Понимание отражений и постоянных волн в проектировании радиочастотных цепей

Реальные радиосигналы
Высокочастотная схема должна учитывать два важных, хотя и несколько загадочных явления: отражения и стоячие волны.

Из нашего контакта с другими отраслями науки мы знаем, что волны связаны с особыми типами поведения. Световые волны преломляются, когда они перемещаются из одной среды (например, воздуха) в другую среду (например, стекло). 

Волны воды рассеиваются, когда они сталкиваются с лодками или большими камнями. Звуковые волны создают помехи, что приводит к периодическим изменениям громкости (называемым «биениями»).

Электрические волны также подвержены поведению, которое мы обычно не связываем с электрическими сигналами. Общее неудовлетворительное знакомство с волновой природой электричества, однако, неудивительно, потому что в многочисленных цепях эти эффекты незначительны или отсутствуют. 

Цифровой или низкочастотный аналоговый инженер может работать годами и разрабатывать множество успешных систем, даже не приобретя глубокого понимания волновых эффектов, которые становятся заметными в высокочастотных цепях.

Как обсуждалось на предыдущей странице, межсоединение, которое подвергается особому поведению высокочастотного сигнала, называется линией передачи. Эффекты линии передачи значительны только тогда, когда длина межсоединения составляет не менее одной четвертой длины волны сигнала; таким образом, нам не нужно беспокоиться о волновых свойствах, если мы не работаем с высокими частотами или очень длинными межсоединениями.

отражение
Отражение, преломление, дифракция, интерференция - все эти классические волновые характеристики относятся к электромагнитному излучению. 

Но на данный момент мы все еще имеем дело с электрическими сигналами, то есть сигналами, которые еще не были преобразованы антенной в электромагнитное излучение, и, следовательно, нам нужно рассмотреть только два из них: отражение и помехи.

Обычно мы думаем об электрическом сигнале как об одностороннем явлении; он перемещается от выхода одного компонента к входу другого компонента или, другими словами, от источника к нагрузке. Однако в радиочастотном проектировании мы всегда должны учитывать тот факт, что сигналы могут распространяться в обоих направлениях: от источника к нагрузке, конечно, но также - из-за отражений - от нагрузки к источнику.

Волна, путешествующая по струне, испытываетcЭто отражение, когда оно достигает физического барьера.

Водно-волновая аналогия
Отражения возникают, когда волна сталкивается с разрывом. Представьте, что шторм привел к появлению больших волн на воде, распространяющихся через обычно спокойную гавань. Эти волны в конечном итоге сталкиваются с твердой каменной стеной. Мы интуитивно знаем, что эти волны будут отражаться от каменной стены и распространяться обратно в гавань. Тем не менее, мы также интуитивно знаем, что водяные волны, падающие на пляж, редко приводят к значительному отражению энергии обратно в океан. Почему разница?

Волны передают энергию. Когда волны воды распространяются через открытую воду, эта энергия просто движется. Когда волна достигает разрыва, плавное движение энергии прерывается; в случае пляжа или каменной стены распространение волн больше невозможно. 

Но что происходит с энергией, передаваемой волной? Это не может исчезнуть; оно должно быть либо поглощено, либо отражено. Каменная стена не поглощает энергию волны, поэтому происходит отражение - энергия продолжает распространяться в форме волны, но в противоположном направлении. Однако пляж позволяет волновой энергии рассеиваться более плавным и естественным образом. Пляж поглощает энергию волны, и поэтому происходит минимальное отражение.

От воды к электронам
Электрические цепи также представляют разрывы, которые влияют на распространение волн; в этом контексте критическим параметром является полное сопротивление. Представьте электрическую волну, идущую по линии электропередачи; это эквивалентно водной волне посреди океана. 

Волна и связанная с ней энергия плавно распространяются от источника к нагрузке. В конце концов, однако, электрическая волна достигает своего места назначения: антенна, усилитель и т. Д.

Из предыдущей страницы мы знаем, что передача максимальной мощности происходит, когда величина импеданса нагрузки равна величине импеданса источника. (В этом контексте «полное сопротивление источника» может также относиться к характеристическому сопротивлению линии передачи.) 

С согласованными импедансами действительно нет прерывистости, потому что нагрузка может поглощать всю энергию волны. Но если импедансы не согласованы, поглощается только часть энергии, а оставшаяся энергия отражается в форме электрической волны, движущейся в противоположном направлении.

Количество отраженной энергии зависит от серьезности несоответствия между источником и импедансом нагрузки. Два наихудших сценария - это разомкнутая цепь и короткое замыкание, соответствующие бесконечному импедансу нагрузки и нулевому импедансу нагрузки, соответственно. 

Эти два случая представляют собой полный разрыв; никакая энергия не может быть поглощена, и, следовательно, вся энергия отражается.

Важность соответствия
Если вы даже участвовали в разработке или тестировании радиочастот, вы знаете, что согласование импедансов является общей темой обсуждения. Теперь мы понимаем, что импедансы должны быть согласованы для предотвращения отражений, но почему так много беспокойств по поводу отражений?

Первая проблема - просто эффективность. Если к антенне подключен усилитель мощности, мы не хотим, чтобы половина выходной мощности отражалась обратно на усилитель. 

Все дело в том, чтобы генерировать электроэнергию, которая может быть преобразована в электромагнитное излучение. В общем, мы хотим перенести мощность с источника на нагрузку, а это означает, что отражения должны быть минимизированы.

Второй вопрос немного более тонкий. Непрерывный сигнал, передаваемый через линию передачи на несоответствующее сопротивление нагрузки, приведет к непрерывному отраженному сигналу. Эти падающие и отраженные волны проходят друг друга, идя в противоположных направлениях. Помехи приводят к появлению стоячей волны, т. Е. Стационарной волновой картины, равной сумме падающей и отраженной волн. 

Эта стоячая волна действительно создает изменения амплитуды пика вдоль физической длины кабеля; некоторые местоположения имеют более высокую пиковую амплитуду, а другие местоположения имеют более низкую пиковую амплитуду.

Постоянные волны приводят к напряжениям, которые выше, чем исходное напряжение передаваемого сигнала, и в некоторых случаях эффект достаточно серьезен, чтобы вызвать физическое повреждение кабелей или компонентов.

Обзор

* Электрические волны подвержены отражению и помехам.

* Волны воды отражаются, когда они достигают физического препятствия, такого как каменная стена. Точно так же электрическое отражение происходит, когда сигнал переменного тока сталкивается с разрывом импеданса.

* Мы можем предотвратить отражение, сопоставив сопротивление нагрузки с характеристическим сопротивлением линии передачи. Это позволяет нагрузке поглощать энергию волны.

* Отражения проблематичны, потому что они уменьшают количество энергии, которое может передаваться от источника к нагрузке.

* Отражения также приводят к стоячей волне; части с высокой амплитудой стоячей волны могут повредить компоненты или кабели.

Оставить сообщение 

Список сообщений