Højfrekvente kredsløbskonstruktion skal tage højde for to vigtige, selvom noget mystiske fænomener: reflektioner og stående bølger.
Vi ved fra vores eksponering for andre grene af videnskab, at bølger er forbundet med specielle typer adfærd. Lysbølger bryder sammen, når de bevæger sig fra et medium (f.eks. Luft) til et andet medium (f.eks. Glas). Vandbølger diffrakterer, når de støder på både eller store klipper. Lydbølger forstyrrer, hvilket resulterer i periodiske variationer i volumen (kaldet “beats”).

Elektriske bølger er også underlagt opførsel, som vi normalt ikke forbinder med elektriske signaler. Den generelle mangel på fortrolighed med bølgen af elektricitet er imidlertid ikke overraskende, fordi disse effekter i adskillige kredsløb er ubetydelige eller ikke-eksisterende. Det er muligt for en digital eller lavfrekvensanalog ingeniør at arbejde i årevis og designe mange succesrige systemer uden nogensinde at få en grundig forståelse af bølgevirkningerne, der bliver fremtrædende i højfrekvente kredsløb.

Som omtalt på forrige side kaldes en interconnect, der er underlagt særlig højfrekvens signaladfærd, en transmissionslinie. Transmissionslinieeffekter er kun signifikante, når længden af forbindelsen er mindst en fjerdedel af signalbølgelængden; Derfor behøver vi ikke at bekymre os om bølgeegenskaber, medmindre vi arbejder med høje frekvenser eller meget lange forbindelser.

Refleksion
Reflektion, refraktion, diffraktion, interferens - alle disse klassiske bølgedfærd gælder for elektromagnetisk stråling. Men på dette tidspunkt beskæftiger vi os stadig med elektriske signaler, dvs. signaler, der endnu ikke er omdannet af antennen til elektromagnetisk stråling, og som følge heraf skal vi kun beskæftige os med to af disse: reflektion og interferens.

Vi betragter generelt et elektrisk signal som et envejsfænomen; den kører fra output fra en komponent til input fra en anden komponent, eller med andre ord fra en kilde til en belastning. I RF-design skal vi dog altid være opmærksomme på, at signaler kan bevæge sig i begge retninger: fra kilde til belastning, bestemt, men også - på grund af refleksioner - fra belastning til kilde.

Bølgen, der kører langs snoren, oplever refleksion, når den når en fysisk barriere.

En vandbølgenalogi
Reflektioner opstår, når en bølge støder på en diskontinuitet. Forestil dig, at en storm har resulteret i, at store vandbølger forplantes gennem en normalt rolig havn. Disse bølger kolliderer til sidst med en solid stenmur. Vi ved intuitivt, at disse bølger vil afspejle klippevæggen og forplantes tilbage ud i havnen. Vi ved imidlertid også intuitivt, at vandbølger, der bryder ud på en strand sjældent vil resultere i betydelig reflektion af energi tilbage ud i havet. Hvorfor forskellen?

Bølger overfører energi. Når vandbølger formerer sig gennem åbent vand, bevæger denne energi sig simpelthen. Når bølgen når en diskontinuitet, afbrydes imidlertid den jævne energibevægelse; i tilfælde af en strand eller en stenmur er bølgeforplantning ikke længere mulig. Men hvad sker der med den energi, der blev overført af bølgen? Det kan ikke forsvinde; det skal enten absorberes eller reflekteres. Klippevæggen optager ikke bølgeenergien, så der opstår refleksion - energien fortsætter med at forplantes i bølgeform, men i modsat retning. Stranden tillader imidlertid bølgeenergien at sprede sig på en mere gradvis og naturlig måde. Stranden absorberer bølgens energi, og der sker således minimal reflektion.

