การทำความเข้าใจกับการสะท้อนและคลื่นยืนในการออกแบบวงจร RF

สัญญาณ RF แบบ Real-Life
การออกแบบวงจรความถี่สูงจะต้องคำนึงถึงสองปรากฏการณ์ที่สำคัญ แต่ค่อนข้างลึกลับ: ภาพสะท้อนและคลื่นนิ่ง

เรารู้จากการสัมผัสกับวิทยาศาสตร์สาขาอื่น ๆ ที่คลื่นมีความสัมพันธ์กับพฤติกรรมประเภทพิเศษ คลื่นแสงหักเหเมื่อพวกมันเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่ง (เช่นอากาศ) ไปยังตัวกลางอื่น (เช่นแก้ว) 

คลื่นน้ำกระจายตัวเมื่อพบเรือหรือก้อนหินขนาดใหญ่ คลื่นเสียงรบกวนส่งผลให้เกิดความแปรปรวนเป็นระยะ ๆ ในระดับเสียง (เรียกว่า "จังหวะ")

คลื่นไฟฟ้ายังขึ้นอยู่กับพฤติกรรมที่เรามักจะไม่เชื่อมโยงกับสัญญาณไฟฟ้า การขาดความคุ้นเคยโดยทั่วไปกับลักษณะคลื่นของไฟฟ้าไม่น่าแปลกใจ แต่เนื่องจากในหลาย ๆ วงจรผลกระทบเหล่านี้มีความสำคัญหรือไม่มีอยู่ 

เป็นไปได้สำหรับวิศวกรดิจิตอลหรืออะนาล็อกความถี่ต่ำที่จะทำงานเป็นเวลาหลายปีและออกแบบระบบที่ประสบความสำเร็จจำนวนมากโดยไม่ต้องมีความเข้าใจอย่างละเอียดเกี่ยวกับผลกระทบของคลื่นที่มีความโดดเด่นในวงจรความถี่สูง

ตามที่กล่าวไว้ในหน้าก่อนหน้านี้การเชื่อมต่อระหว่างกันที่อยู่ภายใต้การทำงานของสัญญาณความถี่สูงพิเศษเรียกว่าสายส่ง เอฟเฟกต์สายส่งมีความสำคัญต่อเมื่อความยาวของการเชื่อมต่อระหว่างกันนั้นอย่างน้อยหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นของสัญญาณ ดังนั้นเราไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับคุณสมบัติของคลื่นเว้นแต่ว่าเรากำลังทำงานด้วยความถี่สูงหรือการเชื่อมต่อระหว่างกันนานมาก

การสะท้อน
การสะท้อนการหักเหการเลี้ยวเบนการแทรกสอด - พฤติกรรมคลื่นคลาสสิกเหล่านี้ทั้งหมดนำไปใช้กับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า 

แต่ ณ จุดนี้เรายังคงเกี่ยวข้องกับสัญญาณไฟฟ้าเช่นสัญญาณที่ยังไม่ได้รับการแปลงโดยเสาอากาศเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและดังนั้นเราจึงต้องกังวลกับสองสิ่งนี้: การสะท้อนและการรบกวน

โดยทั่วไปเราคิดว่าสัญญาณไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์ทางเดียว มันเดินทางจากเอาต์พุตของส่วนประกอบหนึ่งไปยังอินพุตของส่วนประกอบอื่นหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งจากแหล่งที่มาถึงโหลด อย่างไรก็ตามในการออกแบบ RF เราต้องตระหนักถึงความจริงที่ว่าสัญญาณสามารถเดินทางได้ทั้งสองทิศทาง: จากต้นทางไปยังโหลดแน่นอน แต่ยัง - เพราะการสะท้อนกลับ - จากโหลดไปยังต้นทาง

คลื่นเดินทางไปตามสายประสบการณ์cการสะท้อนกลับเมื่อถึงสิ่งกีดขวางทางกายภาพ

การเปรียบเทียบคลื่นน้ำ
การสะท้อนเกิดขึ้นเมื่อคลื่นพบความไม่ต่อเนื่อง ลองจินตนาการว่าพายุทำให้เกิดคลื่นน้ำขนาดใหญ่ที่ไหลผ่านอ่าวที่สงบ ในที่สุดคลื่นเหล่านี้ก็ชนกับกำแพงหินแข็ง เรารู้โดยสัญชาตญาณว่าคลื่นเหล่านี้จะสะท้อนออกมาจากกำแพงหินและแพร่กระจายออกไปสู่ท่าเรือ อย่างไรก็ตามเรารู้โดยสัญชาตญาณว่าคลื่นน้ำที่พัดเข้าหาชายหาดจะไม่ค่อยส่งผลให้พลังงานสะท้อนกลับสู่มหาสมุทรอย่างมีนัยสำคัญ ทำไมถึงแตกต่าง

คลื่นถ่ายโอนพลังงาน เมื่อคลื่นของน้ำไหลผ่านน้ำเปิดพลังงานนี้ก็เคลื่อนที่ เมื่อคลื่นถึงความไม่ต่อเนื่องการเคลื่อนที่ของพลังงานที่ราบรื่นจะถูกขัดจังหวะ ในกรณีของชายหาดหรือกำแพงหินการแพร่คลื่นเป็นไปไม่ได้อีกต่อไป 

แต่เกิดอะไรขึ้นกับพลังงานที่ถูกถ่ายโอนโดยคลื่น มันไม่สามารถหายไปได้ มันจะต้องถูกดูดซับหรือสะท้อน กำแพงหินไม่ดูดซับพลังงานคลื่นดังนั้นการสะท้อนจึงเกิดขึ้น - พลังงานยังคงแพร่กระจายในรูปคลื่น แต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม อย่างไรก็ตามชายหาดช่วยให้พลังงานคลื่นกระจายไปอย่างค่อยเป็นค่อยไปและเป็นธรรมชาติยิ่งขึ้น ชายหาดดูดซับพลังงานคลื่นและทำให้เกิดการสะท้อนน้อยที่สุด

จากน้ำถึงอิเล็กตรอน
วงจรไฟฟ้ายังมีความไม่ต่อเนื่องที่ส่งผลต่อการแพร่กระจายคลื่น ในบริบทนี้พารามิเตอร์ที่สำคัญคืออิมพีแดนซ์ ลองจินตนาการถึงคลื่นไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านสายส่ง นี่เทียบเท่ากับคลื่นน้ำที่อยู่กลางมหาสมุทร 

คลื่นและพลังงานที่เกี่ยวข้องนั้นแพร่กระจายอย่างราบรื่นจากแหล่งที่มาถึงโหลด แม้ว่าในที่สุดคลื่นไฟฟ้าจะไปถึงปลายทาง: เสาอากาศเครื่องขยายเสียง ฯลฯ

เรารู้จากหน้าก่อนหน้าว่าการถ่ายโอนพลังงานสูงสุดเกิดขึ้นเมื่อขนาดของอิมพิแดนซ์โหลดเท่ากับขนาดของอิมพิแดนซ์ของแหล่งที่มา (ในบริบทนี้ "ความต้านทานแหล่งที่มา" ยังสามารถอ้างถึงความต้านทานลักษณะของสายส่ง) 

ด้วยอิมพีแดนซ์ที่ตรงกันจะไม่มีการหยุดชะงักเนื่องจากโหลดสามารถรับพลังงานทั้งหมดของคลื่นได้ แต่ถ้าอิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันจะมีเพียงพลังงานบางส่วนเท่านั้นที่ถูกดูดซับและพลังงานที่เหลือจะถูกสะท้อนออกมาในรูปของคลื่นไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม

ปริมาณของพลังงานที่สะท้อนได้รับอิทธิพลจากความร้ายแรงของความไม่ตรงกันระหว่างแหล่งที่มาและความต้านทานโหลด สถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดสองกรณีคือวงจรเปิดและไฟฟ้าลัดวงจรสอดคล้องกับความต้านทานโหลดอนันต์และความต้านทานโหลดเป็นศูนย์ตามลำดับ 

ทั้งสองกรณีนี้แสดงถึงความไม่ต่อเนื่องโดยสมบูรณ์ ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้และดังนั้นพลังงานทั้งหมดจึงถูกสะท้อนออกมา

ความสำคัญของการจับคู่
หากคุณมีส่วนร่วมในการออกแบบหรือการทดสอบ RF คุณจะรู้ว่าการจับคู่ความต้านทานเป็นหัวข้อสนทนาทั่วไป ตอนนี้เราเข้าใจว่าต้องมีการจับคู่ความต้านทานเพื่อป้องกันการสะท้อนกลับ แต่ทำไมความกังวลอย่างมากเกี่ยวกับการสะท้อนกลับ

ปัญหาแรกคือประสิทธิภาพอย่างง่าย หากเรามีเครื่องขยายเสียงกำลังเชื่อมต่อกับเสาอากาศเราไม่ต้องการให้กำลังขับครึ่งหนึ่งกลับมาสะท้อนกลับไปยังเครื่องขยายเสียง 

จุดทั้งหมดคือการสร้างพลังงานไฟฟ้าที่สามารถแปลงเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า โดยทั่วไปเราต้องการย้ายพลังงานจากแหล่งที่มาไปโหลดและนี่หมายความว่าจะต้องลดการสะท้อนแสง

ปัญหาที่สองค่อนข้างละเอียดกว่านี้เล็กน้อย สัญญาณต่อเนื่องที่ถ่ายโอนผ่านสายส่งไปยังโหลดความต้านทานไม่ตรงกันจะส่งผลให้สัญญาณสะท้อนอย่างต่อเนื่อง เหตุการณ์เหล่านี้และคลื่นที่สะท้อนผ่านกันและกันไปในทิศทางตรงกันข้าม การแทรกสอดทำให้เกิดคลื่นนิ่งเช่นรูปแบบคลื่นนิ่งที่เท่ากับผลรวมของเหตุการณ์และคลื่นสะท้อน 

คลื่นนิ่งนี้ทำให้เกิดความแปรปรวนของแอมพลิจูดของพีคตามความยาวของสายเคเบิล บางตำแหน่งมีแอมพลิจูดพีคสูงกว่าและตำแหน่งอื่นมีแอมพลิจูดพีคต่ำ

คลื่นนิ่งส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าดั้งเดิมของสัญญาณที่ส่งและในบางกรณีผลกระทบรุนแรงพอที่จะทำให้เกิดความเสียหายทางกายภาพกับสายเคเบิลหรือส่วนประกอบ

สรุป

* คลื่นไฟฟ้าอาจมีการสะท้อนและการรบกวน

* คลื่นน้ำสะท้อนเมื่อพวกเขาไปถึงสิ่งกีดขวางทางกายภาพเช่นกำแพงหิน ในทำนองเดียวกันการสะท้อนไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อสัญญาณ AC พบความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์

* เราสามารถป้องกันการสะท้อนโดยการจับคู่อิมพิแดนซ์โหลดกับอิมพิแดนซ์ลักษณะของสายส่ง สิ่งนี้ทำให้โหลดสามารถดูดซับพลังงานคลื่น

* การสะท้อนกลับเป็นปัญหาเนื่องจากลดปริมาณพลังงานที่สามารถถ่ายโอนจากแหล่งจ่ายเพื่อโหลด

* การสะท้อนยังนำไปสู่คลื่นนิ่ง ส่วนที่มีแอมพลิจูดสูงของคลื่นนิ่งอาจทำให้ส่วนประกอบหรือสายเคเบิลเสียหายได้

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