Zrozumienie odbić i fal stojących w projektowaniu obwodów RF

Prawdziwe sygnały RF
Projektowanie obwodów o wysokiej częstotliwości musi uwzględniać dwa ważne, choć nieco tajemnicze zjawiska: odbicia i fale stojące.

Wiemy z naszego kontaktu z innymi gałęziami nauki, że fale są związane ze specjalnymi typami zachowań. Fale świetlne załamują się, gdy przechodzą z jednego ośrodka (takiego jak powietrze) do innego ośrodka (takiego jak szkło). 

Fale wody uginają się, gdy napotykają łodzie lub duże skały. Fale dźwiękowe interferują, powodując okresowe zmiany głośności (zwane „uderzeniami”).

Fale elektryczne podlegają również zachowaniom, których zwykle nie kojarzymy z sygnałami elektrycznymi. Ogólny brak znajomości falowej natury elektryczności nie jest jednak zaskakujący, ponieważ w wielu obwodach efekty te są znikome lub nie występują wcale. 

Inżynier cyfrowy lub analogowy o niskiej częstotliwości może pracować przez lata i projektować wiele udanych systemów, nigdy nie zdobywając dogłębnego zrozumienia efektów falowych, które stają się widoczne w obwodach o wysokiej częstotliwości.

Jak omówiono na poprzedniej stronie, interkonekt podlegający specjalnemu zachowaniu sygnału wysokiej częstotliwości jest nazywany linią transmisyjną. Efekty linii przesyłowej są znaczące tylko wtedy, gdy długość interkonektu wynosi co najmniej jedną czwartą długości fali sygnału; dlatego nie musimy martwić się właściwościami fal, chyba że pracujemy z wysokimi częstotliwościami lub bardzo długimi interkonektami.

Refleksja
Odbicie, załamanie, dyfrakcja, interferencja — wszystkie te klasyczne zachowania fal odnoszą się do promieniowania elektromagnetycznego. 

Ale w tym momencie nadal mamy do czynienia z sygnałami elektrycznymi, tj. sygnałami, które nie zostały jeszcze przetworzone przez antenę na promieniowanie elektromagnetyczne, w związku z czym musimy zająć się tylko dwoma z nich: odbiciem i interferencją.

Generalnie uważamy sygnał elektryczny za zjawisko jednokierunkowe; wędruje od wyjścia jednego komponentu do wejścia innego komponentu, lub innymi słowy, od źródła do obciążenia. Jednak przy projektowaniu RF zawsze musimy być świadomi faktu, że sygnały mogą przemieszczać się w obu kierunkach: oczywiście od źródła do obciążenia, ale także - z powodu odbić - od obciążenia do źródła.

Fala przemieszczająca się wzdłuż sznurka experiencodbija się, gdy dociera do fizycznej bariery.

Analogia fali wodnej
Odbicia pojawiają się, gdy fala napotyka nieciągłość. Wyobraź sobie, że burza spowodowała rozprzestrzenienie się dużych fal wodnych przez zwykle spokojny port. Fale te ostatecznie zderzają się z solidną ścianą skalną. Wiemy intuicyjnie, że fale te odbijają się od skalnej ściany i rozprzestrzeniają z powrotem do portu. Jednak intuicyjnie wiemy również, że fale wodne wpadające na plażę rzadko powodują znaczne odbicie energii z powrotem do oceanu. Skąd ta różnica?

Fale przenoszą energię. Kiedy fale wodne rozchodzą się na wodach otwartych, energia ta po prostu się porusza. Kiedy jednak fala osiąga nieciągłość, płynny ruch energii zostaje przerwany; w przypadku plaży lub ściany skalnej propagacja fal nie jest już możliwa. 

Ale co dzieje się z energią przenoszoną przez falę? Nie może zniknąć; musi zostać wchłonięty lub odbity. Ściana skalna nie pochłania energii fali, więc następuje odbicie – energia nadal rozchodzi się w postaci fali, ale w przeciwnym kierunku. Plaża pozwala jednak rozproszyć energię fal w bardziej stopniowy i naturalny sposób. Plaża pochłania energię fali, dzięki czemu występuje minimalne odbicie.

Od wody do elektronów
Obwody elektryczne również wykazują nieciągłości, które wpływają na propagację fal; w tym kontekście parametrem krytycznym jest impedancja. Wyobraź sobie falę elektryczną przemieszczającą się wzdłuż linii transmisyjnej; jest to odpowiednik fali wodnej na środku oceanu. 

Fala i związana z nią energia płynnie rozchodzą się od źródła do obciążenia. W końcu jednak fala elektryczna dociera do celu: anteny, wzmacniacza itp.

Wiemy z poprzedniej strony, że maksymalny transfer mocy występuje, gdy impedancja obciążenia jest równa impedancji źródła. (W tym kontekście „impedancja źródła” może również odnosić się do impedancji charakterystycznej linii transmisyjnej.) 

Przy dopasowanych impedancjach naprawdę nie ma nieciągłości, ponieważ obciążenie może wchłonąć całą energię fali. Ale jeśli impedancje nie są dopasowane, tylko część energii jest pochłaniana, a pozostała energia jest odbijana w postaci fali elektrycznej poruszającej się w przeciwnym kierunku.

Na ilość odbitej energii ma wpływ stopień niedopasowania impedancji źródła i obciążenia. Dwa najgorsze scenariusze to przerwa w obwodzie i zwarcie, odpowiadające odpowiednio nieskończonej impedancji obciążenia i zerowej impedancji obciążenia. 

Te dwa przypadki reprezentują całkowitą nieciągłość; żadna energia nie może zostać pochłonięta, w związku z czym cała energia jest odbijana.

Znaczenie dopasowania
Jeśli nawet brałeś udział w projektowaniu lub testowaniu RF, wiesz, że dopasowanie impedancji jest częstym tematem dyskusji. Rozumiemy teraz, że impedancje muszą być dopasowane, aby zapobiec odbiciom, ale dlaczego tak bardzo martwisz się odbiciami?

Pierwszym problemem jest po prostu wydajność. Jeśli mamy wzmacniacz mocy podłączony do anteny, nie chcemy, aby połowa mocy wyjściowej była odbijana z powrotem do wzmacniacza. 

Chodzi o to, aby wygenerować energię elektryczną, którą można przekształcić w promieniowanie elektromagnetyczne. Ogólnie rzecz biorąc, chcemy przenosić moc ze źródła do obciążenia, a to oznacza, że ​​odbicia muszą być zminimalizowane.

Druga kwestia jest nieco bardziej subtelna. Ciągły sygnał przesyłany przez linię transmisyjną do niedopasowanej impedancji obciążenia spowoduje ciągły sygnał odbity. Te fale padające i odbite mijają się, idąc w przeciwnych kierunkach. Efektem interferencji jest fala stojąca, tj. wzór fali stacjonarnej równy sumie fal padających i odbitych. 

Ta fala stojąca naprawdę tworzy szczytowe zmiany amplitudy wzdłuż fizycznej długości kabla; niektóre lokalizacje mają wyższą amplitudę szczytową, a inne lokalizacje mają niższą amplitudę szczytową.

Fale stojące powodują napięcia, które są wyższe niż pierwotne napięcie transmitowanego sygnału, aw niektórych przypadkach efekt jest wystarczająco silny, aby spowodować fizyczne uszkodzenie kabli lub komponentów.

Podsumowanie

*Fale elektryczne podlegają odbiciu i interferencji.

*Fale wody odbijają się, gdy docierają do fizycznej przeszkody, takiej jak kamienna ściana. Podobnie, odbicie elektryczne występuje, gdy sygnał AC napotyka nieciągłość impedancji.

*Możemy zapobiec odbiciom, dopasowując impedancję obciążenia do impedancji charakterystycznej linii transmisyjnej. Dzięki temu ładunek może pochłonąć energię fal.

*Odbicia są problematyczne, ponieważ zmniejszają ilość energii, która może być przenoszona ze źródła do obciążenia.

*Odbicia prowadzą również do fal stojących; części fali stojącej o dużej amplitudzie mogą uszkodzić komponenty lub kable.

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów