Izpratne par atstarojumiem un stāvošajiem viļņiem RF shēmas projektēšanā

Reālās dzīves RF signāli
Augstas frekvences ķēdes projektēšanai jāņem vērā divas svarīgas, kaut arī nedaudz noslēpumainas parādības: atstarojumi un stāvošie viļņi.

No saskares ar citām zinātnes nozarēm mēs zinām, ka viļņi ir saistīti ar īpašiem uzvedības veidiem. Gaismas viļņi refrakcijas laikā pārvietojas no viena barotnes (piemēram, gaisa) citā barotnē (piemēram, stikla). 

Ūdens viļņi izklīst, sastopoties ar laivām vai lielām klintīm. Skaņas viļņi traucē, periodiski mainoties skaļumam (ko sauc par “sitieniem”).

Elektriskie viļņi ir pakļauti arī uzvedībai, kuru mēs parasti nesaistam ar elektriskiem signāliem. Tomēr vispārējs pārzināšana par elektrības viļņu raksturu nav pārsteigums, jo daudzās shēmās šie efekti ir niecīgi vai vispār nav. 

Ciparu vai zemas frekvences analogo inženieri var strādāt gadiem ilgi un projektēt daudzas veiksmīgas sistēmas, nekad neiegūstot pilnīgu izpratni par viļņu efektiem, kas kļūst pamanāmi augstfrekvences ķēdēs.

Kā tika runāts iepriekšējā lappusē, starpsavienojumu, uz kuru attiecas īpaša augstfrekvences signāla izturēšanās, sauc par pārvades līniju. Pārvades līnijas efekti ir nozīmīgi tikai tad, ja starpsavienojuma garums ir vismaz viena ceturtā daļa no signāla viļņa garuma; tādējādi mums nav jāuztraucas par viļņu īpašībām, ja vien mēs nedarbojamies ar augstām frekvencēm vai ļoti gariem starpsavienojumiem.

Pārdomas
Atstarošana, refrakcija, difrakcija, traucējumi - visa šī klasiskā viļņu izturēšanās attiecas uz elektromagnētisko starojumu. 

Bet šobrīd mēs joprojām nodarbojamies ar elektriskiem signāliem, ti, ar signāliem, kurus antena vēl nav pārveidojusi par elektromagnētisko starojumu, un tāpēc mums jāuztraucas tikai par diviem no tiem: atstarošanu un traucējumiem.

Parasti mēs domājam par elektrisko signālu kā vienvirziena parādību; tas pārvietojas no viena komponenta izejas uz citas sastāvdaļas ievadi vai, citiem vārdiem sakot, no avota uz kravu. RF projektēšanā mums vienmēr ir jāapzinās fakts, ka signāli var pārvietoties abos virzienos: no avota līdz kravai, protams, bet arī - atstarojuma dēļ - no slodzes uz avotu.

Vilnis, kas pārvietojas pa virknices refleksija, kad tā sasniedz fizisku barjeru.

Ūdens viļņu analīze
Pārdomas rodas, ja vilnis saskaras ar pārtraukumu. Iedomājieties, ka vētras dēļ parasti normāli mierīgā ostā izplatījās lieli ūdens viļņi. Šie viļņi galu galā saduras ar cietu klints sienu. Mēs intuitīvi zinām, ka šie viļņi atstarosies no klints sienas un izplatīsies atpakaļ ostā. Tomēr mēs arī intuitīvi zinām, ka pludmalē plūstoši ūdens viļņi reti rada ievērojamu enerģijas atspoguļojumu atpakaļ okeānā. Kāpēc atšķirība?

Viļņi pārnes enerģiju. Kad ūdens viļņi izplatās caur atklātu ūdeni, šī enerģija vienkārši pārvietojas. Tomēr, kad vilnis sasniedz pārtraukumu, tiek pārtraukta vienmērīga enerģijas kustība; pludmales vai klinšu sienas gadījumā viļņu izplatīšanās vairs nav iespējama. 

Bet kas notiek ar enerģiju, kuru vilnis pārnesa? Tas nevar pazust; tai jābūt vai nu absorbētai, vai atspoguļotai. Akmens siena neuzsūc viļņu enerģiju, tāpēc notiek pārdomas - enerģija turpina izplatīties viļņu formā, bet pretējā virzienā. Pludmale tomēr ļauj viļņu enerģijai izklīst pakāpeniskāk un dabiskāk. Pludmale absorbē viļņa enerģiju, un tādējādi rodas minimālas atstarošanās.

No ūdens līdz elektroniem
Elektriskās ķēdēs ir arī pārtraukumi, kas ietekmē viļņu izplatību; šajā kontekstā kritiskais parametrs ir pretestība. Iedomājieties elektrisko vilni, kas pārvietojas pa pārvades līniju; tas ir līdzvērtīgs ūdens vilnim okeāna vidū. 

Vilnis un ar to saistītā enerģija vienmērīgi izplatās no avota uz slodzi. Tomēr galu galā elektriskais vilnis sasniedz galamērķi: antena, pastiprinātājs utt.

No iepriekšējās lapas mēs zinām, ka maksimālā jaudas pārvade notiek, ja slodzes pretestības lielums ir vienāds ar avota pretestības lielumu. (Šajā kontekstā “avota pretestība” var attiekties arī uz pārvades līnijas raksturīgo pretestību.) 

Ar saskaņotām pretestībām tiešām nav pārtraukumu, jo slodze var absorbēt visu viļņa enerģiju. Bet, ja pretestības nav saskaņotas, tiek absorbēta tikai daļa enerģijas, un atlikušā enerģija tiek atspoguļota elektriskā viļņa formā, kas pārvietojas pretējā virzienā.

Atstarotās enerģijas daudzumu ietekmē avota un slodzes pretestības neatbilstības nopietnība. Divi sliktākā gadījuma scenāriji ir atvērta ķēde un īssavienojums, kas attiecīgi atbilst bezgalīgai slodzes pretestībai un nulles slodzes pretestībai. 

Šie divi gadījumi atspoguļo pilnīgu pārtraukumu; enerģiju nevar absorbēt, un līdz ar to visa enerģija tiek atspoguļota.

Atbilstības nozīme
Ja jūs pat esat iesaistījies RF projektēšanā vai testēšanā, jūs zināt, ka pretestības saskaņošana ir izplatīta diskusiju tēma. Mēs tagad saprotam, ka pretestības ir jāsaskaņo, lai novērstu pārdomas, bet kāpēc tik lielas bažas par pārdomām?

Pirmā problēma ir vienkārši efektivitāte. Ja mums ir antenas pievienots jaudas pastiprinātājs, mēs nevēlamies, lai puse no izejas jaudas tiktu atspoguļota atpakaļ pastiprinātājā. 

Viss mērķis ir radīt elektrisko enerģiju, ko var pārveidot par elektromagnētisko starojumu. Kopumā mēs vēlamies pārvietot enerģiju no avota uz slodzi, un tas nozīmē, ka atstarojumi ir jāsamazina līdz minimumam.

Otrais jautājums ir nedaudz smalkāks. Nepārtraukts signāls, kas caur pārvades līniju tiek pārsūtīts uz neatbilstīgu slodzes pretestību, radīs nepārtrauktu atstarotu signālu. Šie negadījumi un atstarotie viļņi šķērso viens otru, dodoties pretējos virzienos. Traucējumu rezultāts ir stāvošs vilnis, ti, stacionārs viļņu modelis, kas vienāds ar atgadījuma un atstaroto viļņu summu. 

Šis stāvošais vilnis patiešām rada maksimālās amplitūdas variācijas visā kabeļa fiziskajā garumā; dažās vietās ir augstāka pīķa amplitūda, bet citās - zemāka pīķa amplitūda.

Stāvošie viļņi rada spriegumu, kas ir lielāks par sākotnējo pārraidītā signāla spriegumu, un dažos gadījumos efekts ir pietiekami smags, lai fiziski sabojātu kabeļus vai komponentus.

Kopsavilkums

* Elektriskie viļņi ir pakļauti pārdomām un traucējumiem.

* Ūdens viļņi atspoguļojas, kad tie sasniedz fiziskus šķēršļus, piemēram, akmens sienu. Tāpat elektriskā atstarošana notiek, ja maiņstrāvas signāls sastopas ar pretestības pārtraukumu.

* Mēs varam novērst refleksiju, saskaņojot slodzes pretestību ar pārvades līnijas raksturīgo pretestību. Tas ļauj kravai absorbēt viļņu enerģiju.

* Atstarojumi ir problemātiski, jo tie samazina enerģijas daudzumu, ko var pārnest no avota uz slodzi.

* Pārdomas rada arī stāvošus viļņus; stāvoša viļņa augstas amplitūdas daļas var sabojāt komponentus vai kabeļus.

Atstāj ziņu 

Message saraksts