عبر السياج

حاجز التوصيل ، أو ما يُعرف أيضًا بحاجز الأعمدة ، هو بنية تُستخدم في تقنيات الدوائر الإلكترونية المستوية لتحسين العزل بين المكونات التي قد تتلامس بفعل المجالات الكهرومغناطيسية . يتكون هذا الحاجز من صف من الثقوب الموصلة التي، إذا كانت متقاربة بما يكفي، تُشكل حاجزًا أمام انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الركيزة. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان من المطلوب أيضًا كبح الإشعاع في الهواء فوق اللوحة، فإن استخدام شريط توصيل مزود بحاجز التوصيل يسمح بتوصيل علبة حماية كهربائيًا بالجانب العلوي، مع الحفاظ على سلوكها الكهربائي كما لو كانت متصلة عبر لوحة الدوائر المطبوعة.

تتميز الإلكترونيات الحديثة بكثافة مكوناتها ووحداتها الفرعية العالية لتحقيق صغر الحجم. عادةً ما تُدمج العديد من الوظائف على نفس اللوحة أو الشريحة . إذا لم تُعزل هذه المكونات عن بعضها البعض بشكل صحيح، فقد ينتج عن ذلك العديد من المشاكل، بما في ذلك ضعف استجابة التردد، وانخفاض مستوى الضوضاء، والتشويه.

تُستخدم الحواجز البينية لحماية خطوط نقل البيانات الميكروستريبية والشريطية ، وحماية حواف لوحات الدوائر المطبوعة، وعزل وحدات الدوائر الوظيفية عن بعضها البعض، وتشكيل جدران الموجهات المدمجة في تصميم مسطح. تتميز الحواجز البينية برخص ثمنها وسهولة تركيبها، ولكنها تشغل مساحة على اللوحة وليست بنفس فعالية الجدران المعدنية الصلبة.

تُستخدم التقنيات المستوية عند ترددات الميكروويف ، وتعتمد على مسارات الدوائر المطبوعة كخطوط نقل. وإلى جانب التوصيلات البينية، يمكن استخدام هذه الخطوط لتشكيل مكونات الوحدات الوظيفية، مثل المرشحات والمقرنات . تتداخل الخطوط المستوية بسهولة عند تقاربها، وهو ما يُعرف بالاقتران الطفيلي . وينتج هذا الاقتران عن انتشار المجالات الهامشية من حواف الخط وتقاطعها مع الخطوط أو المكونات المجاورة. تُعد هذه ميزة مرغوبة في الوحدة التي تُستخدم فيها كجزء من التصميم. مع ذلك، ليس من المرغوب فيه أن تقترن هذه المجالات بالوحدات المجاورة. عادةً ما يُشترط أن تكون الأجهزة الإلكترونية الحديثة صغيرة الحجم. هذا، بالإضافة إلى السعي لخفض التكاليف، يؤدي إلى درجة عالية من التكامل ووحدات الدوائر في تقارب غير مرغوب فيه. تُعد حواجز التوصيل إحدى الطرق التي يمكن استخدامها لتقليل الاقتران الطفيلي بين هذه الوحدات. ^{[ 1 ]}

من بين المشاكل العديدة التي يمكن أن يسببها الاقتران الطفيلي: تقليل عرض النطاق الترددي ، وتدهور استواء نطاق التمرير ، وتقليل قدرة خرج المضخم، وزيادة الانعكاسات ، وتفاقم معامل الضوضاء ، والتسبب في عدم استقرار المضخم، وتوفير مسارات تغذية راجعة غير مرغوب فيها. ^{[ 2 ]}

في خطوط النقل الشريطية، تعمل الحواجز الممتدة بالتوازي مع الخط على كلا الجانبين على ربط المستويات الأرضية معًا، مما يمنع انتشار أنماط الألواح المتوازية. ^{[ 3 ]} ويُستخدم ترتيب مماثل لكبح الأنماط غير المرغوب فيها في الموجهات المستوية المدعومة بالمعدن .

يتكون حاجز التوصيل من صف من الثقوب الموصلة ، أي ثقوب تخترق الركيزة ومطلية بالمعدن من الداخل لتوصيلها بنقاط التوصيل الموجودة أعلى وأسفل الركيزة. في تصميم الخطوط الشريطية، يُغطى كل من أعلى وأسفل الصفيحة العازلة بطبقة أرضية معدنية ، لذا يتم تأريض أي ثقوب موصلة تلقائيًا من كلا الطرفين. أما في التصاميم المستوية الأخرى، مثل الخطوط الميكروستريبية، فتوجد طبقة أرضية في أسفل الركيزة فقط. في هذه التصاميم، جرت العادة على توصيل نقاط التوصيل العلوية لحاجز التوصيل بمسار معدني (انظر الشكل 2). مع ذلك، لا يُعزل المجال تمامًا كما هو الحال في الخطوط الشريطية. ففي الخطوط الشريطية، ينتشر المجال فقط بين الطبقات الأرضية، بينما في الخطوط الميكروستريبية، يمكنه التسرب فوق حاجز التوصيل. ومع ذلك، يُحسّن توصيل نقاط التوصيل العلوية العزل بمقدار 6-10 ديسيبل . ^{[ 2 ]} في بعض التقنيات، يكون من الأنسب تشكيل الحاجز من أعمدة موصلة بدلًا من الثقوب الموصلة. ^{[ 4 ]}

يمكن تحسين العزل بشكل أكبر بوضع جدار معدني فوق حاجز الثقوب الموصلة. تشكل هذه الجدران عادةً جزءًا من غلاف الجهاز. الفتحات الكبيرة في حواجز الثقوب الموصلة، الموضحة في الشكلين 1 و5، هي فتحات براغي لتثبيت هذه الجدران في مكانها. يظهر قالب الجدار الخاص بهذه الدائرة في الشكل 3. ^{[ 5 ]}

يجب أن يراعي تصميم الحاجز حجمَ المسافة بين الثقوب الموصلة. من الناحية المثالية، ينبغي أن تعمل هذه الثقوب كدوائر قصر، ولكنها ليست مثالية، ويمكن نمذجة الدائرة المكافئة للثقب الموصل كمحاثة توازي. في بعض الأحيان، يتطلب الأمر نموذجًا أكثر تعقيدًا، مثل الدائرة المكافئة الموضحة في الشكل 4. يمثل L1 محاثة الوسادات، و C السعة بينها . أما R _و L2 فهما _، على التوالي، مقاومة وحث طبقة التمعدن للثقب الموصل. يجب مراعاة الرنين، وخاصة الرنين المتوازي بين C و L2 الذي يسمح بمرور الموجات الكهرومغناطيسية عند تردد الرنين. يجب أن يكون هذا الرنين خارج نطاق ترددات تشغيل الجهاز المعني. يجب أن تكون المسافة بين الحواجز صغيرة مقارنةً بالطول الموجي (λ) في العازل الكهربائي للركيزة _، وذلك لجعل الحاجز يبدو صلبًا للموجات الساقطة. إذا كانت المسافة كبيرة جدًا، فستتمكن الموجات من المرور عبر الفجوات. تتمثل القاعدة العامة الشائعة في جعل المسافة أقل من λ/20 عند أقصى تردد تشغيل. ^{[ 6 ]}

تُستخدم الحواجز الموصلة بشكل أساسي في نطاق ترددات الراديو والميكروويف عند تطبيق التصاميم المستوية. وتُستخدم في تقنيات الدوائر المطبوعة مثل الميكروستريب، وتقنيات السيراميك مثل السيراميك المُشترك المُحرق بدرجة حرارة منخفضة ، والدوائر المتكاملة أحادية البنية للميكروويف ، وتقنية النظام في حزمة واحدة . ^{[ 7 ]} وتكتسب أهمية خاصة في عزل وحدات الدوائر التي تعمل بترددات مختلفة.

