Razumevanje odsevov in stoječih valov v RF vezju

Resnični RF signali
Zasnova visokofrekvenčnega vezja mora upoštevati dva pomembna, čeprav nekoliko skrivnostna pojava: odseve in stoječe valove.

Iz izpostavljenosti drugim vejam znanosti vemo, da so valovi povezani s posebnimi vrstami vedenja. Svetlobni valovi se lomijo, ko se iz enega medija (kot je zrak) premaknejo v drug medij (kot je steklo). 

Vodni valovi se razblinijo, ko naletijo na čolne ali velike skale. Zvočni valovi motijo, kar ima za posledico občasne spremembe v glasnosti (imenovane "utripi").

Tudi električni valovi so podvrženi vedenju, ki ga običajno ne povezujemo z električnimi signali. Splošno pomanjkanje seznanjenosti z valovno naravo električne energije ni presenetljivo, saj so v številnih tokokrogih ti učinki zanemarljivi ali pa sploh ne obstajajo. 

Digitalni ali nizkofrekvenčni analogni inženir lahko dela že leta in oblikuje številne uspešne sisteme, ne da bi pri tem nikoli dobil natančno razumevanje valovnih učinkov, ki postanejo vidni v visokofrekvenčnih vezjih.

Kot smo razkrili na prejšnji strani, se medomrežna povezava, ki je podvržena posebnim visokofrekvenčnim obnašanjem signala, imenuje daljnovod. Učinki na daljnovod so pomembni le, če je dolžina povezave vsaj četrtina signalne valovne dolžine; zato nam ni treba skrbeti za lastnosti valov, razen če delamo z visokimi frekvencami ali zelo dolgimi povezavami.

Razmislek
Odsev, lom, difrakcija, motnje - vsa ta klasična vedenja valov veljajo za elektromagnetno sevanje. 

Toda na tem mestu se še vedno ukvarjamo z električnimi signali, to je s signali, ki jih antena še ni pretvorila v elektromagnetno sevanje, zato se moramo ukvarjati le z dvema od teh: odboj in motnje.

Na splošno o električnem signalu razmišljamo kot o enosmernem pojavu; potuje od izhoda ene komponente do vhoda druge komponente ali z drugimi besedami od vira do bremena. Vendar pa se moramo pri načrtovanju RF vedno zavedati dejstva, da lahko signali potujejo v obe smeri: od vira do nakladanja, vsekakor pa tudi - odsev - od obremenitve do vira.

Val, ki potuje vzdolž vrviceces odsev, ko doseže fizično oviro.

Analogija vodnega vala
Odsevi se pojavijo, ko val naleti na prekinitev. Predstavljajte si, da je neurje povzročilo velike vodne valove, ki so se širili po običajno mirnem pristanišču. Ti valovi se sčasoma trčijo v trdno kamnito steno. Intuitivno vemo, da se bodo ti valovi odbijali od stene in se širili nazaj v pristanišče. Vendar tudi intuitivno vemo, da vodni valovi, ki se vdrejo na plažo, le redko povzročijo pomemben odboj energije nazaj v ocean. Zakaj razlika?

Valovi prenašajo energijo. Ko se vodni valovi širijo skozi odprto vodo, se ta energija preprosto premika. Ko val doseže diskontinuiteto, se nemoteno gibanje energije prekine; v primeru plaže ali kamnite stene širjenje valov ni več mogoče. 

Toda kaj se zgodi z energijo, ki jo je prenašal val? Ne more izginiti; mora biti absorbiran ali odsevan. Kamnita stena ne absorbira valovne energije, zato se pojavi refleksija - energija se še naprej širi v valovni obliki, vendar v nasprotni smeri. Plaža pa omogoča, da se valovna energija razprši na bolj postopen in naraven način. Plaža absorbira valovno energijo in tako nastane minimalen odboj.

Od vode do elektronov
Električna vezja predstavljajo tudi prekinitve, ki vplivajo na širjenje valov; v tem kontekstu je kritični parameter impedanca. Predstavljajte si električni val, ki potuje po daljnovodu; to je enako vodnemu valu sredi oceana. 

Val in z njim povezana energija se nemoteno širita od vira do obremenitve. Sčasoma pa električni val doseže svoj cilj: antena, ojačevalnik itd.

Na prejšnji strani vemo, da največji prenos moči pride, kadar je velikost impedance obremenitve enaka jakosti impedance vira. (V tem smislu se lahko "impedanca vira" nanaša tudi na značilno impedanco daljnovoda.) 

Pri izravnanih impedancah res ne pride do prekinitve, saj lahko obremenitev absorbira vso energijo vala. Če pa se impedance ne ujemajo, se absorbira le nekaj energije, preostala energija pa se odraža v obliki električnega vala, ki potuje v nasprotni smeri.

Na količino odbite energije vpliva resnost neskladja med impedanco vira in obremenitve. Dva najslabša scenarija sta odprto vezje in kratek stik, ki ustrezata neskončni impedance obremenitve in ničelni impedance. 

Ta dva primera predstavljata popolno prekinitev; nobena energija se ne more absorbirati in posledično se vsa energija odraža.

Pomen ujemanja
Če ste že sodelovali pri načrtovanju ali testiranju RF, veste, da je ujemanje impedance pogosta tema razprav. Zdaj razumemo, da je treba impedance uskladiti, da preprečimo odsev, ampak zakaj toliko skrbi glede odsevov?

Prva težava je preprosto učinkovitost. Če imamo na anteno priključen ojačevalnik moči, ne želimo, da se polovica izhodne moči odraža nazaj na ojačevalnik. 

Bistvo je ustvariti električno energijo, ki se lahko pretvori v elektromagnetno sevanje. Na splošno želimo premakniti moč iz vira v obremenitev, kar pomeni, da je treba odseve čim bolj zmanjšati.

Drugo vprašanje je nekoliko bolj subtilno. Neprekinjeni signal, ki se prek daljnovoda prenese na neusklajeno obremenitev, povzroči neprekinjen odbitek signala. Ti incidentni in odsevani valovi prehajajo drug v drugega in gredo v nasprotnih smereh. Interferenca ima za posledico stoječi val, tj. Stacionarni valovni vzorec, ki je enak vsoti vpadnih in odbijenih valov. 

Ta stoječi val resnično ustvarja razlike v najvišji amplitudi vzdolž fizične dolžine kabla; nekatere lokacije imajo višjo amplitudo vrhov, druge lokacije pa imajo nižjo amplitudo vrha.

Stoječi valovi povzročijo napetosti, ki so višje od prvotne napetosti oddanega signala, v nekaterih primerih pa je učinek dovolj močan, da povzroči fizične poškodbe kablov ali komponent.

Povzetek

* Električni valovi so podvrženi odboju in motnjam.

* Vodni valovi se odražajo, ko dosežejo fizično oviro, kot je kamniti zid. Podobno se električni odboj zgodi, kadar signal izmeničnega toka naleti na prekinitev impedance.

* Odboj lahko preprečimo tako, da obremenitev impedance prilagodimo značilni impedance daljnovoda. To omogoča, da tovor absorbira valovno energijo.

* Razmisleki so problematični, saj zmanjšujejo količino moči, ki jo je mogoče prenesti iz vira v obremenitev.

* Odsevi vodijo tudi v stoječe valove; visoko amplitudni deli stoječega vala lahko poškodujejo komponente ali kable.

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo