הבנת השתקפויות וגלי עומדים בתכנון מעגלי RF

אותות RF אמיתיים
תכנון מעגלים בתדרים גבוהים חייב להסביר שתי תופעות חשובות אם כי מסתוריות במקצת: השתקפויות וגלים עומדים.

אנו יודעים מחשיפתנו לענפי מדע אחרים כי גלים קשורים לסוגים מיוחדים של התנהגות. גלי אור מתפרקים כאשר הם עוברים ממדיום אחד (כמו אוויר) למדיום אחר (כמו זכוכית). 

גלי מים משתקעים כאשר הם נתקלים בסירות או בסלעים גדולים. גלי הקול מתערבים, וכתוצאה מכך וריאציות תקופתיות בנפח (המכונה "פעימות").

גלים חשמליים נתונים גם להתנהגות שאנחנו בדרך כלל לא מקשרים לאותות חשמליים. אי ההיכרות הכללית עם אופי הגל החשמלי אינו מפתיע, מכיוון שבמעגלים רבים השפעות אלה הן זניחות או אינן קיימות. 

זה אפשרי עבור מהנדס דיגיטלי או בעל תדר נמוך-אנלוגי לעבוד במשך שנים ולתכנן מערכות רבות ומוצלחות מבלי שישיג אי פעם הבנה מעמיקה של השפעות הגל המופיעות בולטות במעגלים בתדרים גבוהים.

כפי שנדון בעמוד הקודם, חיבור בין נתונים הנתון להתנהגות אות מיוחדת בתדר גבוה נקרא קו העברת. השפעות קו ההולכה משמעותיות רק כאשר אורך החיבור בין הקשרים הוא לפחות רבע מאורך הגל של האות; לפיכך, אנו לא צריכים לדאוג לתכונות הגל אלא אם כן אנו עובדים עם תדרים גבוהים או חיבורים ארוכים מאוד.

השתקפות
השתקפות, שבירה, עקיפה, הפרעה - כל ההתנהגויות הגל הקלאסיות הללו חלות על קרינה אלקטרומגנטית. 

אך בשלב זה אנו עדיין מתמודדים עם אותות חשמליים, כלומר, אותות שטרם הוסבו על ידי האנטנה לקרינה אלקטרומגנטית, וכתוצאה מכך עלינו לדאוג לעצמנו רק לשניים מאלה: השתקפות והפרעות.

בדרך כלל אנו חושבים על אות חשמלי כתופעה חד כיוונית; זה עובר מפלט של רכיב אחד לכניסה של רכיב אחר, או במילים אחרות, ממקור לעומס. עם זאת, בעיצוב RF אנו חייבים להיות מודעים לעובדה שאותות יכולים לנוע לשני הכיוונים: ממקור לעומס, בוודאי, אך גם - בגלל השתקפויות - מעומס למקור.

הגל הנוסע לאורך המיתר חווהcהשתקפות כאשר היא מגיעה למחסום פיזי.

אנלוגיה של גל מים
הרהורים מתרחשים כאשר גל נתקל ברציפות. תאר לעצמך שסופה גרמה לגלי מים גדולים להתפשט דרך נמל רגוע. הגלים הללו מתנגשים בסופו של דבר עם קיר סלע איתן. אנו יודעים באופן אינטואיטיבי כי הגלים הללו ישקפו את קיר הסלע ויתפשטו חזרה אל הנמל. עם זאת, אנו גם יודעים באופן אינטואיטיבי כי גלי מים הנפרצים על חוף יגרמו לעיתים רחוקות השתקפות משמעותית של אנרגיה החוצה אל האוקיאנוס. מדוע ההבדל?

גלים מעבירים אנרגיה. כאשר גלי מים מתפשטים דרך מים פתוחים, אנרגיה זו פשוט נעה. אולם כאשר הגל מגיע לרציפות, תנועת האנרגיה החלקה מופרעת; במקרה של חוף או חומה, הרי שכבר לא ניתן להפיץ גל. 

אבל מה קורה לאנרגיה שהועברה על ידי הגל? זה לא יכול להיעלם; זה חייב להיות שקוע או משתקף. קיר הסלע אינו סופג את אנרגיית הגלים, ולכן מתרחשת השתקפות - האנרגיה ממשיכה להתפשט בצורה של גל, אלא בכיוון ההפוך. החוף, לעומת זאת, מאפשר לאנרגיית הגל להתפוגג בצורה הדרגתית וטבעית יותר. החוף סופג את אנרגיית הגל, וכך מתרחשת השתקפות מינימלית.

