books circuit designs

هناك العديد من التركيبات للرنانات والمُبدِّلات التي يمكن استخدامها لإنشاء مُرشِّحٍ ميكانيكي. تعرض الرسومات التوضيحية مجموعة من هذه التركيبات: فيوضح الشكل 6 مُرشِّحًا يستخدم رنانات ثني قرصية ومُبدِّلات تقبُّض مغناطيسي، يقوم المُبدِّل بدفع مركز الرنان الأول فيؤدي إلى اهتزازه، ثم تتحرك حواف القرص في طور حركة اهتزازية مضاد حتى المركز عندما تكون الإشارة المُحرِّكة في دائرة الرنين، أو بالقرب منها، وتنتقل الإشارة عبر قضبان توصيل إلى الرنان التالي. وعندما لا تكون الإشارة المُحرِّكة قريبة من دائرة الرنين، لن تنشأ حركة تُذكر عند الحواف ويرفض المُرشِّح الإشارة (أي لا يمررها). أما الشكل 7 فيوضح فكرةً مشابهة تشتمل على رنانات طولية متصلة ببعضها في سلسلة عن طريق قضبان توصيل. وفي هذا الرسم التوضيحي، تدفع مُبدِّلات كهربائية انضغاطية المُرشِّح. أو يمكن استخدام مُبدِّلات تقبُّض مغناطيسي وستعطي نفس النتيجة. ويوضح الشكل 8 مُرشِّحًا يستخدم رناناتٍ حدرجية. وفي هذا الرسم التوضيحي، لدى المدخلات مُبدِّلاً كهربائيًا انضغاطيًا حدرجيًا، أما المخرجات فبها مُبدِّل تقبُّض مغناطيسي. وربما يُعد ذلك غير معتاد بشكلٍ كبير في تصميمٍ واقعي، حيث إنه في العادة تحمل المدخلات والمخرجات نفس نوع المُبدِّل. تم عرض مُبدِّل التقبُّض المغناطيسي هنا فقط بغرض توضيح كيف يمكن للاهتزازات الطولية أن تتحول إلى اهتزازاتٍ حدرجية والعكس. ويوضح الشكل 9 مُرشِّحًا يستخدم رناناتٍ ذات وسيط رأس الطبلة. يتم تثبيت حواف الأقراص على غطاء المُرشِّح (ليس ظاهرًا في الرسم التوضيحي) فيصبح الاهتزاز في نفس الوسائط مثل غشاء الطبلة. وأطلقت شركة كولينز على هذا النوع اسم مُرشِّح سلكي قرصي.

تتناسب الأنواع المتعددة من الرنانات خاصةً مع نطاقات التردد المختلفة. وبوجهٍ عام، يمكن للمُرشِّحات الميكانيكية ذات العناصر التجمعية من كل الأنواع أن تغطي ترددات من حوالي 5 وحتى 700 كيلوهرتز على الرغم من أن المُرشِّحات الميكانيكية تنخفض على نحوٍ يصل إلى قليلٍ من كيلو هرتز (kHz) النادرة. وأفضل تغطية للجزء الأسفل من هذا النطاق، أقل من 100 كيلوهرتز، تكون برنانات ثني قضيبية. أما الجزء الأعلى فأفضل تغطية له الرنانات الحدرجية. ويتم استخدام رنانات رأس الطبلة القرصية في المنتصف، حيث تغطي النطاق من حوالي 100 وحتى 300 كيلوهرتز.

يمكن التعبير عن سلوك استجابة التردد لجميع المُرشِّحات الميكانيكية كدائرة كهربائية معادلة تستخدم تمثيل المعاوقة المذكور سالفًا. ومثالٌ على ذلك في الشكل 8ب والذي يُعد الدائرة المعادلة للمُرشِّح الميكانيكي الموضح في الشكل 8أ. يتم تجاهل العناصر الموجودة على الجانب الكهربائي، كالمحاثة لمُبدِّل التقبُّض المغناطيسي، ولكن يمكن أخذها في الاعتبار في التصميم الكامل. تمثل دوائر الرنان المتوالية في الرسم التوضيحي للدائرة الرنانات الحدرجية، وتمثل مواسعات المُجزئ أسلاك التوصيل. يمكن ضبط قيم مكونات الدائرة الكهربائية المعادلة، أكثر أو أقل حسب الرغبة، من خلال تعديل أبعاد المكونات الميكانيكية. وبهذه الطريقة، يمكن الأخذ في الاعتبار جميع الأدوات النظرية للتحليل الكهربائي وتصميم المُرشِّح في التصميم الميكانيكي. إن أي مُرشِّح قابل للتحقيق في نظرية كهربائية يمكن أن يصبح في الأساس مُرشِّحًا ميكانيكيًا أيضًا. وخاصةً، يمكن تحقيق تقريبات العناصر المحدودة الرائجة بسهولة على استجابة مُرشِّح مثالية لكلٍ من باترورث ومرشحات تشيبيشيف. وكما في النظير الكهربائي، كلما تم استخدام عناصر أكثر أصبح التقريب قريبًا من النموذج المثالي، ومع ذلك، لا يتخطى عدد الرنانات في العادة الثمانية لأسبابٍ عملية.

