Saturday, June 24, 2017

සන්නිවේදනය හා ආධුනික ගුවන් විදුලිය (Amateur radio) 117

Waveguide

යම් ස්ථානයක රේඩියෝ තරංග නිපදවූ පසුව එය ඇන්ටනාවට හෝ යම් පරිපථයකට හෝ රැගෙන යා යුතුයිනෙ. ඒ සඳහා අප වයර් භාවිතා කරනවා. එහෙත් සංඛ්‍යාතය එන්න එන්නම වැඩි වන විට එම රේඩියෝ සංඛ්‍යාත (RF) විදුලි සංඥා එන්න එන්නම වයරය මතුපිටින් ගමන් කිරීමට පෙළඹෙනවා. එය චර්මීය ආචරණය බවත් ඒ ගැන විස්තරත් මීට පෙර අප ඉගෙන තිබෙනවා. එහෙත් සංඛ්‍යාතය තවත් වැඩි කරගෙන යන විට එම සංඥා වයරය මතුපිටින් තරමක් පිටතින් ගමන් කිරීමට පටන් ගන්නවා. ඔව්; දැන් සංඥා ගමන් කරන්නේ වයරයේ නොව, වයරයට පිටින්ය. තවදුරටත් වයරයට එය සීමා නොවන නිසා වයරය අවට තිබෙන ද්‍රව්‍ය සමඟ අන්තර්ක්‍රියා කිරීමට ඊට හැකි අතර එය සංඥා හීන වීමට හේතු වේ.

ඉතිං, මෙවන් අධිසංඛ්‍යාතයන් (ගිගාහර්ට්ස් කලාපයේ රේඩියෝ තරංග) එක් ස්ථානයක සිට තවත් ස්ථානයකට යොමු කිරීමට වයර් වෙනුවට ලෝහවලින් විශේෂිත ආකාරවලින් සාදපු “බට” භාවිතා වේ. මේවා තමයි වේව්ගයිඩ් කියන්නේ. දැන් බටයක් තුලින් වතුර ගලා යන්නා සේ මෙම වේව්ගයිඩ් තුලින් සංඥා විදුලිය ගමන් කරයි. සංඥා විදුලිය ගමන් කරන්නේ වේව්ගයිඩ් එක ඇතුලේ බැවින් භාහිර ද්‍රව්‍ය සමඟ ඊට ක්‍රියා කිරීමට බැරිය. එනම් රේඩියෝ සංඥා හායනය නොවී ආරක්ෂා වේ.

වේව්ගයිඩ් එක තුලින් සංඥා ශක්තිය ගමන් කරන්නේ රේඩියෝ තරංග ලෙස නොවේ (යමක් හරහා සංඥා විදුලිය රේඩියෝ තරංග ආකාරයෙන් ගමන් කිරීම TEM mode – Transverse Electric and Magnetic mode යන නමින් හැඳින්වේ). ඒ වෙනුවට විදුලි ක්ෂේත්‍රයේ ප්‍රචාරණය (TE mode – Transverse Electric mode හෙවත් E wave) හෝ චුම්භක ක්ෂේත්‍රයේ ප්‍රචාරණය (TM mode – Transverse Magnetic mode හෙවත් H wave) ලෙස ඒවා ගමන් කරයි. ඇත්තටම විද්‍යුත් හා චුම්භක යන දෙවර්ගයේම ක්ෂේත්‍ර පැවතියත්, මින් එක් ක්ෂේත්‍රයක් ශක්තිය ප්‍රචාරණයේදී ප්‍රමුඛ වේ. එම ප්‍රමුඛවන ක්ෂේත්‍රය මතයි TE TM ද යන්න නම් කෙරෙන්නේ. ප්‍රධාන ක්ෂේත්‍රය හැමවිටම ශක්තිය ගමන් කරන දිශාවට ලම්භක (transverse) වේ. චුම්භක ක්ෂේත්‍රයක් හැමවිට පිහිටන්නේ ලූප් එකක් ආකාරයටයි (එනම් උතුරු හා දකුණු ධ්‍රැව දෙකම හැමවිටම පැවතිය යුතුය; එය විශ්ව ස්වභාවයකි). එනිසා TM මෝඩ් එකේදී ඒ පෙන්වා ඇති පරිදි මැග්නටික් ලූප් පිහිටයි. අප්‍රධාන ක්ෂේත්‍රය හැමවිටම ශක්තිය ගමන් කරන දිශාව ඔස්සේ දිගු ලූප් සාදනවා.