ממים לחשמל
במעגלים חשמליים מופיעים גם הפסקות המשפיעות על התפשטות הגלים; בהקשר זה, הפרמטר הקריטי הוא עכבה. דמיין גל חשמלי הנוסע לאורך קו הולכה; זה שווה לגל המים באמצע האוקיאנוס. 

הגל והאנרגיה הקשורה אליו מתפשטים בצורה חלקה ממקור לעומס. אולם בסופו של דבר הגל החשמלי מגיע ליעדו: אנטנה, מגבר וכו '.

אנו יודעים מדף קודם שהעברת כוח מרבית מתרחשת כאשר עוצמת עכבת העומס שווה לגודל עכבת המקור. (בהקשר זה "עכבת מקור" יכולה להתייחס גם ל עכבה האופיינית של קו הולכה.) 

עם עכבות תואמות, אין באמת רציפות, מכיוון שהעומס יכול לקלוט את כל האנרגיה של הגל. אך אם אין התאמה בין עכבות, רק חלק מהאנרגיה נקלטת, והאנרגיה שנותרה באה לידי ביטוי בצורה של גל חשמלי הנוסע בכיוון ההפוך.

כמות האנרגיה המשתקפת מושפעת מהרצינות של חוסר ההתאמה בין עכבת המקור לעומס. שני התרחישים הגרועים ביותר הם מעגל פתוח ומעגל קצר, התואמים עכבת עומס אינסופית ועכבת עומס אפס בהתאמה. 

שני המקרים הללו מייצגים אי-רציפות מוחלטת; שום אנרגיה לא יכולה להיספג, וכתוצאה מכך כל האנרגיה משתקפת.

חשיבות ההתאמה
אם בכלל היית מעורב בתכנון או בדיקות RF, אתה יודע שהתאמת עכבות היא נושא דיון נפוץ. אנו מבינים כעת שיש להתאים עכבות למניעת השתקפויות, אך מדוע דאגה כה רבה מהשתקפויות?

הבעיה הראשונה היא פשוט יעילות. אם יש לנו מגבר כוח המחובר לאנטנה, אנחנו לא רוצים שמחצית מכוח היציאה ישתקף חזרה למגבר. 

כל העניין הוא לייצר כוח חשמלי שניתן להמיר לקרינה אלקטרומגנטית. באופן כללי, אנו רוצים להעביר כוח ממקור לעומס, וזה אומר שצריך למזער את ההשתקפויות.

הגיליון השני מעט עדין יותר. אות רציף המועבר דרך קו הולכה לעכבת עומס לא תואמת יביא לאות המשתקף ברציפות. התקריות והגלים המשתקפים האלה עוברים זה את זה, הולכים לכיוונים מנוגדים. הפרעות מביאות לגל עומד, כלומר, תבנית גל נייחת השווה לסכום האירוע והגלים המשתקפים. 

גל עומדים זה באמת יוצר וריאציות של שיא משרעת לאורך האורך הפיזי של הכבל; למיקומים מסוימים יש משרעת שיא גבוהה יותר, ובמיקומים אחרים יש משרעת שיא נמוכה יותר.

גלים עומדים גורמים למתח גבוה מהמתח המקורי של האות המועבר, ובמקרים מסוימים ההשפעה קשה מספיק בכדי לגרום לנזק פיזי לכבלים או לרכיבים.

<br> סיכום

* גלי חשמל נתונים לשיקוף והפרעה.

* גלי מים משתקפים כאשר הם מגיעים לחסימה פיזית כמו קיר אבן. באופן דומה, השתקפות חשמלית מתרחשת כאשר אות AC נתקל ברצף עכבה.

* אנו יכולים למנוע השתקפות על ידי התאמת עכבת העומס ל עכבה האופיינית של קו ההולכה. זה מאפשר לעומס לקלוט את אנרגיית הגל.

* הרהורים הם בעייתיים מכיוון שהם מצמצמים את כמות הכוח שניתן להעביר ממקור לעומס.

* הרהורים מביאים גם לגלי עמידה; חלקי האמפליטודה הגבוהים של גל עומדים יכולים לפגוע ברכיבים או בכבלים.

השאר הודעה 

רשימת הודעות