Comprensione delle riflessioni e delle onde stazionarie nella progettazione di circuiti RF

Segnali RF reali
La progettazione di circuiti ad alta frequenza deve tenere conto di due fenomeni importanti ma alquanto misteriosi: i riflessi e le onde stazionarie.

Sappiamo dalla nostra esposizione ad altri rami della scienza che le onde sono associate a tipi speciali di comportamento. Le onde luminose si rifrangono quando si spostano da un mezzo (come l'aria) a un mezzo diverso (come il vetro). 

Le onde d'acqua si diffondono quando incontrano barche o grandi rocce. Le onde sonore interferiscono, determinando variazioni periodiche del volume (chiamate "battiti").

Le onde elettriche sono anche soggette a comportamenti che di solito non associamo ai segnali elettrici. La generale mancanza di familiarità con la natura ondulatoria dell'elettricità non è sorprendente, poiché in numerosi circuiti questi effetti sono trascurabili o inesistenti. 

È possibile per un ingegnere digitale o analogico a bassa frequenza lavorare per anni e progettare molti sistemi di successo senza mai acquisire una conoscenza approfondita degli effetti delle onde che diventano importanti nei circuiti ad alta frequenza.

Come discusso nella pagina precedente, un'interconnessione soggetta a un comportamento speciale del segnale ad alta frequenza è chiamata linea di trasmissione. Gli effetti della linea di trasmissione sono significativi solo quando la lunghezza dell'interconnessione è almeno un quarto della lunghezza d'onda del segnale; quindi, non dobbiamo preoccuparci delle proprietà dell'onda a meno che non stiamo lavorando con alte frequenze o interconnessioni molto lunghe.

Riflessione
Riflessione, rifrazione, diffrazione, interferenza: tutti questi comportamenti ondulatori classici si applicano alle radiazioni elettromagnetiche. 

Ma a questo punto abbiamo ancora a che fare con segnali elettrici, cioè segnali che non sono stati ancora convertiti dall'antenna in radiazione elettromagnetica, e di conseguenza dobbiamo preoccuparci solo di due di questi: la riflessione e l'interferenza.

Generalmente pensiamo a un segnale elettrico come un fenomeno a senso unico; viaggia dall'output di un componente all'input di un altro componente, o in altre parole, da una sorgente a un carico. Nella progettazione RF, tuttavia, dobbiamo sempre essere consapevoli del fatto che i segnali possono viaggiare in entrambe le direzioni: dalla sorgente al carico, certamente, ma anche, a causa dei riflessi, dal carico alla sorgente.

L'onda che viaggia lungo la corda è vissutaces riflessione quando raggiunge una barriera fisica.

Un'analogia con le onde d'acqua
Le riflessioni si verificano quando un'onda incontra una discontinuità. Immagina che una tempesta abbia provocato la propagazione di grandi onde d'acqua attraverso un porto normalmente calmo. Queste onde alla fine si scontrano con una solida parete di roccia. Sappiamo intuitivamente che queste onde si riflettono sulla parete rocciosa e si propagano nel porto. Tuttavia, sappiamo anche intuitivamente che le onde d'acqua che si infrangono su una spiaggia raramente si traducono in un significativo riflesso di energia nell'oceano. Perché la differenza

Le onde trasferiscono energia. Quando le onde d'acqua si stanno propagando attraverso l'acqua aperta, questa energia si sta semplicemente muovendo. Quando l'onda raggiunge una discontinuità, tuttavia, il movimento regolare dell'energia viene interrotto; nel caso di una spiaggia o di una parete rocciosa, la propagazione delle onde non è più possibile. 

Ma cosa succede all'energia che veniva trasferita dall'onda? Non può scomparire; deve essere assorbito o riflesso. La parete rocciosa non assorbe l'energia delle onde, quindi si verifica la riflessione: l'energia continua a propagarsi in forma d'onda, ma nella direzione opposta. La spiaggia, tuttavia, consente all'energia delle onde di dissiparsi in modo più graduale e naturale. La spiaggia assorbe l'energia dell'onda e quindi si verifica una riflessione minima.

Dall'acqua agli elettroni
I circuiti elettrici presentano anche discontinuità che influenzano la propagazione delle onde; in questo contesto, il parametro critico è l'impedenza. Immagina un'onda elettrica che viaggia lungo una linea di trasmissione; questo equivale all'onda d'acqua nel mezzo dell'oceano. 

L'onda e l'energia associata si stanno propagando senza problemi dalla sorgente al carico. Alla fine, però, l'onda elettrica raggiunge la sua destinazione: un'antenna, un amplificatore, ecc.

Sappiamo da una pagina precedente che il massimo trasferimento di potenza si verifica quando la grandezza dell'impedenza di carico è uguale alla grandezza dell'impedenza della sorgente. (In questo contesto "impedenza della sorgente" può anche riferirsi all'impedenza caratteristica di una linea di trasmissione.) 

Con impedenze abbinate, non c'è davvero discontinuità, perché il carico può assorbire tutta l'energia dell'onda. Ma se le impedenze non vengono adattate, solo una parte dell'energia viene assorbita e l'energia rimanente viene riflessa sotto forma di un'onda elettrica che viaggia nella direzione opposta.

La quantità di energia riflessa è influenzata dalla gravità della discrepanza tra sorgente e impedenza di carico. I due scenari peggiori sono un circuito aperto e un cortocircuito, corrispondenti rispettivamente a impedenza di carico infinita e impedenza di carico zero. 

Questi due casi rappresentano una discontinuità completa; nessuna energia può essere assorbita e di conseguenza tutta l'energia viene riflessa.

L'importanza della corrispondenza
Se sei stato anche coinvolto nella progettazione o nei test RF, sai che la corrispondenza dell'impedenza è un argomento di discussione comune. Ora capiamo che le impedenze devono essere abbinate per prevenire le riflessioni, ma perché così tanta preoccupazione per le riflessioni?

Il primo problema è semplicemente l'efficienza. Se abbiamo un amplificatore di potenza collegato a un'antenna, non vogliamo che metà della potenza di uscita venga riflessa sull'amplificatore. 

Il punto è generare energia elettrica che può essere convertita in radiazione elettromagnetica. In generale, vogliamo spostare l'energia dalla sorgente al carico e questo significa che i riflessi devono essere ridotti al minimo.

Il secondo problema è un po 'più sottile. Un segnale continuo trasferito attraverso una linea di trasmissione a un'impedenza di carico non corrispondente provocherà un segnale riflesso continuo. Queste onde incidenti e riflesse si incrociano, andando in direzioni opposte. L'interferenza provoca un'onda stazionaria, cioè uno schema d'onda stazionario pari alla somma dell'incidente e delle onde riflesse. 

Questa onda stazionaria crea davvero variazioni di ampiezza di picco lungo la lunghezza fisica del cavo; alcune posizioni hanno un'ampiezza del picco più elevata e altre posizioni hanno un'ampiezza del picco più bassa.

Le onde stazionarie comportano tensioni superiori alla tensione originale del segnale trasmesso e in alcuni casi l'effetto è abbastanza grave da causare danni fisici a cavi o componenti.

Sommario

* Le onde elettriche sono soggette a riflessione e interferenza.

* Le onde d'acqua si riflettono quando raggiungono un ostacolo fisico come un muro di pietra. Allo stesso modo, la riflessione elettrica si verifica quando un segnale CA incontra una discontinuità di impedenza.

* È possibile prevenire la riflessione abbinando l'impedenza di carico all'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Ciò consente al carico di assorbire l'energia delle onde.

* I riflessi sono problematici perché riducono la quantità di energia che può essere trasferita dalla sorgente al carico.

* I riflessi portano anche a onde stazionarie; le porzioni ad alta ampiezza di un'onda stazionaria possono danneggiare componenti o cavi.

Lasciate un messaggio 

Elenco dei messaggi