Comprender as reflexións e as ondas de pé no deseño de circuítos RF

Sinais RF de vida real
O deseño de circuítos de alta frecuencia debe dar conta de dous fenómenos importantes pero algo misteriosos: reflexións e ondas estacionarias.

Sabemos pola nosa exposición a outras ramas da ciencia que as ondas están asociadas a tipos especiais de comportamento. As ondas de luz refráctanse cando se moven dun medio (como o aire) a un medio diferente (como o vidro). 

As ondas de auga se difunden cando atopan barcos ou grandes rochas. As ondas sonoras interfiren, obtendo variacións periódicas no volume (chamadas "pulsacións").

As ondas eléctricas tamén están suxeitas a comportamentos que normalmente non asociamos a sinais eléctricos. Non é sorprendente a descoñecemento xeral da natureza ondulada da electricidade, porque en numerosos circuítos estes efectos son insignificantes ou inexistentes. 

É posible que un enxeñeiro dixital ou de baixa frecuencia analóxico poida traballar durante anos e deseñar moitos sistemas de éxito sen adquirir nunca unha comprensión completa dos efectos de onda que se fan destacados nos circuítos de alta frecuencia.

Como se comentou na páxina anterior, a unha interconexión que está suxeita a un comportamento especial do sinal de alta frecuencia chámase liña de transmisión. Os efectos da liña de transmisión son significativos só cando a lonxitude da interconexión é polo menos a cuarta parte da lonxitude de onda do sinal; así, non temos que preocuparse polas propiedades das ondas a menos que traballemos con frecuencias altas ou interconectacións moi longas.

Reflexión
Reflexión, refracción, difracción, interferencia: todos estes comportamentos clásicos das ondas aplícanse á radiación electromagnética. 

Pero neste momento aínda estamos lidando con sinais eléctricos, é dicir, sinais que aínda non foron convertidas pola antena en radiación electromagnética e, en consecuencia, só nos temos que preocupar por dúas delas: a reflexión e a interferencia.

Normalmente pensamos nun sinal eléctrico como un fenómeno unidireccional; viaxa desde a saída dun compoñente ata a entrada doutro compoñente, ou dito doutro xeito, dunha fonte a unha carga. No deseño RF, non obstante, sempre debemos ser conscientes de que os sinais poden viaxar en ambas direccións: de fonte a carga, certamente, pero tamén, por mor das reflexións, de carga a fonte.

A onda viaxa ao longo da cordacé reflexión cando chega a unha barreira física.

Unha analoxía das ondas de auga
Os reflexos prodúcense cando unha onda atopa unha discontinuidade. Imaxina que unha tormenta provocou grandes ondas de auga propagándose a través dun porto normalmente tranquilo. Estas ondas finalmente chocan cunha sólida parede de rocha. Sabemos intuitivamente que estas ondas reflectirán a parede da rocha e propagaránse cara ao porto. Non obstante, tamén sabemos intuitivamente que as ondas de auga que rompen nunha praia raramente terán como resultado unha reflexión significativa da enerxía cara ao océano. Por que a diferenza?

As ondas transfiren enerxía. Cando as ondas de auga se propagan a través de auga aberta, esta enerxía móvese simplemente. Non obstante, cando a onda chega a unha discontinuidade, o movemento de enerxía é interrompido; no caso dunha praia ou dun muro de rocha, a propagación das ondas xa non é posible. 

Pero que pasa coa enerxía que estaba a ser transferida pola onda? Non pode desaparecer; debe ser absorbido ou reflectido. A parede da rocha non absorbe a enerxía das ondas, polo que se produce a reflexión: a enerxía segue propagándose en forma de onda, pero no sentido contrario. A praia, non obstante, permite que a enerxía das ondas se disipe dun xeito máis gradual e natural. A praia absorbe a enerxía da onda e, polo tanto, ocorre unha mínima reflexión.

Da auga aos electróns
Os circuítos eléctricos tamén presentan discontinuidades que afectan á propagación de ondas; neste contexto, o parámetro crítico é a impedancia. Imaxina unha onda eléctrica que percorre unha liña de transmisión; isto equivale á onda de auga no medio do océano. 

A onda e a súa enerxía asociada están propagándose suavemente de fonte a carga. Non obstante, a onda eléctrica chega ao seu destino: unha antena, un amplificador, etc.

Sabemos desde unha páxina anterior que a transferencia de potencia máxima se produce cando a magnitude da impedancia de carga é igual á magnitude da impedancia da fonte. (Neste contexto, a "impedancia de orixe" tamén pode referirse á impedancia característica dunha liña de transmisión.) 

Con impedancias igualadas, realmente non hai discontinuidade, porque a carga pode absorber toda a enerxía da onda. Pero se non se combinan as impedancias, só se absorbe parte da enerxía e a enerxía restante reflíctese en forma de onda eléctrica que viaxa no sentido contrario.

A cantidade de enerxía reflectida está influenciada pola gravidade do desaxuste entre a fonte e a impedancia de carga. Os dous peores escenarios son un circuíto aberto e un curtocircuíto, correspondentes á impedancia de carga infinita e á impedancia de carga cero, respectivamente. 

Estes dous casos representan unha completa discontinuidade; non se pode absorber enerxía e, polo tanto, toda a enerxía reflíctese.

A importancia da coincidencia
Se ata participaches no deseño ou probas de RF, xa sabes que a coincidencia de impedancias é un tema común de discusión. Entendemos agora que as impedancias deben coincidir para evitar reflexións, pero por que tanta preocupación polas reflexións?

O primeiro problema é simplemente a eficiencia. Se temos un amplificador de potencia conectado a unha antena, non queremos que a metade da potencia de saída se reflicta ao amplificador. 

O punto completo é xerar enerxía eléctrica que se pode converter en radiación electromagnética. En xeral, queremos mover a enerxía de fonte en carga e isto significa que hai que minimizar as reflexións.

O segundo número é un pouco máis sutil. Un sinal continuo transferido a través dunha liña de transmisión a unha impedancia de carga non correspondida dará lugar a un sinal continuo reflectido. Estas ondas incidentes e reflectidas pásanse, indo en direccións opostas. A interferencia produce unha onda estacionaria, é dicir, un patrón de onda estacionaria igual á suma do incidente e as ondas reflectidas. 

Esta onda de pé realmente crea variacións de amplitude de pico ao longo da lonxitude física do cable; certas localizacións teñen maior amplitude de pico e outras localidades teñen menor pico.

As ondas permanentes orixinan tensións superiores á tensión orixinal do sinal transmitido, e nalgúns casos o efecto é o suficientemente grave como para causar danos físicos a cables ou compoñentes.

Resumo

* As ondas eléctricas están suxeitas a reflexións e interferencias.

* As ondas de auga reflicten cando chegan a unha obstrución física como unha parede de pedra. Do mesmo xeito, a reflexión eléctrica prodúcese cando un sinal de CA atopa unha discontinuidade da impedancia.

* Podemos evitar a reflexión combinando a impedancia de carga coa impedancia característica da liña de transmisión. Isto permite que a carga absorba a enerxía das ondas.

* As reflexións son problemáticas porque reducen a cantidade de enerxía que se pode transferir de fonte a carga.

* Os reflexos tamén levan a ondas de pé; as porcións de alta amplitude dunha onda permanente poden danar compoñentes ou cables.

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes