Ymmärtäminen heijastuksista ja pysyvistä aalloista RF-piirin suunnittelussa

Tosielämän RF-signaalit
Suurtaajuuspiirin suunnittelussa on otettava huomioon kaksi tärkeää, tosin hieman salaperäistä ilmiötä: heijastukset ja seisovaallot.

Muiden tieteenalojen altistumisesta tiedämme, että aallot liittyvät erityyppisiin käyttäytymisiin. Vaaleat aallot taittuvat, kun ne siirtyvät yhdestä väliaineesta (kuten ilmasta) toiseen väliaineeseen (kuten lasi). 

Vesiaallot diffraktoituvat, kun he kohtaavat veneitä tai suuria kiviä. Ääniaallot häiritsevät, mikä johtaa määräajoin voimakkuuden vaihteluihin (kutsutaan ”lyönteiksi”).

Sähköaallot ovat myös alttiita käyttäytymiselle, jota emme yleensä liitä sähköisiin signaaleihin. Yleinen tietämättömyys sähkön aalto-luonteesta ei ole kuitenkaan yllättävää, koska lukuisissa piireissä nämä vaikutukset ovat vähäpätöisiä tai puuttuvat kokonaan. 

Digitaalisen tai matalataajuisen analogisen insinöörin on mahdollista työskennellä vuosien ajan ja suunnitella monia onnistuneita järjestelmiä hankkimatta perusteellista ymmärrystä aaltovaikutuksista, jotka nousevat esiin korkeataajuuspiireissä.

Kuten edellisellä sivulla keskusteltiin, yhdysliitäntää, johon kohdistuu erityinen korkeataajuussignaalikäyttäytyminen, kutsutaan siirtolinjaksi. Siirtojohtovaikutukset ovat merkittäviä vain silloin, kun yhdysjohdon pituus on vähintään yksi neljäsosa signaalin aallonpituudesta; Siksi meidän ei tarvitse huolehtia aalto-ominaisuuksista, ellemme työskentele korkeilla taajuuksilla tai erittäin pitkillä yhdysyhteyksillä.

Heijastus
Heijastus, taite, diffraktio, häiriöt - kaikki nämä klassiset aallon käyttäytymiset koskevat sähkömagneettista säteilyä. 

Mutta tässä vaiheessa olemme edelleen tekemisissä sähköisten signaalien kanssa, eli signaalien kanssa, joita antenni ei ole vielä muunnellut sähkömagneettiseksi säteilyksi, ja siksi meidän on huolehdittava vain kahdesta näistä: heijastus ja häiriöt.

Pidämme yleensä sähköistä signaalia yksisuuntaisena ilmiönä; se kulkee yhden komponentin ulostulosta toisen komponentin tuloon tai toisin sanoen lähteestä kuormaan. RF-suunnittelussa meidän on kuitenkin aina oltava tietoisia siitä, että signaalit voivat kulkea molempiin suuntiin: lähteestä kuormaan, varmasti, mutta myös - heijastuksien takia - kuormasta lähteeseen.

Aalto, joka kulkee narua pitkin kokemustaces heijastus, kun se saavuttaa fyysisen esteen.

Vesiaallon analyysi
Heijastuksia tapahtuu, kun aalto kohtaa epäjatkuvuuden. Kuvittele, että myrsky on johtanut suuriin vesiaalttoihin, jotka leviävät normaalisti rauhallisen sataman läpi. Nämä aallot törmäävät lopulta kiinteään kivimuuriin. Tiedämme intuitiivisesti, että nämä aallot heijastuvat kallion muurilta ja leviävät takaisin satamaan. Tiedämme kuitenkin myös intuitiivisesti, että rannalle murtautuvat vesiaallot johtavat harvoin energian merkittävään heijastumiseen takaisin valtamereen. Miksi ero?

Aallot siirtävät energiaa. Kun vesiaallot leviävät avoimen veden läpi, tämä energia liikkuu yksinkertaisesti. Kun aalto saavuttaa epäjatkuvuuden, energian tasainen liikkuminen kuitenkin keskeytyy; rannan tai kallion muurin tapauksessa aaltojen leviäminen ei ole enää mahdollista. 

Mutta mitä tapahtuu energialle, jota aalto siirtää? Se ei voi kadota; sen on joko imeytyvä tai heijastunut. Kiviseinä ei absorboi aaltoenergiaa, joten heijastus tapahtuu - energia etenee edelleen aaltomuodossa, mutta vastakkaiseen suuntaan. Ranta kuitenkin sallii aaltoenergian haihtua asteittaisemmalla ja luonnollisemmalla tavalla. Ranta imee aallon energian, ja siten heijastus tapahtuu minimaalisesti.

Vedestä elektroneihin
Sähköpiirissä on myös epäjatkuvuuksia, jotka vaikuttavat aallon etenemiseen; tässä yhteydessä kriittinen parametri on impedanssi. Kuvittele sähköaalto, joka kulkee siirtojohdon alapuolella; tämä vastaa veden aaltoa keskellä merta. 

Aalto ja siihen liittyvä energia etenevät tasaisesti lähteestä kuormaan. Loppujen lopuksi kuitenkin sähköaalto saavuttaa määränpäähänsä: antennin, vahvistimen jne.

Edelliseltä sivulta tiedämme, että maksimaalinen tehonsiirto tapahtuu, kun kuormitusimpedanssin suuruus on yhtä suuri kuin lähteen impedanssin suuruus. (Tässä yhteydessä ”lähdeimpedanssi” voi viitata myös siirtojohdon ominaisimpedanssiin.) 

Vastaavilla impedansseilla ei todellakaan ole epäjatkuvuutta, koska kuorma voi absorboida kaiken aallon energian. Mutta jos impedansseja ei soviteta yhteen, vain osa energiasta absorboituu, ja jäljellä oleva energia heijastuu vastakkaiseen suuntaan kulkevan sähköaallon muodossa.

Heijastuneen energian määrään vaikuttaa lähde- ja kuormaimpedanssien välisen yhteensopimattomuuden vakavuus. Kaksi pahinta tapausta ovat avoin piiri ja oikosulku, jotka vastaavat vastaavasti ääretöntä kuormitusimpedanssia ja nollakuormitusimpedanssia. 

Nämä kaksi tapausta edustavat täydellistä epäjatkuvuutta; mitään energiaa ei voida absorboida, ja näin ollen kaikki energia heijastuu.

Sovittelun merkitys
Jos olet jopa ollut mukana RF-suunnittelussa tai testauksessa, tiedät, että impedanssien sovittaminen on yleinen keskusteluaihe. Ymmärrämme nyt, että impedanssit on sovitettava heijastusten estämiseksi, mutta miksi niin paljon huolta heijastuksista?

Ensimmäinen ongelma on yksinkertaisesti tehokkuus. Jos meillä on antenniin kytketty tehovahvistin, emme halua, että puolet lähtötehosta heijastuu takaisin vahvistimeen. 

Koko asia on tuottaa sähkövoimaa, joka voidaan muuntaa sähkömagneettiseksi säteilyksi. Yleensä haluamme siirtää voimaa lähteestä kuormaan, ja tämä tarkoittaa, että heijastukset on minimoitava.

Toinen kysymys on hieman hienovaraisempi. Jatkuva signaali, joka siirretään siirtojohdon kautta virheelliselle kuormitusimpedanssille, johtaa jatkuvaan heijastuneeseen signaaliin. Nämä tapaukset ja heijastuneet aallot kulkevat toistensa suuntaan päinvastaiseen suuntaan. Häiriö johtaa seisovaan aaltoon, eli paikalliseen aaltokuvioon, joka on yhtä suuri kuin tapahtuman ja heijastuneiden aaltojen summa. 

Tämä seisova aalto todella luo piikkien amplitudivaihteluita kaapelin fyysisellä pituudella; joillakin sijainneilla on suurempi piikin amplitudi, ja muilla paikoilla on matala piikin amplitudi.

Seisovat aallot johtavat jännitteisiin, jotka ovat suurempia kuin lähetetyn signaalin alkuperäinen jännite, ja joissakin tapauksissa vaikutus on riittävän vakava aiheuttamaan fyysisiä vaurioita kaapeleille tai komponenteille.

Yhteenveto

* Sähköaallot heijastuvat ja häiriintyvät.

* Vesiaallot heijastavat, kun ne saavuttavat fyysisen esteen, kuten kivimuurin. Samoin sähköinen heijastus tapahtuu, kun vaihtovirtasignaali kohtaa impedanssin epäjatkuvuuden.

* Voimme estää heijastumisen sovittamalla kuorman impedanssi siirtojohdon ominaisimpedanssiin. Tämän avulla kuorma voi absorboida aaltoenergiaa.

* Heijastukset ovat ongelmallisia, koska ne vähentävät virran määrää, joka voidaan siirtää lähteestä kuormaan.

* Heijastukset johtavat myös seisoviin aaltoihin; seisovan aallon korkean amplitudin osat voivat vahingoittaa komponentteja tai kaapeleita.

Jätä viesti 

viestiluettelo