ඇත්තටම TE, TM මෝඩ්වලත් උප-ආකාර කිහිපයක් තිබෙනවා TE10, TE20, TE12, TM10 ආදි ලෙස. පොදුවේ ඒ සියලු මෝඩ් TEmn හා TMmn ලෙස ලිවිය හැකිය. වේව්ගයිඩ් එකක් තුලින් නිසි කොන්දේසේ සැපිරේ නම් මේ මෝඩ්වලින් යම් එකකින් හෝ කිහිපයකින් සංඥා ගමන් කරාවි. පහත රූපයේ දැක්වෙන්නේ මෙම කුඩා ඉලක්කම්වලින් සංඛේතවත් වන දේ ආකෘතිමය වශයෙනි.


විවිධ හැඩයේ වේව්ගයිඩ් ඇත. තඹ, ඇලුමිනම් වැනි ලෝහයකින් එය සෑදිය හැකිය. ඉතා කොට හා ඉතා දිගු වේව්ගයිඩ් ඇත.


සරලව වේව්ගයිඩ් එකක් සාදන අයුරු දැන් බලමු. වේව්ගයිඩ් එකේ බටය රවුම් (බටයක් මෙන්) හෝ කොටු ආකාරයෙන් තිබිය හැකිය. කොටු ආකාරයේදී a, b යනු හතරැස් කානුවේ පලල හා උස වන අතර, රවුම් ආකාරයේදී a යනු රවුම් කානුවේ අරය වේ. අභ්‍යන්තර බිත්ති සුමට විය යුතු අතර ඒකාකාරව වීම වැදගත්ය. පලුදු හෝ ගොරෝසු කුඩා කැබැලි හෝ එකවර බටයේ විශාලත්වය වෙනස් වුවොත් ඒවායේ වැදී විදුලි ශක්තියේ ගමනට බාධා ඇති වේ වේව්ගයිඩ් එකේ කාර්යක්ෂමතාව අඩු කරයි.


සෑම වේව්ගයිඩ් එකක්ම high pass filter එකක් ලෙසද ක්‍රියාත්මක වේ. එනම්, ඒ තුලින් යා හැක්කේ යම් නිශ්චිත සංඛ්‍යාතයකට වඩා ඉහල සංඛ්‍යාතයන්ට පමණි. ඊට අඩු සංඛ්‍යාතයන් සීඝ්‍රයෙන් හායනය වේ (බ්ලොක් වේ). මෙම අවම සංඛ්‍යාතය cut-off frequency (fc) ලෙස හැඳින්වෙන අතර, වේව්ගයිඩ් එකේ බටයේ හරස්කඩ විශාලත්වය අනුව එම සංඛ්‍යාතය තීරණය වේ. පහත සූත්‍රයෙන් එය පහසුවෙන් ගණනය කළ හැකියි. මෙහි c යනු එම මාධ්‍ය තුල ආලෝකයේ වේගය වන අතර, වාතයේදී එම වේගයත් දල වශයෙන් රික්තකය තුල වේගයට සමාන වේ. m,n යන ඉලක්කම්වලට 0,1,2 ආදි ලෙස ඉලක්කම් ආදේශ කළ හැකි අතර, එවිට ඉන් ගම්‍ය වන්නේ කුමන TEmn මෝඩ් එකද යන්නයි.


උදාහරණයක් ලෙස, m=1, n=0 වන විට TE10 යන මෝඩ් එකට අදාල කට්ඕෆ් සංඛ්‍යාතය ලැබේ. පහත දැක්වෙන්නේ TE10 මෝඩ් එකෙන් සංඥා ශක්තිය වේව්ගයිඩ් එකක් තුලින් ගමන් කරන ආකාරයේ ත්‍රිමාන ආකෘතියකි.


සෙන්ටිමීටර් 3.2ක් පළල (a) හා 1.5ක් උස (b) කොටු ආකාර වේව්ගයිඩ් එකක විවිධ මෝඩ් කිහිපයක් සඳහා වන කට්ඕෆ් සංඛ්‍යාතයන් ඉහත සූත්‍රය අනුව ගණනය කර පහත වගුවේ මා සටහන් කර ඇත. ඇත්තටම TM මෝඩ් සඳහාද ඉහත සූත්‍රය එලෙසම භාවිතා වේ. එහෙත් TM හිදි, m,n යන දෙකෙන් එකක් හෝ දෙකම එකවරම හෝ 0 විය නොහැකිය. එවිට, පහත වගුවේම අදාල TM මෝඩ්ද මා සටහන් කර ඇත. යම් මෝඩ් එකක් ගත් විට, ඊට නිශ්චිත කට්ඕෆ් සංඛ්‍යාතයක් ඇති අතර, එම සංඛ්‍යාතයට වැඩි සංඥා එම මෝඩ් එකෙන් වේව්ගයිඩ එක තුලින් ගමන් කළ හැකි බව මතක තබා ගන්න.

Mode
Cut-off frequency (MHz)
TE10 4688
TE20 9375
TE01 10,000
TE11, TM11 11,044
TE21, TM21 13,707
TE30 14,062
TE31, TM31 17,256
TE02 20,000
TE12, TM12 20,542
TE22, TM22 22,088
TE32, TM32 24,449
TE03 30,000
TE13, TM13 30,364
TE23, TM23 31,431
TE33, TM33 33,132

වගුව බලන විට පෙනෙනවා TE10 මෝඩ් එක තමයි අඩුම සංඛ්‍යාතය ලබා දෙන්නේ. කුඩාම චුම්භක ක්ෂේත්‍ර ප්‍රචාරණ ආකාරය TM11 වන අතර, එය විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍ර ප්‍රචාරණ ආකාර කිහිපයකට පසුවයි තිබෙන්නේ (එනම් චුම්භක ක්ෂේත්‍ර ප්‍රචාරණ ආකාරවල කට්ඕෆ් සංඛ්‍යාතය ඉහලය). උදාහරණයක් ලෙසට, ඉහත ප්‍රමාණවලින් සාදපු වේව්ගයිඩ් එක භාවිතා කරන්නේ ගිගාහර්ට්ස් 12ක සංඛ්‍යාතයක් සහිත සංඥා රැගෙන යෑමට නම්, ඒ සඳහා TE10, TE20, TE01, TE11, TM11, TE21, TM21 යන ආකාර සියල්ලෙන්ම සිදු විය හැකිය මොකද 12GHz ට වඩා මෙම මෝඩ්වල කට්ඕෆ් සංඛ්‍යාතය අඩුය. එහෙත් එම වේව්ගයිඩ් එකෙන් බැහැ ගිගාහර්ට්ස් 4ට අඩු සංඛ්‍යාත සංඥා යැවීමට.

ඉහත ආකාරයට යම් වගුවක් සාදා ගත් විට පැහැදිලිවම සොයා ගත හැකියි අඩුම කට්ඕෆ් සංඛ්‍යාතය හා එය ලැබෙන්නේ කුමන මෝඩ් එකෙන්ද කියා. එම අවස්ථාව dominant mode ලෙස හැඳින්වෙනවා. ඉහත වගුව අනුව, ඩොමිනන්ට් මෝඩ් එක වන්නේ TE10 වේ. හැකි හැමවිටම තමන් භාවිතා කරන සංඛ්‍යාතයට TE10 මෝඩ් එකෙන් සංඥා විදුලිය ප්‍රචාරණය වීම කරවා ගැනීමට උත්සහ කළ යුතුය. එනිසා ඉහත සූත්‍රය මෙම ඩොමිනන්ට් මෝඩ් එකට ගැලපෙන ලෙස සකස් කළ විට fc = c/2a ලෙස සරල වේ.

ඉතිං අවශ්‍ය සංඛ්‍යාතයට ගැලපෙන පරිදි වේව්ගයිඩ් එක සෑදිය හැකිය. වේව්ගයිඩ් එකක් අවශ්‍ය වන්නේ යම් සංඥාවක තරංග ආයාමය වේව්ගයිඩ් සිඳුරේ විශාලත්වයට ආසන්න වන විට හෝ ඊට අඩු වන විටයි. එනම් ඉහත සූත්‍ර දෙකෙන්ම පෙනෙනවා තරංග ආයාමයෙන් ½ වන සේයි වේව්ගයිඩයේ පලල සකස් කරන්නේ. එවිට ඩොමිනන්ට් මෝඩ් එක සක්‍රිය වනවා. එහෙත් තරංග ආයාමයට සාපේක්ෂව වේව්ගයිඩයේ පලල වැඩි වුවොත් තවමත් එය වේව්ගයිඩයක් ලෙස ක්‍රියාත්මක වන අතර, දැන් ඉහල මෝඩ් වැඩිපුර සක්‍රිය වන්නට පටන් ගන්නවා.

අවශ්‍ය නම් වේව්ගයිඩය තුලට ඇතුලු කරන සංඥා ජවය කොටස් දෙකකට බෙදා ගත හැකියි (split). මේ සඳහා ක්‍රම කිහිපයක් ඇත. ඉන් ක්‍රම දෙකක් ගැන බලමු.

පහත දැක්වෙන්නේ E-type waveguide (T) junction ලෙස හැඳින්වෙන ක්‍රමයයි. එහිදී කටේ පලල් පැති දෙකෙන් එකකකින් පෙන්වා ඇති පරිදි සංඥා එලියට ඒමට තවත් කානුවක්/කටක් සාදා ඇත. මෙම ක්‍රමයෙන් ඒ තුල ඇති විදුලි ක්ෂේත්‍රයටයි බලපෑම සිදු වන්නේ. බලන්න වම් පැත්තේ ක්ෂේත්‍රය T කොටස පසු කරගෙන අනෙක් පසට යන විට උඩුයටිකුරු වී ඇත; එනම් ක්ෂේත්‍රය අපවර්තනය වී ඇත. මෙම උපාංගයේ ඕනෑම එක පෝට් එකකින් සංඥා ඇතුලු කර අනෙක් පෝට් දෙකෙන් එම සංඥාවේ කොපි දෙකක් වෙන වෙනම ලබා ගත හැකියි.


ඉහත ආකාරයේම කානුවක් සෑදිය හැකියි පහත රූපයේ දැක්වෙන ආකාරයට කානුවේ කෙටි දිග සහිත පැත්තට. මෙවිට එහි බලපෑම සිදු වන්නේ චුම්භක ක්ෂේත්‍රයට වන අතර, එය H-type waveguide (T) junction ලෙස හැඳින්වේ. මෙහිදී x මඟින් නිරූපණය කරන්නේ එක් චුම්භක ධ්‍රැවයක් වන අතර, එය සෑම පෝට් එකකදීම සමාන නිසා, ඉන් ගම්‍ය වන්නේ කිසිදු කලා අපවර්තනයක් සිදු නොවන බවයි.


වේව්ගයිඩ් සුනම්‍ය නොවන නිසා, එය අවස්ථාවට ගැලපෙන ලෙස සෑදිය යුතුය (නැමීමක් අවශ්‍ය නම් එම නැමීම සහිතව එය නිපදවිය යුතුය). යම් නැමීමක් අවශ්‍ය නම් ඒ තුලින් යන සංඥා හානිය අවම වන පිරිදි එය සිදු කළ යුතුය. ඒ සඳහා නැමුම් අරය (bend radius) ඒ හරහා ගමන් කරන දිගම තරංග ආයාමය මෙන් දෙගුණයක්ව පවතන ලෙස වේව්ගයිඩය නැමිය හැකිය.


ඉහත වම් පැත්තේ රූපයේ නැමුම කර තිබෙන්නේ කානුවේ දිග පැත්තෙන්ය. එය E bend ලෙස නම් කෙරේ (මොකද එහි බලපෑම මූලිකව සිදු වන්නේ විදුලි ක්ෂේත්‍රයට බැවින්). එම නැමුම කානුවේ කෙටි පැත්තෙන් සිදු කරන විට, එය H bend ලෙස නම් කෙරෙන අතර එවිට බලපෑම මූලිකව සිදු වන්නේ චුම්භක ක්ෂේත්‍රයටයි (ඉහත දකුණු පැත්තේ රූපය). තවත් නැමුම් ක්‍රම ඇත.