تصميمات نصف تجمعية

تُعد الترددات صاحبة الترتيب بال ميجاهرتز (MHz) أعلى من النطاق المعتاد للمُرشِّحات الميكانيكية. وبدأت المكونات تصبح صغيرةً جدًا، أو يمكن القول بأنها كبيرة إذا ما قورنت بطول موجة الإشارة. بدأ نموذج العنصر التجمعي الموضح سالفًا في التدهور ويجب اعتبار المكونات كعناصر مُوزِّعة. ويُعد التردد الذي يحدث فيه التحويل من النماذج التجمعية إلى المُوزِّعة أقل بكثير بالنسبة للمُرشِّحات الميكانيكية عن نظيراتها الكهربائية؛ وهذا لأن الاهتزازات الميكانيكية تنتقل بسرعة الصوت كي تصل للمادة المصنوع منها المكون. فبالنسبة للمكونات الصلبة، يعادل هذا سرعة الصوت في الهواء عدة مرات (15 مرة للحديد والنيكل) (343 m/s) ولكنه لا يزال إلى حدٍ كبير أقل من سرعة الموجات الكهرومغناطيسية (حوالي 3x10⁸ m/s في الفراغ). وبالتالي، فإن أطوال الموجة الميكانيكية تُعد أقصر بكثير من أطوال الموجة الكهربائية لنفس التردد. ويمكن الاستفادة من هذه التأثيرات من خلال تصميم المكونات عن عمد لتكون عناصر مُوزِّعة، وكذلك يمكن الأخذ في الاعتبار المكونات والطرق المستخدمة في مرشحات العناصر الموزعة الكهربائية. من الممكن تحقيق مُعادِلات للأطوال ومحولات المعاوقة. يُشار إلى التصميمات التي تستخدم مزيجًا من العناصر التجمعية والمُوزِّعة كتصميمات نصف تجمعية.

ويعرض الشكل 10أ مثالاً على هذا التصميم. تُعد الرنانات من نوع الثني القرصية مشابهة للرنانات المعروضة في الشكل 6، عدا أن هذا النوع من الرنانات يتم تحفيزه من حافة، تؤدي إلى اهتزاز في وسيط الثني الأساسي ذي الأنبوب في المركز، بينما التصميم الموضح في الشكل 6 يتم تحفيزه من المركز ثم يؤدي ذلك إلى اهتزاز في وسيط الثني الثاني بدائرة الرنين. وتُرفق الرنانات ميكانيكيًا بالغطاء عن طريق محاور ارتكاز في زوايا يمينية إلى أسلاك التوصيل. وتضمن محاور الارتكاز دورانًا حرًا للرنان وتقلل الخسائر إلى أدنى حدٍ ممكن. يتم التعامل مع الرنانات على أنها عناصر تجمعية، ومع ذلك تُصنع أسلاك التوصيل من طول نصف موجة (λ/2) بالضبط ويتعادلون مع طول دائرة مفتوحة λ/2 في الدائرة المعادلة الكهربائية. أما بالنسبة إلى مُرشِّح نطاق ضيق، فإن لطول من هذا النوع دائرة معادلة تقريبية لدائرة تحويلية مضبوطة ومتوازية في الشكل 10ب. وبالتالي، فإن الهدف من وراء استخدام أسلاك التوصيل في هذا التصميم هو إضافة رناناتٍ أخرى بداخل الدائرة للحصول على استجابة أفضل من واحدة بها رنانات تجمعية وتوصيلات قصيرة. وبالنسبة للترددات الأعلى يمكن استخدام طرق كهروميكانيكية صغيرة كما سيتضح فيما يلي.

أسلاك توصيل قنطري

تُعد أسلاك التوصيل القنطرية قضبانًا تصل ما بين الرنانات غير المتجاورة. ويمكن استخدامها في إنتاج أقطاب توهين في النطاق المانع. ويمثل ذلك فائدة في زيادة رفض النطاق المانع. عندما يوضع القطب بجوار حافة نطاق التمرير تحدث استفادة أيضًا من زيادة اللف للخارج وتقليل نطاق التحويل. يوضح الشكل 11 التأثيرات النموذجية لبعض هذه الأسلاك على استجابة التردد للمُرشِّح. ويمكن للتوصيل القنطري عبر رنان مفرد إنتاج قطب من التوهين في النطاق المانع العالي (الشكل 11ب). أما التوصيل القنطري عبر رنانين يمكنه أن ينتج قطبًا من التوهين في كلٍ من النطاق المانع العالي والمنخفض (الشكل 11ج). وكذلك سيؤدي استخدام توصيلاتٍ قنطرية متعددة إلى أقطابٍ متعددة من التوهين (الشكل 11د). وبهذه الطريقة، يمكن لتوهين النطاقات المانعة أن تتعمق على نطاق تردد واسع.

لا تقتصر طريقة التوصيل بين الرنانات غير المتجاورة على المُرشِّحات الميكانيكية، حيث يمكن تطبيقها على أنواع مُرشِّحاتٍ أخرى. فعلى سبيل المثال، يمكن قطع القنوات بين الرنانات التجويفية، ويمكن استخدام المحاثة التبادلية مع مُرشِّحات غير مترابطة التكوين، وكذلك استخدام المسارات الاسترجاعية مع تماثل أو مرشحات رقمية نشطة. لكن لم يكن أي مما سبق ذكره أول طريقة تم تطبيقها في مجال المُرشِّحات الميكانيكية؛ فقد ظهر الوصف الأول لمُرشِّحات تستخدم رنانات تجويفية ذات موجات صغرية في براءة اختراع عام 1948. وعلى الرغم من ذلك، فقد كان مصممو المُرشِّحات الميكانيكية (في الستينيات) أول من يطور مُرشِّحات عملية من هذا النوع وأصبحت الطريقة بعد ذلك خاصية مميزة للمُرشِّحات الميكانيكية.