Pytanie: Odbicia fal — dlaczego ważne jest ich zrozumienie w projektach RF?
Odpowiedź: Poniższy artykuł przedstawia krótką dyskusję dla inżynierów niezajmujących się na co dzień obwodami RF na temat terminologii związanej z jedną z kluczowych ich właściwości: odbiciem fal. Krytyczną różnicę między zwykłymi obwodami działającymi na niskich częstotliwościach a tymi zaprojektowanymi pod RF stanowi ich wielkość elektryczna. W układach RF ścieżki mogą mieć wiele długości fal. Co prowadzi do zmian napięć i prądów pod względem wielkości, jak i fazy w fizycznej przestrzeni objętości ścieżek czy elementów. Sprawia to, że obwody RF mają szereg odmiennych właściwości niż układy: „klasyczne”, które leżą u podstaw bazowych zasad stosowanych przy projektowaniu i analizie obwodów radiowych.
Podstawowe pojęcia i terminologia
Rozważmy tzw. linię transmisyjną — na przykład przewód koncentryczny lub linię mikropaskową — zakończoną dowolnym obciążeniem i określmy wielkości fal: „a” i „b”, jak pokazano na rysunku 1.
Te wielkości fal są wynikiem zespolonego napięcia padającego i odbijającego się od obciążenia. Można teraz użyć tych wielkości do określenia współczynnika odbicia napięcia — Γ — który opisuje stosunek zespolonej amplitudy fali odbitej do fali padającej:
$$\Gamma = \frac {b} {a} \qquad (1)$$
Współczynnik odbicia można także wyrazić za pomocą charakterystycznych impedancji linii transmisyjnej Z0 i zespolonej impedancji wejściowej obciążenia ZL jako:
$$\Gamma = \frac {Z_L - Z_0} {Z_L + Z_0} \qquad (2)$$
Inżynieria RF zazwyczaj opiera się na założeniu, że Z0 = 50 Ω, co jest kompromisem między tłumieniem sygnału a zdolnością obsługi mocy, którą można osiągnąć za pomocą koncentrycznych linii transmisyjnych. Jednak w niektórych zastosowaniach — na przykład w systemach nadawczych, w których sygnały RF muszą być przesyłane na większe odległości stosuje się Z0 = 75 Ω, co pozwala na mniejsze straty w kablu.
Niezależnie od tego, jaka jest ta wartość impedancji charakterystycznej, jeśli impedancja obciążenia jest taka sama (ZL = Z0), mówi się, że obciążenie to jest dopasowane do linii długiej, jaka je zasila. Należy zauważyć, że warunek ten obowiązuje tylko wtedy, gdy źródło sygnału jest dostosowane do samej linii transmisyjnej, jak pokazano na rysunku 1, co zakładamy w tym artykule. W tym przypadku nie będziemy mieć żadnych fal odbitych (Γ = 0) i obciążenie otrzyma maksymalną moc ze źródła sygnału. Natomiast w przypadku całkowitego odbicia (|Γ| = 1) żadna moc nie jest dostarczana do obciążenia w ogóle.
Jeśli obciążenie jest niedopasowane (ZL ≠ Z0), nie otrzyma ono całej mocy na nie padającej. Ta: „utrata” jest znana jako strata odbiciowa (RL), którą można powiązać z wielkością współczynnika odbicia za pomocą następującego równania:
$$RL = -20 log(|\Gamma|) dB \qquad (3)$$
Strata odbiciowa opisuje stosunek mocy odebranej przez dane obciążenie do odbitej od niego. Strata powrotna jest zawsze wielkością nieujemną, która wskazuje, jak akuratne jest obciążenie względem impedancji sieci: „widzianej” przy obciążeniu w kierunku źródła.
Jeśli obciążenie jest niedostosowane, obecność fali odbitej prowadzi do powstawania fal stojących, co skutkuje niestałą wielkością napięcia, która zmienia się wraz z położeniem wzdłuż linii. Miara stosowana do ilościowego określenia tego niedopasowania impedancji linii nazywana jest współczynnikiem fali stojącej (SWR) i można ją zdefiniować jak poniżej:
$$SWR = \frac {1 + |\Gamma|} {1 - |\Gamma|} \qquad (4)$$
A ponieważ SWR jest interpretowany najczęściej jako maksymalne i minimalne napięcia, to nierzadko mówi się o napięciowym współczynniku fali stojącej (VSWR). SWR to rzeczywista liczba, która może przyjmować wartości od 1 do nieskończoności, gdzie SWR = 1 oznacza, że obciążenie jest w pełni dopasowane do łączącej go linii długiej.
Podsumowanie
Obwody RF mają szereg podstawowych właściwości, które wyróżniają je na tle zwykłych. Projektowanie i analiza obwodów mikrofalowych wymaga zastosowania szerszych koncepcji w celu rozwiązania problemów o znaczeniu praktycznym. W powyższym artykule przedstawiono i omówiono niektóre kluczowe pojęcia i terminologię związaną z jedną z głównych właściwości systemów RF: odbiciem fal.
