Розуміння роздумів і стоячих хвиль в радіочастотному дизайні

РЧ-сигнали реального життя
Конструкція високочастотної схеми повинна пояснювати два важливі, хоча і дещо загадкові явища: відбиття та стоячі хвилі.

З нашого впливу до інших галузей науки ми знаємо, що хвилі асоціюються з особливими типами поведінки. Світлові хвилі заломлюються, коли вони переміщуються з одного середовища (наприклад, повітряного) в інше середовище (наприклад, скло). 

Водні хвилі розсіюються, коли вони стикаються з човнами або великими скелями. Звукові хвилі заважають, що призводить до періодичних змін гучності (званих "ударами").

Електричні хвилі також піддаються поведінці, яку ми зазвичай не асоціюємо з електричними сигналами. Загальна відсутність ознайомлення з хвильовим характером електрики не дивна, оскільки в численних схемах ці ефекти незначні або відсутні. 

Цифровий або низькочастотний аналоговий інженер може працювати роками і проектувати багато успішних систем, не отримуючи глибокого розуміння хвильових ефектів, які стають помітними у високочастотних схемах.

Як було обговорено на попередній сторінці, взаємозв'язок, який підпорядковується особливим сигналам високої частоти, називається лінією передачі. Ефекти на лінії передачі є значущими лише тоді, коли довжина з'єднання становить щонайменше чверть довжини хвилі сигналу; таким чином, нам не потрібно турбуватися про властивості хвиль, якщо ми не працюємо з високими частотами або дуже довгими з'єднаннями.

Відображення
Відбиття, заломлення, дифракція, інтерференція - всі ці класичні форми хвиль застосовуються до електромагнітного випромінювання. 

Але в цей момент ми все ще маємо справу з електричними сигналами, тобто сигналами, які ще не перетворені антеною в електромагнітне випромінювання, і, отже, нам належить стосуватися лише двох із них: відбиття та перешкоди.

Ми, як правило, вважаємо електричний сигнал одностороннім явищем; вона рухається від виходу одного компонента до входу іншого компонента, або іншими словами, від джерела до навантаження. Однак у RF-дизайні ми завжди повинні усвідомлювати той факт, що сигнали можуть рухатися в обох напрямках: звичайно, від джерела до навантаження, але також - через відбиття - від навантаження до джерела.

Хвиля, що подорожує по струніcе. відображення, коли воно досягає фізичного бар'єру.

Аналогія водної хвилі
Роздуми виникають, коли хвиля стикається з розривом. Уявіть, що буря призвела до того, що великі водні хвилі поширюються через нормально спокійну гавань. Ці хвилі зрештою стикаються з міцною скельною стіною. Ми інтуїтивно знаємо, що ці хвилі будуть відбиватися від скельної стіни і поширюватися назад у гавань. Однак ми також інтуїтивно знаємо, що водні хвилі, що пробиваються на пляж, рідко призводять до значного відбиття енергії назад в океан. Чому різниця?

Хвилі передають енергію. Коли водні хвилі поширюються через відкриту воду, ця енергія просто рухається. Однак коли хвиля досягає розриву, плавний рух енергії переривається; у випадку пляжу чи скельної стіни розповсюдження хвиль вже неможливе. 

Але що відбувається з енергією, яку передавала хвиля? Він не може зникнути; він повинен бути або поглинутим, або відбитим. Скельна стіна не поглинає енергію хвилі, тому відбувається відображення - енергія продовжує поширюватися у формі хвилі, але у зворотному напрямку. Пляж, однак, дозволяє енергії хвиль розсіюватися більш поступово і природніше. Пляж поглинає енергію хвилі, і таким чином відбувається мінімальне відображення.

Від води до електронів
Електричні кола також мають розриви, які впливають на поширення хвиль; у цьому контексті критичним параметром є імпеданс. Уявіть, що електрична хвиля рухається по лінії електропередачі; це рівносильно водяній хвилі посеред океану. 

Хвиля та пов'язана з нею енергія плавно поширюються від джерела до навантаження. Врешті-решт, електрична хвиля досягає свого призначення: антена, підсилювач тощо.

Ми знаємо з попередньої сторінки, що максимальна передача потужності відбувається тоді, коли величина опору навантаження дорівнює величині опору джерела. (У цьому контексті "джереловий імпеданс" також може означати характерний опір лінії електропередачі.) 

З відповідними опорами насправді немає розриву, оскільки навантаження може поглинати всю енергію хвилі. Але якщо імпеданси не збігаються, лише частина енергії поглинається, а решта енергії відображається у вигляді електричної хвилі, що рухається у зворотному напрямку.

На величину відбитої енергії впливає серйозність невідповідності між опором джерела та навантаження. Два найгірших сценарії - це розімкнутий ланцюг і коротке замикання, що відповідає відповідно нескінченному опору навантаження та нульовому імпедансу навантаження. 

Ці два випадки являють собою повне припинення; жодна енергія не може бути поглинена, і, отже, вся енергія відбивається.

Важливість відповідності
Якщо ви навіть брали участь у проектуванні чи тестуванні радіочастот, ви знаєте, що відповідність імпедансу - це звичайна тема обговорення. Тепер ми розуміємо, що імпеданси повинні відповідати для запобігання роздумів, але чому так сильно турбуються про відображення?

Перша проблема - це просто ефективність. Якщо у нас підключений до антени підсилювач потужності, ми не хочемо, щоб половина вихідної потужності відбивалася назад на підсилювач. 

Вся справа в генеруванні електричної енергії, яка може бути перетворена в електромагнітне випромінювання. Взагалі ми хочемо перенести потужність від джерела до навантаження, а це означає, що роздуми повинні бути мінімізовані.

Друге питання - трохи більш тонкий. Постійний сигнал, що передається по лінії передачі на невідповідний імпеданс навантаження, призведе до безперервного відбитого сигналу. Ці падаючі та відбиті хвилі проходять один за одним, йдучи в протилежних напрямках. Інтерференція спричиняє стоячу хвилю, тобто стаціонарну хвильову схему, рівну сумі падаючих та відбитих хвиль. 

Ця стояча хвиля дійсно створює пікові амплітудні зміни по фізичній довжині кабелю; певні місця мають більш високу амплітуду піків, а інші локації мають більш низьку амплітуду піків.

Постійні хвилі призводять до напруги, що перевищує вихідну напругу переданого сигналу, а в деяких випадках ефект є досить серйозним, щоб призвести до фізичного пошкодження кабелів або компонентів.

Підсумки

* Електричні хвилі підлягають відображенню та перешкодам.

* Водні хвилі відбиваються, коли вони досягають фізичної перешкоди, такої як кам'яна стіна. Аналогічно, електричне відбиття виникає, коли сигнал змінного струму наштовхується на перерив опору.

* Ми можемо запобігти відображенню, порівнявши опір навантаження з характерним опором лінії електропередачі. Це дозволяє вантажу поглинати енергію хвилі.

* Роздуми є проблематичними, оскільки вони зменшують кількість енергії, яку можна передати від джерела до навантаження.

* Роздуми також призводять до стоячих хвиль; ділянки високої амплітуди стоячої хвилі можуть пошкодити компоненти або кабелі.

Залишити повідомлення 

список повідомлень