Reflexionen und stehende Wellen im HF-Schaltungsdesign verstehen

Echte HF-Signale
Das Design von Hochfrequenzschaltungen muss zwei wichtige, wenn auch etwas mysteriöse Phänomene berücksichtigen: Reflexionen und stehende Wellen.

Wir wissen aus unserer Begegnung mit anderen Wissenschaftszweigen, dass Wellen mit bestimmten Verhaltensweisen verbunden sind. Lichtwellen brechen, wenn sie sich von einem Medium (z. B. Luft) in ein anderes Medium (z. B. Glas) bewegen. 

Wasserwellen beugen sich, wenn sie auf Boote oder große Felsen treffen. Schallwellen stören, was zu periodischen Lautstärkeschwankungen führt (sogenannte „Beats“).

Elektrische Wellen unterliegen auch einem Verhalten, das wir normalerweise nicht mit elektrischen Signalen assoziieren. Der allgemeine Mangel an Vertrautheit mit der Wellennatur von Elektrizität ist jedoch nicht überraschend, da diese Effekte in zahlreichen Schaltkreisen vernachlässigbar oder nicht vorhanden sind. 

Es ist einem Digital- oder Niederfrequenz-Analog-Ingenieur 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. 

An diesem Punkt haben wir es jedoch immer noch mit elektrischen Signalen zu tun, dh mit Signalen, die von der Antenne noch nicht in elektromagnetische Strahlung umgewandelt wurden, und folglich müssen wir uns 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 entlang der Saite erlebences Reflexion, wenn es eine physische 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 eine Wellenausbreitung nicht 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. Die Felswand absorbiert die Wellenenergie nicht, so dass Reflexion auftritt - die Energie breitet sich in Wellenform weiter aus, jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Der Strand ermöglicht es jedoch, dass sich die Wellenenergie allmählicher und natürlicher auflöst. Der Strand absorbiert die Energie der Welle und daher tritt nur eine minimale Reflexion auf.

Vom Wasser zu Elektronen
Elektrische Schaltkreise 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 sich entlang einer Übertragungsleitung bewegt. Dies entspricht der Wasserwelle in der Mitte des Ozeans. 

Die Welle und die damit verbundene Energie breiten sich gleichmäßig von der Quelle zur Last aus. Schließlich erreicht die elektrische Welle jedoch ihr Ziel: eine Antenne, einen Verstärker usw.

Wir wissen von einer vorherigen 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 wirklich keine Diskontinuität, da die Last die gesamte Energie der Welle absorbieren kann. Wenn die Impedanzen jedoch 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 bewegt.

Die Menge der reflektierten Energie wird durch die Schwere der Nichtübereinstimmung zwischen Quelle und Lastimpedanz beeinflusst. Die beiden Worst-Case-Szenarien sind ein offener Stromkreis und ein Kurzschluss, die einer unendlichen Lastimpedanz bzw. einer Null-Lastimpedanz entsprechen. 

Diese beiden Fälle stellen eine vollständige 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 wir einen Leistungsverstärker an eine Antenne angeschlossen haben, möchten wir nicht, dass die Hälfte der Ausgangsleistung zurück zum Verstärker reflektiert wird. 

Der springende Punkt ist die Erzeugung elektrischer Energie, die in elektromagnetische Strahlung umgewandelt werden kann. Im Allgemeinen möchten wir die Leistung von der Quelle zur Last verlagern. Dies bedeutet, dass Reflexionen minimiert werden müssen.

Das zweite Problem ist etwas subtiler. Ein kontinuierliches Signal, das über eine Übertragungsleitung auf eine nicht übereinstimmende Lastimpedanz übertragen wird, führt zu einem kontinuierlich reflektierten Signal. Diese einfallenden und reflektierten Wellen passieren einander und gehen in entgegengesetzte Richtungen. Eine Interferenz führt zu einer stehenden Welle, dh einem stationären Wellenmuster, das der Summe der einfallenden und reflektierten Wellen entspricht. 

Diese stehende Welle erzeugt tatsächlich Schwankungen der Spitzenamplitude entlang der physikalischen Länge des Kabels. Bestimmte Orte haben eine höhere Spitzenamplitude und andere Orte 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 unterliegen Reflexionen und Interferenzen.

* Wasserwellen werden reflektiert, wenn sie ein physisches Hindernis wie eine Steinmauer erreichen. In ähnlicher Weise tritt eine 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, da sie die Leistung reduzieren, 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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