Κατανόηση των προβληματισμών και των μόνιμων κυμάτων στο σχεδιασμό κυκλωμάτων RF

Σήματα RF πραγματικής ζωής
Ο σχεδιασμός κυκλωμάτων υψηλής συχνότητας πρέπει να συνυπολογίζει δύο σημαντικά αλλά κάπως μυστηριώδη φαινόμενα: ανακλάσεις και στάσιμα κύματα.

Γνωρίζουμε από την έκθεσή μας σε άλλους κλάδους της επιστήμης ότι τα κύματα σχετίζονται με ειδικούς τύπους συμπεριφοράς. Τα κύματα φωτός διαθλάται όταν μετακινούνται από ένα μέσο (όπως ο αέρας) σε ένα διαφορετικό μέσο (όπως γυαλί). 

Τα κύματα του νερού διαχέονται όταν συναντούν σκάφη ή μεγάλους βράχους. Τα ηχητικά κύματα παρεμβαίνουν, με αποτέλεσμα περιοδικές διακυμάνσεις στην ένταση (που ονομάζεται "beats").

Τα ηλεκτρικά κύματα υπόκεινται επίσης σε συμπεριφορά που συνήθως δεν συνδέουμε με ηλεκτρικά σήματα. Η γενική έλλειψη εξοικείωσης με την κυματική φύση του ηλεκτρισμού δεν προκαλεί έκπληξη, ωστόσο, επειδή σε πολλά κυκλώματα αυτά τα φαινόμενα είναι αμελητέα ή ανύπαρκτα. 

Είναι πιθανό για έναν ψηφιακό ή αναλογικό μηχανικό χαμηλής συχνότητας να εργάζεται για χρόνια και να σχεδιάζει πολλά επιτυχημένα συστήματα χωρίς να αποκτά ποτέ πλήρη κατανόηση των κυματικών εφέ που γίνονται εμφανή σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας.

Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη σελίδα, μια διασύνδεση που υπόκειται σε ειδική συμπεριφορά σήματος υψηλής συχνότητας καλείται γραμμή μετάδοσης. Τα εφέ της γραμμής μετάδοσης είναι σημαντικά μόνο όταν το μήκος της διασύνδεσης είναι τουλάχιστον το ένα τέταρτο του μήκους κύματος του σήματος. Επομένως, δεν χρειάζεται να ανησυχούμε για τις ιδιότητες κυμάτων εκτός εάν εργαζόμαστε με υψηλές συχνότητες ή πολύ μεγάλες διασυνδέσεις.

Αναστοχασμός
Αντανάκλαση, διάθλαση, περίθλαση, παρεμβολές - όλες αυτές οι κλασικές συμπεριφορές κυμάτων ισχύουν για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. 

Αλλά σε αυτό το σημείο εξακολουθούμε να αντιμετωπίζουμε ηλεκτρικά σήματα, δηλαδή σήματα που δεν έχουν ακόμη μετατραπεί από την κεραία σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, και κατά συνέπεια πρέπει να ασχοληθούμε μόνο με δύο από αυτά: την αντανάκλαση και τις παρεμβολές.

Θεωρούμε γενικά ένα ηλεκτρικό σήμα ως ένα μονόδρομο φαινόμενο. ταξιδεύει από την έξοδο ενός στοιχείου στην είσοδο άλλου στοιχείου ή με άλλα λόγια από μια πηγή σε ένα φορτίο. Στον σχεδιασμό RF, πάντως, πρέπει πάντα να γνωρίζουμε το γεγονός ότι τα σήματα μπορούν να ταξιδεύουν και προς τις δύο κατευθύνσεις: από την πηγή μέχρι το φορτίο, σίγουρα, αλλά και - λόγω αντανακλαστικών - από το φορτίο στην πηγή.

Το κύμα που ταξιδεύει κατά μήκος της συμβολοσειράςcαντανάκλαση όταν φτάνει σε ένα φυσικό εμπόδιο.

Μια αναλογία νερού-κύματος
Οι προβληματισμοί εμφανίζονται όταν ένα κύμα συναντά μια ασυνέχεια. Φανταστείτε ότι μια καταιγίδα έχει οδηγήσει σε μεγάλα κύματα νερού που διαδίδονται μέσω ενός κανονικά ήρεμου λιμανιού. Αυτά τα κύματα τελικά συγκρούονται με ένα συμπαγές τοίχο. Γνωρίζουμε διαισθητικά ότι αυτά τα κύματα θα αντανακλούν τον βράχο και θα μεταδίδονται ξανά στο λιμάνι. Ωστόσο, γνωρίζουμε επίσης διασκεδαστικά ότι τα κύματα νερού που σπάνε σε μια παραλία σπάνια θα οδηγήσουν σε σημαντική αντανάκλαση της ενέργειας πίσω στον ωκεανό. Γιατί η διαφορά;

Τα κύματα μεταφέρουν ενέργεια. Όταν τα κύματα του νερού διαδίδονται μέσω ανοιχτού νερού, αυτή η ενέργεια κινείται απλά. Όταν το κύμα φτάσει σε ασυνέχεια, η ομαλή κίνηση της ενέργειας διακόπτεται. σε περίπτωση παραλίας ή βραχώδους τείχους, η διάδοση των κυμάτων δεν είναι πλέον δυνατή. 

Τι συμβαίνει όμως με την ενέργεια που μεταφέρεται από το κύμα; Δεν μπορεί να εξαφανιστεί. πρέπει να απορροφηθεί ή να αντανακλάται Ο βραχώδης τοίχος δεν απορροφά την κυματική ενέργεια, οπότε συμβαίνει αντανάκλαση - η ενέργεια συνεχίζει να διαδίδεται σε κυματομορφή, αλλά προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η παραλία, ωστόσο, επιτρέπει την κυματική ενέργεια να διαλυθεί με πιο σταδιακό και φυσικό τρόπο. Η παραλία απορροφά την ενέργεια του κύματος, και έτσι γίνεται ελάχιστη αντανάκλαση.

Από Νερό σε Ηλεκτρόνια
Τα ηλεκτρικά κυκλώματα παρουσιάζουν επίσης ασυνέχειες που επηρεάζουν τη διάδοση των κυμάτων. σε αυτό το πλαίσιο, η κρίσιμη παράμετρος είναι η σύνθετη αντίσταση. Φανταστείτε ένα ηλεκτρικό κύμα να ταξιδεύει κάτω από μια γραμμή μετάδοσης. Αυτό ισοδυναμεί με το κύμα του νερού στη μέση του ωκεανού. 

Το κύμα και η σχετική ενέργεια διαδίδονται ομαλά από πηγή σε φορτίο. Τελικά, όμως, το ηλεκτρικό κύμα φτάνει στον προορισμό του: κεραία, ενισχυτής κ.λπ.

Γνωρίζουμε από μια προηγούμενη σελίδα ότι η μέγιστη μεταφορά ισχύος συμβαίνει όταν το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης φορτίου είναι ίσο με το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης πηγής. (Σε αυτό το πλαίσιο η «αντίσταση πηγής» μπορεί επίσης να αναφέρεται στη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση μιας γραμμής μετάδοσης.) 

Με αντιστοιχισμένες σύνθετες αντιστάσεις, δεν υπάρχει πραγματική ασυνέχεια, επειδή το φορτίο μπορεί να απορροφήσει όλη την ενέργεια του κύματος. Αλλά αν οι αντιστάσεις δεν ταιριάζουν, μόνο μέρος της ενέργειας απορροφάται και η υπόλοιπη ενέργεια αντανακλάται με τη μορφή ενός ηλεκτρικού κύματος που κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Η ποσότητα της ανακλώμενης ενέργειας επηρεάζεται από τη σοβαρότητα της αναντιστοιχίας μεταξύ πηγής και αντίστασης φορτίου. Τα δύο χειρότερα σενάρια είναι ένα ανοικτό κύκλωμα και ένα βραχυκύκλωμα, που αντιστοιχούν στην αντίσταση άπειρου φορτίου και στην αντίσταση μηδενικού φορτίου, αντίστοιχα. 

