليشر )، والكابلات المحورية ، والخطوط الشريطية ، والموجهات الموجية ، والموجهات الموجية العازلة . ويمكن تصميم هذه الدوائر باستخدام مخطط سميث ، وهو أداة بيانية تُستخدم لتحديد طول الخط المطلوب للحصول على المفاعلة المطلوبة.

المعاوقة المدخلة لخط دائرة قصيرة عديم الفقد هي،

${\displaystyle Z_{\mathsf {sc}}~=~j\ Z_{0}\ \tan(\ \beta \ell \ )~}$

أين

${\displaystyle \ j\ }$هي الوحدة التخيلية (${\displaystyle \ j^{2}\equiv -1\ }$)

${\displaystyle \ Z_{0}\ }$هي المعاوقة المميزة للخط،

${\displaystyle \ \beta =2\pi /\lambda \ }$هو ثابت الطور للخط، و

${\displaystyle \ \ell \ }$هو الطول الفعلي للخط.

وبالتالي، يعتمد الأمر على ما إذا${\displaystyle \ \tan(\beta \ell )\ }$سواء كانت موجبة أو سالبة، فإن الوصلة القصيرة ستكون حثية أو سعوية، على التوالي.

طول وصلة قصيرة تعمل كمكثف C عند تردد زاوي قدره${\displaystyle \ \omega \ }$ثم يُعطى بالصيغة التالية:

${\displaystyle \ell ~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ (n+1)\ \pi \ -\ \arctan \left({\frac {1}{\ \omega CZ_{0}\ }}\right)\ \right]~;}$

يُعطى طول الوصلة القصيرة التي تعمل كمحث L عند نفس التردد بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \ell ~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ n\ \pi \ +\ \arctan \left({\frac {\ \omega L\ }{\ Z_{0}\ }}\right)\ \right]~,}$

حيث في كلتا المعادلتين، n هو عدد صحيح من أنصاف الأطوال الموجية (ربما صفر) التي يمكن إضافتها بشكل تعسفي إلى الخط دون تغيير المعاوقة.

تُعطى معاوقة الدخل لدائرة مفتوحة عديمة الفقد بالعلاقة التالية:

${\displaystyle Z_{\mathsf {oc}}=-j\ Z_{0}\ \cot(\ \beta \ell \ )~,}$

حيث الرموز${\displaystyle \ Z_{0},\beta ,\ell ,\omega ,\ }$إلخ. المستخدمة في هذا القسم لها نفس المعنى كما في القسم أعلاه.

ويترتب على ذلك أنه يعتمد على ما إذا${\displaystyle \cot(\beta \ell )}$إذا كانت قيمة التيار موجبة أو سالبة، فسيكون الطرف الموصل سعويًا أو حثيًا، على التوالي.

طول وصلة الدائرة المفتوحة التي تعمل كمحث L عند تردد زاوي قدره${\displaystyle \ \omega \ }$يكون:

${\displaystyle \ell ~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ (n+1)\ \pi \ -\ \operatorname {arccot} \left({\frac {\ \omega L\ }{Z_{0}}}\right)\ \right]~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ (n+1)\ \pi \ -\ \arctan \left({\frac {Z_{0}}{\ \omega L\ }}\right)\ \right]~;}$

طول وصلة الدائرة المفتوحة التي تعمل كمكثف C عند نفس التردد هو:

${\displaystyle \ell ~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ n\ \pi \ +\ \operatorname {arccot} \left({\frac {1}{\ \omega CZ_{0}\ }}\right)\ \right]~=~{\frac {1}{\ \beta \ }}\left[\ n\ \pi \ +\ \arctan \left(\ \omega CZ_{0}\ \right)\ \right]~,}$

حيث مرة أخرى، n هو عدد صحيح عشوائي من أنصاف الأطوال الموجية التي يمكن إدخالها في القطعة (بما في ذلك الصفر).

تُستخدم الوصلات القصيرة غالبًا كدوائر رنانة في المذبذبات ومرشحات العناصر الموزعة . وصلة قصيرة مفتوحة الدائرة بطول${\displaystyle \ \ell }$سيكون لها مقاومة سعوية عند التردد المنخفض عندما${\displaystyle \ \beta \ell <\pi /2}$فوق هذا التردد، تصبح المعاوقة حثية. عند هذا التردد تحديداً${\displaystyle \beta \ell =\pi /2}$يُشكل الطرف المتصل دائرة قصر. وهذا يُشابه نوعياً سلوك دائرة الرنين التسلسلي. بالنسبة لخط عديم الفقد، يكون ثابت تغير الطور متناسباً مع التردد.

${\displaystyle \beta ={\omega \over v}}$

أين${\displaystyle \ v}$تمثل سرعة الانتشار، وهي ثابتة مع التردد في خط عديم الفقد. في هذه الحالة، يُعطى تردد الرنين بالعلاقة التالية:

${\displaystyle \omega _{0}={\frac {\pi v}{2\ell }}}$

بينما تعمل الدوائر القصيرة كدوائر رنانة، إلا أنها تختلف عن الدوائر الرنانة ذات العناصر المجمعة في أنها تمتلك ترددات رنانة متعددة؛ بالإضافة إلى تردد الرنين الأساسي.${\displaystyle \ \omega _{0}\,}$، فإنها ترن عند مضاعفات هذا التردد:${\displaystyle \ n\omega _{0}\,}$لن تستمر المعاوقة في الارتفاع بشكل مطرد مع التردد بعد الرنين كما هو الحال في دائرة الرنين المجمعة. بل سترتفع حتى النقطة التي${\displaystyle \ \beta l=\pi }$عند هذه النقطة، تصبح الدائرة مفتوحة. بعد هذه النقطة (وهي نقطة مقاومة الرنين )، تصبح المعاوقة سعوية مرة أخرى وتبدأ في الانخفاض. وستستمر في الانخفاض حتى تصل إلى${\displaystyle \ \beta l=3\pi /2\,}$يُظهر ذلك مرة أخرى دارة قصر. عند هذه النقطة، يفشل عمل الترشيح للوصلة الفرعية. وتستمر استجابة الوصلة الفرعية في التكرار بتردد متزايد، متناوبة بين الرنين ومضاد الرنين. ولا تقتصر هذه الخاصية على الوصلات الفرعية فحسب، بل تشمل جميع مرشحات العناصر الموزعة، حيث يوجد تردد معين يتجاوزه المرشح ويفشل، مما يؤدي إلى ظهور نطاقات تمرير متعددة غير مرغوب فيها. ^{[ 2 ]}

وبالمثل، فإن وصلة الدائرة القصيرة هي مضاد للرنين عند${\displaystyle \ \pi /2}$أي أنها تتصرف كدائرة رنين متوازية، ولكنها تفشل مرة أخرى كـ${\displaystyle \ 3\pi /2}$يتم الاقتراب منه. ^{[ 2 ]}

يمكن للوصلات الفرعية مطابقة معاوقة الحمل مع معاوقة خط النقل المميزة. توضع الوصلة الفرعية على مسافة من الحمل، تُختار بحيث تتساوى عند تلك النقطة المقاومة بين الجزء المقاوم من معاوقة الحمل والجزء المقاوم من المعاوقة المميزة، وذلك بفعل تأثير محول المعاوقة لطول الخط الرئيسي. يُختار طول الوصلة الفرعية بحيث يُلغي تمامًا الجزء التفاعلي من المعاوقة المعروضة. تُصبح الوصلة الفرعية سعوية أو حثية وفقًا لما إذا كان الخط الرئيسي يُظهر معاوقة حثية أو سعوية، على التوالي. هذا لا يُطابق المعاوقة الفعلية للحمل، حيث سيخضع الجزء التفاعلي من معاوقة الحمل لتأثير محول المعاوقة، بينما سيخضع الجزء المقاوم لتأثيره. يمكن ضبط وصلات المطابقة بحيث يُمكن تصحيح المطابقة أثناء الاختبار. ^{[ 3 ]}

لن يحقق وصلة واحدة مطابقة مثالية إلا عند تردد محدد. يمكن وضع عدة وصلات على طول خط النقل الرئيسي لتحقيق مطابقة واسعة النطاق. ينتج عن ذلك بنية مشابهة للمرشح. يمكن استخدام طرق تصميم المرشحات، مثل تصميم مرشح تشيبيشيف ، ولكن التركيز ينصب على مطابقة المعاوقة بدلاً من أداء نطاق التمرير. تتميز دالة النقل الناتجة للشبكة بتموج في نطاق التمرير مثل مرشح تشيبيشيف، لكن التموجات لا تصل أبدًا إلى فقد إدخال 0 ديسيبل عند أي نقطة في نطاق التمرير، كما هو الحال في المرشح القياسي. ^{[ 4 ]}

تُعدّ الوصلات الشعاعية مكونًا مستويًا يتألف من قطاع دائري بدلًا من خط ذي عرض ثابت. تُستخدم هذه الوصلات مع خطوط النقل المستوية عندما يكون مطلوبًا وصلة ذات مقاومة منخفضة. تتطلب خطوط المقاومة المميزة المنخفضة خطًا عريضًا. مع الخط العريض، لا تكون نقطة التقاء الوصلة بالخط الرئيسي محددة بدقة. تتغلب الوصلات الشعاعية على هذه الصعوبة بتضييق عرضها إلى نقطة عند نقطة الالتقاء. غالبًا ما تستخدم دوائر الترشيح التي تعتمد على الوصلات هذه الوصلات في أزواج، حيث يتم توصيل واحدة بكل جانب من جوانب الخط الرئيسي. يُطلق على زوج الوصلات الشعاعية الموصولة بهذه الطريقة اسم وصلة الفراشة أو وصلة ربطة العنق. ^{[ 5 ]}

قد تنشأ وصلات مفتوحة الدائرة عن غير قصد في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة . يؤدي استخدام وصلة بطول ربع موجة إلى إلغاء الإشارة المطلوبة تمامًا، وقد تم تجنب هذه المشكلة تاريخيًا عن طريق إزالة الموصلات الزائدة. مع ذلك، أدى استخدام إشارات عالية التردد تصل إلى 12  جيجابت في الثانية (6  جيجاهرتز) إلى تقليل طول الوصلة المطلوبة للوصول إلى ربع موجة بشكل كبير ، مما جعل الثقوب الموصلة سببًا شائعًا جديدًا لهذه المشكلة. منذ عشرينيات القرن الحادي والعشرين، يُستخدم الحفر الخلفي لتقصير الثقوب الموصلة بحيث لا تؤثر على تردد الإشارة المقصود. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

قد يتعارض التخلص من الموصلات الزائدة مع الرغبة في جعل الجهاز قابلاً للتوسيع أو أسهل في الاختبار. على سبيل المثال، كان من الممارسات الشائعة ترك فتحات على ناقلات ذاكرة الحاسوب حيث يمكن توصيل وحدات ذاكرة إضافية ( DIMM ). ومع ذلك، عند معدلات نقل البيانات DDR5 / LPDDR5 ، تصبح هذه الفتحات عاملاً مُحدداً لتحقيق ترددات إشارة أعلى. ^{[ 8 ]}

• محول معاوقة ربع الموجة