Högfrekvent kretsdesign måste stå för två viktiga men något mystiska fenomen: reflektioner och stående vågor.
Vi vet från vår exponering för andra vetenskapsgrenar att vågor är associerade med speciella typer av beteenden. Ljusvågor bryter ut när de rör sig från ett medium (som luft) till ett annat medium (som glas). Vattenvågor avviker när de möter båtar eller stora stenar. Ljudvågor stör, vilket resulterar i periodiska variationer i volym (kallas ”beats”).

Elektriska vågor utsätts också för beteenden som vi vanligtvis inte förknippar med elektriska signaler. Den allmänna bristen på kännedom om elektricitets vågkaraktär är dock inte förvånande, eftersom dessa effekter i många kretsar är försumbara eller obefintliga. Det är möjligt för en digital eller lågfrekvensanalog ingenjör att arbeta i flera år och designa många framgångsrika system utan att någonsin få en grundlig förståelse för vågeffekterna som blir framträdande i högfrekventa kretsar.

Som diskuterats på föregående sida kallas en samtrafik som är föremål för speciell högfrekvenssignalbeteende en överföringslinje. Transmissionslinjeeffekter är betydelsefulla endast när längden på samtrafikledningen är minst en fjärdedel av signalvåglängden; Därför behöver vi inte oroa oss för vågegenskaper om vi inte arbetar med höga frekvenser eller mycket långa sammankopplingar.

Reflektion
Reflektion, refraktion, diffraktion, interferens - alla dessa klassiska vågbeteenden gäller elektromagnetisk strålning. Men vid denna tidpunkt har vi fortfarande att göra med elektriska signaler, dvs signaler som ännu inte har konverterats av antennen till elektromagnetisk strålning, och därför måste vi bara ta upp oss två av dessa: reflektion och störning.

Vi ser generellt på en elektrisk signal som ett envägsfenomen; den rör sig från utgången från en komponent till ingången till en annan komponent, eller med andra ord, från en källa till en belastning. Vid RF-design måste vi dock alltid vara medvetna om att signaler kan röra sig i båda riktningarna: från källa till last, säkert, men också - på grund av reflektioner - från last till källa.

Vågen som reser längs strängen upplever reflektion när den når en fysisk barriär.

En vattenvåganalogi
Reflektioner inträffar när en våg stöter på en diskontinuitet. Föreställ dig att en storm har resulterat i att stora vattenvågor spridit sig genom en normalt lugn hamn. Dessa vågor kolliderar så småningom med en solid stenmur. Vi vet intuitivt att dessa vågor kommer att reflektera från bergsmuren och sprida sig ut i hamnen. Men vi vet också intuitivt att vattenvågor som bryter på en strand sällan kommer att resultera i betydande reflektion av energi tillbaka ut i havet. Varför skillnaden?

Vågor överför energi. När vattenvågor sprider sig genom öppet vatten rör sig denna energi helt enkelt. När vågen når en diskontinuitet avbryts dock den jämna energinörelsen; när det gäller en strand eller en stenmur är vågutbredning inte längre möjlig. Men vad händer med energin som överfördes av vågen? Det kan inte försvinna; det måste antingen absorberas eller reflekteras. Bergväggen absorberar inte vågenergin, så reflektion inträffar - energin fortsätter att föröka sig i vågform, men i motsatt riktning. Stranden tillåter dock vågenergin att spridas på ett mer gradvis och naturligt sätt. Stranden absorberar vågens energi och därmed uppstår minimal reflektion.

Från vatten till elektroner
Elektriska kretsar uppvisar också diskontinuiteter som påverkar vågutbredningen; i detta sammanhang är den kritiska parametern impedans. Föreställ dig en elektrisk våg som reser ner en transmissionslinje; detta motsvarar vattenvågen mitt i havet. Vågen och dess tillhörande energi förökas smidigt från källa till last. Men så småningom når den elektriska vågen sin destination: en antenn, en förstärkare, etc.

Vi vet från en föregående sida att maximal effektöverföring sker när lastimpedansen är lika stor som källimpedansen. (I detta sammanhang kan "källimpedans" också hänvisa till den karakteristiska impedansen för en transmissionslinje.) Med matchade impedanser finns det verkligen ingen diskontinuitet, eftersom lasten kan absorbera all vågens energi. Men om impedanserna inte matchas absorberas endast en del av energin, och den återstående energin reflekteras i form av en elektrisk våg som går i motsatt riktning.

Mängden reflekterad energi påverkas av allvarligheten i överensstämmelsen mellan källa och belastningsimpedans. De två sämsta scenarierna är en öppen krets och en kortslutning, motsvarande oändlig belastningsimpedans respektive nolllastimpedans. Dessa två fall representerar en fullständig diskontinuitet; ingen energi kan absorberas och följaktligen reflekteras all energi.

Viktigheten av att matcha
Om du till och med har varit involverad i RF-design eller testning, vet du att impedansmatchning är ett vanligt diskussionsämne. Vi förstår nu att impedanser måste matchas för att förhindra reflektioner, men varför så mycket oro över reflektioner?

Det första problemet är helt enkelt effektivitet. Om vi har en effektförstärkare ansluten till en antenn, vill vi inte att hälften av utgångseffekten reflekteras tillbaka till förstärkaren. Hela poängen är att generera elektrisk kraft som kan omvandlas till elektromagnetisk strålning. I allmänhet vill vi flytta kraft från källa till last, och det innebär att reflektioner måste minimeras.

Den andra frågan är lite mer subtil. En kontinuerlig signal som överförs via en överföringslinje till en felanpassad belastningsimpedans kommer att resultera i en kontinuerlig reflekterad signal. Dessa händelser och reflekterade vågor passerar varandra och går i motsatta riktningar. Interferens resulterar i en stående våg, dvs ett stationärt vågmönster lika med summan av händelsen och reflekterade vågor. Denna stående våg skapar verkligen topp-amplitudvariationer längs kabelns fysiska längd; vissa platser har högre toppamplitud och andra platser har lägre toppamplitud.

Stående vågor resulterar i spänningar som är högre än den ursprungliga spänningen för den överförda signalen, och i vissa fall är effekten tillräckligt allvarlig för att orsaka fysiska skador på kablar eller komponenter.

Sammanfattning
Elektriska vågor utsätts för reflektion och störningar.
Vattenvågor reflekterar när de når en fysisk hindring som en stenmur. På liknande sätt inträffar elektrisk reflektion när en växelströmssignal möter en impedans diskontinuitet.
Vi kan förhindra reflektion genom att anpassa lastimpedansen till den karakteristiska impedansen för transmissionslinjen. Detta tillåter lasten att absorbera vågenergin.
Reflektioner är problematiska eftersom de minskar mängden effekt som kan överföras från källa till last.
Reflektioner leder också till stående vågor; högamplituddelarna i en stående våg kan skada komponenter eller kablar.

Om du vill bygga en radiostation, öka din FM-radiosändare eller behöver någon annan FM-utrustning, kontakta oss gärna: [e-postskyddad].

Föregående:Vad är digital signalbehandling?

Nästa:Framtiden för LPTV / TV Translator Service tar form?

Lämna ett meddelande

meddelande~~POS=TRUNC

Kommentarer Loading ...