වේව්ගයිඩ් එකට සංඥා ශක්තිය ඇතුලු කරන්නේ කෙසේද? ඒ සඳහා පහසු ක්‍රමයක් තමයි, වේව්ගයිඩ් එක තුල ඇන්ටනාවක් සවි කිරීම. අධිසංඛ්‍යාත යොදා ගන්නා බැවින් මෙම ඇන්ටනාව ඉතා කුඩාය. λ/4 ඇන්ටනාවක් ඉතාම පහසුවෙන් රැඳවිය හැකියි (පහත රූපයේ coupling stub ලෙස එම වින්‍යාසය නම් කර ඇත). අවශ්‍ය නම් පහත රූපයේ coupling loop ලෙස පෙනෙන ආකාරයටද සෑදිය හැකිය. ඩයිපෝල් ඇන්ටනාවක්ද සවි කළ හැකියි. මේ දෙයාකාරයේදීම කොඇක්ස් කේබලයේ මැද කම්බියම මේ සඳහා භාවිතා වේ.


ඉහත ආකාරයෙන් වේව්ගයිඩ් එක තුලට විකිරණ ඇතුලු කරන්නා සේම, වේව්ගයිඩ් එක අවසානයේදී නැවත ඉන් වයර් එකක් තුලට සංඥාව ලබා ගැනීමටත් ඉහත ආකාරයේම උපක්‍රමයක් යෙදිය හැකියි. පහත දැක්වෙන්නේ කඩෙන් මිලදී ගත හැකි එවැනි coupling උපාංග (waveguide coaxial adaptor) කිහිපයකි.


වේව්ගයිඩ් එකටත් ඉම්පීඩන්ස් එකක් ඇත. සංඥා ඇතුලු කරන ෆීඩර් එක හා වේව්ගයිඩ් එක අතර සම්බාදක අගයන් ගැලපේ නම්, කාර්යක්ෂම පද්ධතියක් ලෙස එය වැඩ කරාවි. ඉම්පීඩන්ස් නොගැලපුණොත් වේව්ගයිඩ් එක හා ෆීඩර් එක අතර සංඥා උපරිම අයුරින් හුවමාරු නොවී අපතේ යාවි. වේව්ගයිඩ් එකේ සම්බාදකය වෙනස් කිරීමට උපක්‍රම කිහිපයක් ඇත.

Waveguide screw/post යනු එක් උපක්‍රමයකි. එහිදී වේව්ගයිඩ් එකේ කට පලල් පැත්තකින් ඉස්කුරුප්පු ඇනයක් ඇතුලු කෙරේ. එම ඇනය අනෙක් බිත්තියේ ස්පර්ශ වන සේ තැබූ විට (එනම් ඇනය මඟින් උඩ හා යට බිත්ති එකිනෙකට කනෙක්ට් වන විට) එම ඇනය ප්‍රේරක ගුණ පෙන්වන අතර, ඇනය අනෙක් බිත්තියේ ස්පර්ශ නොවී පවතින විට ඉන් ධාරිත්‍රක ගුණ පෙන්වයි. ඇනය අවශ්‍ය තරම් සීරුමාරු කිරීමෙන් සම්බාදක අගය විචලනය කළ හැකිය.


සම්බාදක අගය අපට අවශ්‍ය පරිදි වෙනස් කර ගත හැකි තවත් උපක්‍රමයක් නම් iris ලෙස හැඳින්වේ. එහිදී වේව්ගයිඩ් එක තුලට යම් සන්නායක පටියක් ඇතුලු කෙරේ (සංඥා ජවය ඇන්ටනාවට ඇතුලු කරන පැත්තෙන්). පහත රූපයේ දුඹුරු පාටින් පෙන්වා තිබෙන්නේ මෙම අයිරිස් එකයි. එය කට දිග පැත්තෙන් හෝ කෙටි පැත්තෙන් ඇතුලු කළ හැකිය. කෙටි පැත්තෙන් ඇතුලු කරනවා යනු විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයට ලම්භකව ඇතුලු කිරීමකි. එය ප්‍රේරක ගුණ පෙන්වයි (එනිසා පහත පෙන්වා ඇති පරිදි කොයිලයකින් එය ආකෘති ගත කර තිබේ). එලෙසම, දිග පැත්තෙන් අයිරිස් එක ඇතුලු කළ විට එය චුම්භක ක්ෂේත්‍රයට ලම්භකව පිහිටයි. එවිට ඉන් ධාරිත්‍රක ගුණ පෙන්වයි.