Fra vand til elektroner
Elektriske kredsløb viser også diskontinuiteter, der påvirker bølgeforplantningen; i denne sammenhæng er den kritiske parameter impedans. Forestil dig en elektrisk bølge, der kører ned ad en transmissionslinie; dette svarer til vandbølgen midt i havet. Bølgen og dens tilknyttede energi forplantes glat fra kilde til belastning. Til sidst når den elektriske bølge imidlertid sin destination: en antenne, en forstærker osv.

Vi ved fra en forrige side, at maksimal effektoverførsel sker, når størrelsen på belastningsimpedansen er lig med størrelsen på kildeimpedansen. (I denne sammenhæng kan "kildeimpedans" også henvise til den karakteristiske impedans for en transmissionslinie.) Med matchede impedanser er der virkelig ingen diskontinuitet, fordi belastningen kan absorbere al bølgens energi. Men hvis impedanserne ikke matches, absorberes kun en del af energien, og den resterende energi reflekteres i form af en elektrisk bølge, der kører i den modsatte retning.

Mængden af reflekteret energi påvirkes af alvoret i uoverensstemmelsen mellem kilde og belastningsimpedans. De to worst-case-scenarier er et åbent kredsløb og en kortslutning, der svarer til henholdsvis uendelig belastningsimpedans og nulbelastningsimpedans. Disse to sager repræsenterer en fuldstændig diskontinuitet; ingen energi kan optages, og derfor reflekteres al energi.

Betydningen af at matche
Hvis du endda har været involveret i RF-design eller -testning, ved du, at impedans matching er et almindeligt diskussionsemne. Vi forstår nu, at impedanser skal tilpasses for at forhindre refleksioner, men hvorfor så meget bekymring over reflektioner?

Det første problem er simpelthen effektivitet. Hvis vi har en effektforstærker tilsluttet en antenne, ønsker vi ikke, at halvdelen af udgangseffekten skal reflekteres tilbage til forstærkeren. Hele pointen er at generere elektrisk energi, der kan konverteres til elektromagnetisk stråling. Generelt vil vi flytte strøm fra kilde til last, og det betyder, at reflekser skal minimeres.

Det andet nummer er lidt mere subtilt. Et kontinuerligt signal, der overføres gennem en transmissionslinie til en uoverensstemmende belastningsimpedans, resulterer i et kontinuerligt reflekteret signal. Disse begivenheder og reflekterede bølger passerer hinanden og går i modsatte retninger. Interferens resulterer i en stående bølge, dvs. et stationært bølgemønster lig med summen af hændelsen og reflekterede bølger. Denne stående bølge skaber virkelig peak-amplitude-variationer langs kablets fysiske længde; visse placeringer har højere spidsamplitude, og andre placeringer har lavere spidsamplitude.

Stående bølger resulterer i spændinger, der er højere end den originale spænding for det transmitterede signal, og i nogle tilfælde er effekten alvorlig nok til at forårsage fysisk skade på kabler eller komponenter.

Resumé
Elektriske bølger udsættes for refleksion og interferens.
Vandbølger reflekteres, når de når en fysisk hindring, såsom en stenmur. Tilsvarende forekommer elektrisk reflektion, når et vekselstrømsignal støder på en impedans-diskontinuitet.
Vi kan forhindre reflektion ved at matche belastningsimpedansen til den karakteristiske impedans på transmissionslinien. Dette tillader belastningen at absorbere bølgeenergien.
Refleksioner er problematiske, fordi de reducerer mængden af strøm, der kan overføres fra kilde til belastning.
Refleksioner fører også til stående bølger; højamplitude-dele af en stående bølge kan beskadige komponenter eller kabler.

Hvis du gerne vil bygge en radiostation, skal du booste din FM-radiosender eller have brug for andre FM-udstyr, er du velkommen til at kontakte os: [e-mail beskyttet].

forrige:Hvad er digital signalbehandling?

Næste:Fremtiden for LPTV / TV-oversættertjeneste med form?

Læg en besked

Message List

Kommentarer Loading ...