RF Devre Tasarımında Yansımaları ve Daimi Dalgaları Anlamak

Gerçek Hayat RF Sinyalleri
Yüksek frekanslı devre tasarımı, biraz gizemli olaylardan ötürü iki önemli husus oluşturmalıdır: yansımalar ve durgun dalgalar.

Bilimin diğer bilim dallarına maruz kaldığımızdan, dalgaların özel davranış türleriyle ilişkili olduğunu biliyoruz. Işık dalgaları bir ortamdan (hava gibi) farklı bir ortama (cam gibi) geçtiğinde kırılır. 

Su dalgaları teknelerle veya büyük kayalarla karşılaştıklarında kırılır. Ses dalgaları parazitlenerek hacimde periyodik değişikliklere neden olur (“vuruşlar” olarak adlandırılır).

Elektrik dalgaları da genellikle elektrik sinyalleriyle ilişkilendirmediğimiz davranışlara tabidir. Bununla birlikte, elektriğin dalga doğasına genel bir aşinalık eksikliği şaşırtıcı değildir, çünkü çok sayıda devrede bu etkiler ihmal edilebilir veya mevcut değildir. 

Dijital veya düşük frekanslı bir analog mühendisin yıllarca çalışması ve yüksek frekanslı devrelerde belirgin hale gelen dalga etkilerini tam olarak anlamadan birçok başarılı sistem tasarlaması mümkündür.

Önceki sayfada tartışıldığı gibi, özel yüksek frekanslı sinyal davranışına maruz kalan bir ara bağlantıya iletim hattı denir. İletim hattı etkileri sadece ara bağlantı uzunluğu sinyal dalga boyunun en az dörtte biri olduğunda önemlidir; bu nedenle, yüksek frekanslarla veya çok uzun ara bağlantılarla çalışmadıkça, dalga özellikleri konusunda endişelenmemize gerek yoktur.

yansıma
Yansıma, kırılma, kırınım, girişim - tüm bu klasik dalga davranışları elektromanyetik radyasyon için geçerlidir. 

Ancak bu noktada hala elektrik sinyalleri, yani anten tarafından henüz elektromanyetik radyasyona dönüştürülmemiş sinyaller ile uğraşıyoruz ve sonuç olarak kendimizden sadece bunlardan ikisiyle ilgilenmemiz gerekiyor: yansıma ve girişim.

Elektriksel bir sinyali genellikle tek yönlü bir fenomen olarak düşünürüz; bir bileşenin çıktısından başka bir bileşenin girişine, başka bir deyişle bir kaynaktan bir yüke doğru ilerler. Bununla birlikte, RF tasarımında, sinyallerin her iki yönde de hareket edebilebileceğinin her zaman farkında olmalıyız: kaynaktan kaynaktan yüke, kesinlikle, ama aynı zamanda - yansımalar nedeniyle - yükten kaynağa.

Deneyim boyunca uzanan dalgaces, fiziksel bir engele ulaştığında yansır.

Su Dalgası Analojisi
Bir dalga süreksizlikle karşılaştığında yansımalar meydana gelir. Bir fırtınanın normalde sakin bir limana yayılan büyük su dalgaları ile sonuçlandığını hayal edin. Bu dalgalar sonunda sağlam bir taş duvarla çarpışır. Bu dalgaların taş duvardan yansıtacağını ve limana doğru yayılacağını sezgisel olarak biliyoruz. Bununla birlikte, sahile düşen su dalgalarının nadiren enerjinin okyanusa geri yansımasına yol açacağını sezgisel olarak biliyoruz. Neden fark?

Dalgalar enerji aktarır. Su dalgaları açık suda yayılırken, bu enerji basitçe hareket eder. Dalga bir süreksizliğe ulaştığında, enerjinin düzgün hareketi kesintiye uğrar; bir plaj veya bir kaya duvarı durumunda, dalga yayılımı artık mümkün değildir. 

Peki dalga tarafından aktarılan enerjiye ne olur? Yok olamaz; emilmesi veya yansıtılması gerekir. Kaya duvarı dalga enerjisini emmez, bu yüzden yansıma meydana gelir - enerji dalga formunda, ancak ters yönde yayılmaya devam eder. Ancak plaj, dalga enerjisinin daha kademeli ve doğal bir şekilde dağılmasına izin verir. Plaj dalganın enerjisini emer ve böylece minimum yansıma meydana gelir.

Sudan Elektronlara
Elektrik devreleri aynı zamanda dalga yayılımını etkileyen süreksizlikler de gösterir; bu bağlamda kritik parametre empedanstır. Bir iletim hattından geçen bir elektrik dalgası düşünün; bu okyanusun ortasındaki su dalgasına eşdeğerdir. 

Dalga ve ilişkili enerjisi kaynaktan yüke sorunsuz bir şekilde yayılır. Sonunda, elektrik dalgası hedefine ulaşır: bir anten, bir amplifikatör, vb.

Önceki bir sayfadan, yük empedansının büyüklüğü kaynak empedansının büyüklüğüne eşit olduğunda maksimum güç aktarımının gerçekleştiğini biliyoruz. (Bu bağlamda “kaynak empedansı”, bir iletim hattının karakteristik empedansına da atıfta bulunabilir.) 

Eşleşen empedanslarda, gerçekten süreksizlik yoktur, çünkü yük dalganın tüm enerjisini emebilir. Ancak empedanslar eşleşmezse, enerjinin sadece bir kısmı emilir ve kalan enerji, ters yönde ilerleyen bir elektrik dalgası şeklinde yansıtılır.

Yansıtılan enerji miktarı, kaynak ve yük empedansı arasındaki uyumsuzluğun ciddiyetinden etkilenir. En kötü iki senaryo, sırasıyla sonsuz yük empedansı ve sıfır yük empedansına karşılık gelen bir açık devre ve bir kısa devredir. 

Bu iki vaka tam bir süreksizliği temsil eder; hiçbir enerji emilemez ve sonuç olarak tüm enerji yansıtılır.

Eşleşmenin Önemi
RF tasarımına veya testine dahil olduysanız, empedans eşleşmesinin ortak bir tartışma konusu olduğunu biliyorsunuz. Şimdi, yansımaları önlemek için empedansların eşleştirilmesi gerektiğini anlıyoruz, ancak neden yansımalar konusunda bu kadar endişeleniyorsunuz?

İlk sorun verimliliktir. Bir antene bağlı bir güç amplifikatörümüz varsa, çıkış gücünün yarısının amplifikatöre geri yansıtılmasını istemiyoruz. 

Bütün mesele elektromanyetik radyasyona dönüştürülebilen elektrik gücü üretmektir. Genel olarak, gücü kaynaktan yüke taşımak istiyoruz ve bu da yansımaların en aza indirilmesi gerektiği anlamına geliyor.

İkinci konu biraz daha incedir. Bir iletim hattından eşleşmeyen yük empedansına aktarılan sürekli bir sinyal, sürekli olarak yansıyan bir sinyale yol açacaktır. Bu olay ve yansıyan dalgalar birbirini geçerek zıt yönlerde ilerler. Parazit, duran bir dalga ile, yani olayın ve yansıyan dalgaların toplamına eşit olan sabit bir dalga paterniyle sonuçlanır. 

Bu sabit dalga gerçekten kablonun fiziksel uzunluğu boyunca tepe-genlik varyasyonları yaratır; bazı konumlar daha yüksek tepe genliğine ve diğer konumlar daha düşük tepe genliğine sahiptir.

Sabit dalgalar, iletilen sinyalin orijinal voltajından daha yüksek voltajlara neden olur ve bazı durumlarda etki kablolarda veya bileşenlerde fiziksel hasara neden olacak kadar şiddetlidir.

Özet

* Elektrik dalgaları yansıma ve parazite maruz kalır.

* Su dalgaları taş duvar gibi fiziksel bir engele ulaştıklarında yansır. Benzer şekilde, bir AC sinyali bir empedans süreksizliği ile karşılaştığında elektriksel yansıma meydana gelir.

* Yük empedansını iletim hattının karakteristik empedansıyla eşleştirerek yansımayı önleyebiliriz. Bu yükün dalga enerjisini emmesini sağlar.

* Yansımalar sorunludur çünkü kaynaktan yüke aktarılabilecek güç miktarını azaltırlar.

* Yansımalar da duran dalgalara yol açar; duran dalganın yüksek genlikli kısımları bileşenlere veya kablolara zarar verebilir.

Mesaj bırakın 

İleti listesi