බොහෝවිට ඉහත ආකාරයට එක් පැත්තකින් නැතිව දෙපැත්තෙන්ම සමාන අයිරිස් කොටස් 2ක් ඇතුලු කෙරේ (එහි සමමිතික බවක් ඇත). ඊටත් අමතරව සමමිතික ආකාරයෙන් කෙටි හා දිගු යන පැතිවලින් එය ඇතුලු කරන විට, පහත C රූපයේ දැක්වෙන ලෙසට කැපෑසිටර් හා ඉන්ඩක්ටර් ගුණ දෙකම ඇති වේ. මෙවිට එම අයිරිස් එක මැද හතරැස් සිඳුරක් තිබෙන හතරැස් සන්නායක වලල්ලක් සේ දිස් වේ. මෙම සන්නායක කොටස්වල විශාලත්වය වෙනස් කිරීමෙන් සම්බාදක අගය විචලනය වේ.


ඉම්පීඩන්ස් අගය වෙනස් කරන තවත් උපක්‍රමයක් ඇති අතර, එම ක්‍රමයෙන් ඉබේම ලැබෙන්නේ මින් පසු අප සොයා බලන horn ඇන්ටනාව වේ.

වේව්ගයිඩ්වල සම්මතයන්ද ඇත. WR සම්මතය ඉන් ප්‍රචලිත එකකි (හරියට අර එනැමල් තඹ කම්බිවල ගේජ් එකට AWG, SWG වැනි සම්මතයන් තිබෙනවා වැනිය). WR22, WR11, WR75 ආදි ලෙස සම්මත වේව්ගයිඩ් සයිස් ඇත. WG යනු තවත් එවැනි සම්මතයකි. උදාහරණයක් ලෙස පහත වගු කොටස බලන්න.

WG Designation Freq range Waveguide cut off in GHz (TE10) Attenuation in
dB / 30m
Material Band Waveguide dimensions (mm)
WG00 0.32 - 0.49 0.256 0.051 - 0.031 Alum B 584 x 292
WG0 0.35 - 0.53 0.281 0.054 - 0.034 Alum B,C 533 x 267
WG1 0.41 - 0.625 0.328 0.056 - 0.038 Alum B,C 457 x 229
WG2 0.49 - 0.75 0.393 0.069 - 0.050 Alum C 381 x 191
WG3 0.64 - 0.96 0.513 0.128 - 0.075 Alum C 292 x 146
WG4 0.75 - 1.12 0.605 0.137 - 0.095 Alum C,D 248 x 124
WG5 0.96 - 1.45 0.766 0.201 - 0.136 Alum D 196 x 98
WG6 1.12 - 1.70 0.908 0.317 - 0.212 Brass D 165 x 83
WG6 1.12 - 1.70 0.908 0.269 - 0.178 Alum D 165 x 83

2 comments:

  1. අහම්බෙන් තමයි මේ බ්ලොග් එකට ගොඩ වැදුනේ....අයෙත් 2ක් නැ ..මම දැකපු හොදම සිංහල බ්ලොග් එක...
    හැම ලිපියක්ම බොහොම පහැදිලිව පෙලගස්වල තියෙනවා....ඒ වගේම කියවන්නත් අසයි...හරිම සරලයි...
    ඒ වගේම පාඩමක් අවසන් උනාම දෙන pdf එකත් ලොකු දෙයක්....ප්‍රින්ට් out ගන්නත් ලේසි....
    මේ තරම් කැප කිරීමක් කරලා වටිනා පාඩම් මාලාවක් ඉදිරිපත් කරනවට ඔබ තුමාට බොහොම ස්තුති..

    ReplyDelete
    Replies
    1. ස්තූතියි අබේසිංහ. :)

      Delete