تُعرف هذه التقنية أيضاً باسم " التوصيل عبر الثقوب" ، ويمكن استخدام حواجز التوصيل حول حافة لوحة الدوائر المطبوعة، كما هو موضح في الشكل 5. يُستخدم هذا الأسلوب لمنع التداخل الكهرومغناطيسي مع المعدات الأخرى، أو حتى لمنع عودة الإشعاع من مكان آخر على نفس الدائرة. ^{[ 8 ]}

تُستخدم الحواجز الموصلة أيضًا في الموجهات الموجية ذات الجدار الخلفي ، والمعروفة أيضًا باسم الموجهات الموجية الرقائقية (LWG). ^{[ 9 ]} في الموجهات الموجية الرقائقية، يشكل حاجزان موصلان متوازيان الجدران الجانبية للموجه الموجي. بينهما، وبين المستويين الأرضيين العلوي والسفلي للركيزة، توجد مساحة معزولة كهرومغناطيسيًا. لا يوجد موصل كهربائي داخل هذه المساحة، ولكن يمكن للموجات الكهرومغناطيسية أن تتواجد داخل المادة العازلة للركيزة، ويتم توجيه اتجاه انتشارها بواسطة الموجهات الموجية الرقائقية. تُستخدم هذه التقنية عادةً في نطاق ترددات المليمتر ، وبالتالي تكون أبعادها صغيرة جدًا. علاوة على ذلك، يتطلب العزل الجيد أن تكون الحواجز الموصلة متقاربة. عادةً، يلزم عزل بمقدار 60 ديسيبل بين الموجهات، أي 30 ديسيبل لكل حاجز. المواصفات النموذجية لحاجز نطاق التردد W ( 75-110 جيجاهرتز ) التي تلبي هذا المتطلب في LWG هي فتحات توصيل بعرض 0.003 بوصة (76 ميكرومتر) متباعدة بمسافة 0.006 بوصة (150 ميكرومتر) بين مراكزها. قد يكون تصنيع هذا الحاجز صعبًا، وفي بعض الأحيان يتم تحقيق كثافة أعلى لفتحات التوصيل عن طريق بناء الحاجز من صفين متداخلين من فتحات التوصيل. ^{[ 10 ]}  

تُعدّ الحواجز الموصلة رخيصة ومريحة. عند استخدامها في الأسطح المستوية، لا تتطلب عمليات تصنيع إضافية. فعلى سبيل المثال، في الدوائر المطبوعة، تُصنع بنفس عملية إنشاء مسارات التوصيل. مع ذلك، لا تستطيع الحواجز الموصلة الوصول إلى مستوى العزل الذي توفره الجدران المعدنية المتصلة. ^{[ 11 ]}

تستهلك الحواجز البينية مساحة كبيرة من الركيزة القيّمة، مما يزيد من الحجم الإجمالي للمجموعة. كما أن قرب هذه الحواجز من الخط المراد حمايته قد يُضعف العزل الذي يمكن تحقيقه بطريقة أخرى. في خطوط النقل الشريطية، يُنصح بوضع الحواجز على بُعد أربعة أضعاف المسافة بين مسار الإشارة ومستوى الأرض على الأقل من الخط المراد حمايته. ^{[ 12 ]}

• أرتشامبو، بروس، تصميم لوحات الدوائر المطبوعة للتحكم في التداخل الكهرومغناطيسي في العالم الحقيقي ، سبرينغر، 2002، رقم ISBN 1402071302.
• باهل، إندر، العناصر المجمعة لدوائر الترددات الراديوية والميكروويف ، دار أرتيك هاوس، 2003، رقم ISBN 1580536611.
• هاربر، تشارلز أ.، لوحات الدوائر المطبوعة عالية الأداء ، ماكجرو هيل بروفيشنال، 2000، رقم ISBN 0070267138.
• جوفي، إيليا ب.؛ لوك، كاي سونغ، أسس التأريض: دليل من الدائرة إلى النظام ، جون وايلي وأولاده، 2010، رقم ISBN 9780471660088.
• باو، هسيو-يوان؛ أغيري، جيري، "المصفوفة الطورية"، في دويشيان ليو؛ فايفر، أولريش؛ غرزيب، يانوش؛ غوشيه، برايان؛ تقنيات الموجات المليمترية المتقدمة: الهوائيات والتغليف والدوائر ، جون وايلي وأولاده، 2009، رقم ISBN 047074295X.
• بونشاك، جي إي؛ تينتزيريس، إي إم؛ بابابوليميرو، جيه ، "الاقتران بين خطوط الميكروستريب المضمنة في طبقات البوليميد لـ 3D-MMICs على السيليكون" ، وقائع IEE - الموجات الدقيقة والهوائيات والانتشار ، المجلد 150، العدد 5، الصفحات 344-350، أكتوبر 2003.