Αυτές οι δύο περιπτώσεις αντιπροσωπεύουν μια πλήρη ασυνέχεια. καμία ενέργεια δεν μπορεί να απορροφηθεί, και κατά συνέπεια όλη η ενέργεια αντανακλάται.

Η σημασία της αντιστοίχισης
Αν έχετε ακόμα εμπλακεί σε σχεδιασμό RF ή σε δοκιμές, γνωρίζετε ότι η αντιστοίχιση εμπέδησης είναι ένα κοινό θέμα συζήτησης. Καταλαβαίνουμε τώρα ότι οι αντιστάσεις πρέπει να ταιριάζουν για να αποφευχθεί η σκέψη, αλλά γιατί τόσο πολλή ανησυχία για τους προβληματισμούς;

Το πρώτο πρόβλημα είναι απλώς η αποτελεσματικότητα. Εάν έχουμε έναν ενισχυτή ισχύος συνδεδεμένο σε μια κεραία, δεν θέλουμε το ήμισυ της ισχύος εξόδου να αντανακλάται πίσω στον ενισχυτή. 

Ολόκληρο το σημείο είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Σε γενικές γραμμές, θέλουμε να μεταφέρουμε ενέργεια από πηγή σε φορτίο και αυτό σημαίνει ότι οι αντανακλάσεις πρέπει να ελαχιστοποιηθούν.

Το δεύτερο ζήτημα είναι λίγο πιο λεπτό. Ένα συνεχές σήμα που μεταφέρεται μέσω μιας γραμμής μετάδοσης σε μια αναντιστοιχία αντίστασης φορτίου θα έχει ως αποτέλεσμα ένα συνεχές ανακλώμενο σήμα. Αυτά τα περιστατικά και τα ανακλώμενα κύματα περνούν το ένα το άλλο, σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η παρεμβολή οδηγεί σε ένα κύμα όρθιο, δηλαδή, ένα μοτίβο στατικού κύματος ίσο με το άθροισμα του περιστατικού και τα ανακλώμενα κύματα. 

Αυτό το όρθιο κύμα δημιουργεί πραγματικά παραλλαγές πλάτους-πλάτους κατά μήκος του φυσικού μήκους του καλωδίου. ορισμένες θέσεις έχουν υψηλότερο πλάτος κορυφής και άλλες τοποθεσίες έχουν χαμηλότερο πλάτος κορυφής.

Τα στάσιμα κύματα έχουν ως αποτέλεσμα τάσεις υψηλότερες από την αρχική τάση του μεταδιδόμενου σήματος και σε ορισμένες περιπτώσεις το αποτέλεσμα είναι αρκετά σοβαρό ώστε να προκαλέσει φυσική ζημιά στα καλώδια ή τα εξαρτήματα.

Χαρακτηριστικά

* Τα ηλεκτρικά κύματα υπόκεινται σε ανάκλαση και παρεμβολή.

* Τα κύματα του νερού αντανακλούν όταν φτάνουν σε φυσική απόφραξη, όπως ένας πέτρινος τοίχος. Ομοίως, η ηλεκτρική ανάκλαση συμβαίνει όταν ένα σήμα AC συναντά μια ασυνέχεια αντίστασης.

* Μπορούμε να αποτρέψουμε την ανάκλαση αντιστοιχίζοντας τη σύνθετη αντίσταση φορτίου με τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της γραμμής μετάδοσης. Αυτό επιτρέπει στο φορτίο να απορροφήσει την κυματική ενέργεια.

* Οι αντανακλάσεις είναι προβληματικές επειδή μειώνουν την ποσότητα ισχύος που μπορεί να μεταφερθεί από την πηγή στο φορτίο.

* Οι αντανακλάσεις οδηγούν επίσης σε όρθια κύματα. Τα τμήματα μεγάλου πλάτους ενός όρθιου κύματος μπορούν να προκαλέσουν ζημιά σε εξαρτήματα ή καλώδια.

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων