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Reflexionen und stehende Wellen im HF-Schaltungsdesign verstehen

Date:2019/10/15 17:58:37 Hits:


Das Design von Hochfrequenzschaltungen muss zwei wichtige, wenn auch etwas mysteriöse Phänomene berücksichtigen: Reflexionen und stehende Wellen.
Wir wissen aus unseren Kontakten mit anderen Wissenschaftszweigen, dass Wellen mit besonderen Verhaltensweisen verbunden sind. Lichtwellen werden gebrochen, wenn sie sich von einem Medium (z. B. Luft) in ein anderes Medium (z. B. Glas) bewegen. Wasserwellen werden gebeugt, wenn sie auf Boote oder große Felsen treffen. Schallwellen interferieren und führen zu periodischen Lautstärkeschwankungen (so genannten „Beats“).


Elektrische Wellen unterliegen auch einem Verhalten, das wir normalerweise nicht mit elektrischen Signalen assoziieren. Der allgemeine Mangel an Kenntnis der Wellennatur von Elektrizität ist jedoch nicht überraschend, da diese Effekte in zahlreichen Schaltkreisen vernachlässigbar oder nicht vorhanden sind. Es ist für einen Digital- oder Niederfrequenzanalogingenieur möglich, jahrelang zu arbeiten und viele erfolgreiche Systeme zu entwerfen, ohne jemals ein gründliches Verständnis der Welleneffekte zu erlangen, die in Hochfrequenzschaltungen auftreten.

Wie auf der vorherigen Seite erläutert, wird eine Verbindung, die einem besonderen Verhalten des Hochfrequenzsignals unterliegt, als Übertragungsleitung bezeichnet. Übertragungsleitungseffekte sind nur dann signifikant, wenn die Länge der Verbindung mindestens ein Viertel der Signalwellenlänge beträgt; Daher müssen wir uns keine Sorgen um die Welleneigenschaften machen, es sei denn, wir arbeiten mit hohen Frequenzen oder sehr langen Verbindungen.


Betrachtung
Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz - all diese klassischen Wellenverhalten gelten für elektromagnetische Strahlung. Wir haben es aber noch mit elektrischen Signalen zu tun, also mit Signalen, die von der Antenne noch nicht in elektromagnetische Strahlung umgewandelt wurden, und müssen uns daher nur mit zwei davon befassen: Reflexion und Interferenz.

Wir denken im Allgemeinen an ein elektrisches Signal als Einweg-Phänomen; Er wandert vom Ausgang einer Komponente zum Eingang einer anderen Komponente, dh von einer Quelle zu einer Last. Beim HF-Design müssen wir uns jedoch immer der Tatsache bewusst sein, dass Signale in beide Richtungen wandern können: von Quelle zu Last, aber auch - aufgrund von Reflexionen - von Last zu Quelle.


Die Welle, die sich entlang der Schnur bewegt, erfährt Reflexion, wenn sie eine physikalische Barriere erreicht.

Eine Wasserwellen-Analogie
Reflexionen treten auf, wenn eine Welle auf eine Diskontinuität trifft. Stellen Sie sich vor, ein Sturm hätte zu großen Wasserwellen geführt, die sich durch einen normalerweise ruhigen Hafen ausbreiten. Diese Wellen kollidieren schließlich mit einer festen Felswand. Wir wissen intuitiv, dass diese Wellen von der Felswand reflektiert werden und sich wieder in den Hafen ausbreiten. Wir wissen jedoch auch intuitiv, dass Wasserwellen, die auf einen Strand treffen, selten zu einer signifikanten Reflexion von Energie zurück in den Ozean führen. Warum der Unterschied?

Wellen übertragen Energie. Wenn sich Wasserwellen durch offenes Wasser ausbreiten, bewegt sich diese Energie einfach. Wenn die Welle jedoch eine Diskontinuität erreicht, wird die gleichmäßige Bewegung der Energie unterbrochen. Bei einem Strand oder einer Felswand ist keine Wellenausbreitung mehr möglich. Aber was passiert mit der Energie, die von der Welle übertragen wurde? Es kann nicht verschwinden; es muss entweder absorbiert oder reflektiert werden. Da die Felswand die Wellenenergie nicht absorbiert, findet eine Reflexion statt - die Energie breitet sich in Wellenform weiter aus, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Durch den Strand kann die Wellenenergie jedoch allmählich und auf natürliche Weise abgebaut werden. Der Strand absorbiert die Wellenenergie und es kommt zu einer minimalen Reflexion.


Vom Wasser zu Elektronen
Elektrische Schaltungen weisen auch Diskontinuitäten auf, die die Wellenausbreitung beeinflussen. In diesem Zusammenhang ist der kritische Parameter die Impedanz. Stellen Sie sich eine elektrische Welle vor, die eine Übertragungsleitung entlang läuft. Dies entspricht der Wasserwelle in der Mitte des Ozeans. Die Welle und die damit verbundene Energie breiten sich reibungslos von der Quelle zur Last aus. Schließlich erreicht die elektrische Welle jedoch ihr Ziel: eine Antenne, einen Verstärker usw.



Wir wissen von einer vorhergehenden Seite, dass die maximale Leistungsübertragung auftritt, wenn die Größe der Lastimpedanz gleich der Größe der Quellenimpedanz ist. (In diesem Zusammenhang kann sich „Quellenimpedanz“ auch auf die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung beziehen.) Bei angepassten Impedanzen gibt es tatsächlich keine Diskontinuität, da die Last die gesamte Energie der Welle absorbieren kann. Wenn die Impedanzen nicht übereinstimmen, wird nur ein Teil der Energie absorbiert und die verbleibende Energie wird in Form einer elektrischen Welle reflektiert, die sich in die entgegengesetzte Richtung ausbreitet.

Die Menge der reflektierten Energie wird durch den Schweregrad der Nichtübereinstimmung zwischen Quellen- und Lastimpedanz beeinflusst. Die beiden Worst-Case-Szenarien sind ein offener Stromkreis und ein Kurzschluss, die einer unendlichen Lastimpedanz bzw. einer Nulllastimpedanz entsprechen. Diese beiden Fälle stellen eine völlige Diskontinuität dar; Es kann keine Energie absorbiert werden und folglich wird die gesamte Energie reflektiert.


Die Wichtigkeit des Matchings
Wenn Sie sogar an HF-Design oder -Tests beteiligt waren, wissen Sie, dass die Impedanzanpassung ein allgemeines Diskussionsthema ist. Wir verstehen jetzt, dass Impedanzen angepasst werden müssen, um Reflexionen zu verhindern, aber warum so viel Sorge um Reflexionen?

Das erste Problem ist einfach die Effizienz. Wenn ein Leistungsverstärker an eine Antenne angeschlossen ist, soll nicht die Hälfte der Ausgangsleistung zum Verstärker zurückgeworfen werden. Der springende Punkt ist die Erzeugung elektrischer Energie, die in elektromagnetische Strahlung umgewandelt werden kann. Im Allgemeinen möchten wir den Strom von der Quelle zur Last verlagern, was bedeutet, dass Reflexionen minimiert werden müssen.

Das zweite Problem ist etwas subtiler. Ein kontinuierliches Signal, das über eine Übertragungsleitung an eine nicht angepasste Lastimpedanz übertragen wird, führt zu einem kontinuierlich reflektierten Signal. Diese einfallenden und reflektierten Wellen laufen in entgegengesetzte Richtungen. Interferenz führt zu einer stehenden Welle, dh einem stationären Wellenmuster, das der Summe der einfallenden und reflektierten Wellen entspricht. Diese stehende Welle erzeugt tatsächlich Variationen der Spitzenamplitude entlang der physikalischen Länge des Kabels. Bestimmte Stellen haben eine höhere Spitzenamplitude, und andere Stellen haben eine niedrigere Spitzenamplitude.

Stehende Wellen führen zu Spannungen, die höher sind als die ursprüngliche Spannung des übertragenen Signals, und in einigen Fällen ist der Effekt stark genug, um Kabel oder Komponenten physisch zu beschädigen.


Zusammenfassung
Elektrische Wellen sind Reflexionen und Störungen ausgesetzt.
Wasserwellen werden reflektiert, wenn sie ein physisches Hindernis wie eine Steinmauer erreichen. In ähnlicher Weise tritt elektrische Reflexion auf, wenn ein Wechselstromsignal auf eine Impedanzdiskontinuität trifft.
Wir können Reflexionen verhindern, indem wir die Lastimpedanz an die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung anpassen. Dadurch kann die Last die Wellenenergie absorbieren.
Reflexionen sind problematisch, weil sie die Leistung verringern, die von der Quelle zur Last übertragen werden kann.
Reflexionen führen auch zu stehenden Wellen; Die Teile einer stehenden Welle mit hoher Amplitude können Komponenten oder Kabel beschädigen.


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