W numerycznym opisie pomaga wiele rodzajów kalkulatorów, które mogą być wykorzystane do modelowania i symulacji układów RF. Firmy takie, jak Analog Devices oferują całe ekosystemy, w tym narzędzia projektowe, modele symulacyjne, projekty referencyjne, platformy szybkiego prototypowania. Co więcej, ADI posiada m.in. specjalne forum dyskusyjne wspierające inżynierów RF i ułatwiające proces rozwoju ich docelowych aplikacji.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-197.html
Odpowiedź: Poniższy artykuł przedstawia krótką dyskusję dla inżynierów niezajmujących się na co dzień obwodami RF na temat terminologii związanej z jedną z kluczowych ich właściwości: odbiciem fal. Krytyczną różnicę między zwykłymi obwodami działającymi na niskich częstotliwościach a tymi zaprojektowanymi pod RF stanowi ich wielkość elektryczna. W układach RF ścieżki mogą mieć wiele długości fal. Co prowadzi do zmian napięć i prądów pod względem wielkości, jak i fazy w fizycznej przestrzeni objętości ścieżek czy elementów. Sprawia to, że obwody RF mają szereg odmiennych właściwości niż układy: „klasyczne”, które leżą u podstaw bazowych zasad stosowanych przy projektowaniu i analizie obwodów radiowych.
Podstawowe pojęcia i terminologia
Rozważmy tzw. linię transmisyjną — na przykład przewód koncentryczny lub linię mikropaskową — zakończoną dowolnym obciążeniem i określmy wielkości fal: „a” i „b”, jak pokazano na rysunku 1.
Te wielkości fal są wynikiem zespolonego napięcia padającego i odbijającego się od obciążenia. Można teraz użyć tych wielkości do określenia współczynnika odbicia napięcia — Γ — który opisuje stosunek zespolonej amplitudy fali odbitej do fali padającej:
$$\Gamma = \frac {b} {a} \qquad (1)$$
Współczynnik odbicia można także wyrazić za pomocą charakterystycznych impedancji linii transmisyjnej Z0 i zespolonej impedancji wejściowej obciążenia ZL jako:
$$\Gamma = \frac {Z_L - Z_0} {Z_L + Z_0} \qquad (2)$$
Inżynieria RF zazwyczaj opiera się na założeniu, że Z0 = 50 Ω, co jest kompromisem między tłumieniem sygnału a zdolnością obsługi mocy, którą można osiągnąć za pomocą koncentrycznych linii transmisyjnych. Jednak w niektórych zastosowaniach — na przykład w systemach nadawczych, w których sygnały RF muszą być przesyłane na większe odległości stosuje się Z0 = 75 Ω, co pozwala na mniejsze straty w kablu.
Niezależnie od tego, jaka jest ta wartość impedancji charakterystycznej, jeśli impedancja obciążenia jest taka sama (ZL = Z0), mówi się, że obciążenie to jest dopasowane do linii długiej, jaka je zasila. Należy zauważyć, że warunek ten obowiązuje tylko wtedy, gdy źródło sygnału jest dostosowane do samej linii transmisyjnej, jak pokazano na rysunku 1, co zakładamy w tym artykule. W tym przypadku nie będziemy mieć żadnych fal odbitych (Γ = 0) i obciążenie otrzyma maksymalną moc ze źródła sygnału. Natomiast w przypadku całkowitego odbicia (|Γ| = 1) żadna moc nie jest dostarczana do obciążenia w ogóle.
Jeśli obciążenie jest niedopasowane (ZL ≠ Z0), nie otrzyma ono całej mocy na nie padającej. Ta: „utrata” jest znana jako strata odbiciowa (RL), którą można powiązać z wielkością współczynnika odbicia za pomocą następującego równania:
$$RL = -20 log(|\Gamma|) dB \qquad (3)$$
Strata odbiciowa opisuje stosunek mocy odebranej przez dane obciążenie do odbitej od niego. Strata powrotna jest zawsze wielkością nieujemną, która wskazuje, jak akuratne jest obciążenie względem impedancji sieci: „widzianej” przy obciążeniu w kierunku źródła.
Jeśli obciążenie jest niedostosowane, obecność fali odbitej prowadzi do powstawania fal stojących, co skutkuje niestałą wielkością napięcia, która zmienia się wraz z położeniem wzdłuż linii. Miara stosowana do ilościowego określenia tego niedopasowania impedancji linii nazywana jest współczynnikiem fali stojącej (SWR) i można ją zdefiniować jak poniżej:
$$SWR = \frac {1 + |\Gamma|} {1 - |\Gamma|} \qquad (4)$$
A ponieważ SWR jest interpretowany najczęściej jako maksymalne i minimalne napięcia, to nierzadko mówi się o napięciowym współczynniku fali stojącej (VSWR). SWR to rzeczywista liczba, która może przyjmować wartości od 1 do nieskończoności, gdzie SWR = 1 oznacza, że obciążenie jest w pełni dopasowane do łączącej go linii długiej.
Podsumowanie
Obwody RF mają szereg podstawowych właściwości, które wyróżniają je na tle zwykłych. Projektowanie i analiza obwodów mikrofalowych wymaga zastosowania szerszych koncepcji w celu rozwiązania problemów o znaczeniu praktycznym. W powyższym artykule przedstawiono i omówiono niektóre kluczowe pojęcia i terminologię związaną z jedną z głównych właściwości systemów RF: odbiciem fal.
W numerycznym opisie pomaga wiele rodzajów kalkulatorów, które mogą być wykorzystane do modelowania i symulacji układów RF. Firmy takie, jak Analog Devices oferują całe ekosystemy, w tym narzędzia projektowe, modele symulacyjne, projekty referencyjne, platformy szybkiego prototypowania. Co więcej, ADI posiada m.in. specjalne forum dyskusyjne wspierające inżynierów RF i ułatwiające proces rozwoju ich docelowych aplikacji.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-197.html
Fajne? Ranking DIY
