Comprensió de les reflexions i les ones permanents en el disseny de circuits de RF

Senyals RF de vida real
El disseny de circuits d’alta freqüència ha de tenir en compte dos fenòmens importants, però una mica misteriosos: els reflexos i les ones estacionàries.

Sabem de la nostra exposició a altres branques de la ciència que les ones s’associen a tipus especials de comportament. Les ones de llum es refreuen quan es mouen d’un medi (com l’aire) a un medi diferent (com el vidre). 

Les ones d’aigua es difreuen quan es troben amb vaixells o grans roques. Les ones sonores interfereixen, donant lloc a variacions periòdiques de volum (anomenades "pulsacions").

Les ones elèctriques també estan subjectes a un comportament que normalment no associem als senyals elèctrics. La manca general de familiaritat amb la naturalesa ondulada de l'electricitat no és sorprenent, ja que en nombrosos circuits aquests efectes són negligibles o inexistents. 

És possible per a un enginyer digital o de baixa freqüència analògic treballar durant anys i dissenyar molts sistemes d’èxit sense haver adquirit mai una comprensió completa dels efectes d’ona que es fan destacats en circuits d’alta freqüència.

Tal com s’ha comentat a la pàgina anterior, una interconnexió que està subjecta a un comportament especial del senyal d’alta freqüència s’anomena línia de transmissió. Els efectes de la línia de transmissió només són significatius quan la longitud de la interconnexió és com a mínim d’un quart de la longitud d’ona del senyal; per tant, no ens hem de preocupar de les propietats d’ona a menys que estiguem treballant amb freqüències altes o interconnexions molt llargues.

Reflexió
Reflexió, refracció, difracció, interferència: tots aquests comportaments d'ones clàssics s'apliquen a la radiació electromagnètica. 

Però, en aquest moment, encara es tracta de senyals elèctrics, és a dir, de senyals que encara no han estat convertits per l'antena en radiació electromagnètica i, per tant, només ens hem de preocupar de nosaltres dos: reflexió i interferències.

Generalment pensem en un senyal elèctric com un fenomen unidireccional; viatja des de la sortida d’un component a l’entrada d’un altre component, o dit d’una altra manera, d’una font a una càrrega. En el disseny de radiofreqüència, però, sempre hem de ser conscients que els senyals poden viatjar en les dues direccions: de font a càrrega, certament, però també –per culpa de reflexions– de càrrega a font.

L’ona que recorre la corda experimentacés la reflexió quan arriba a una barrera física.

Una analogia de l’ona de l’aigua
Els reflexos es produeixen quan una ona troba una discontinuïtat. Imagineu-vos que una tempesta ha donat lloc a grans onades d’aigua propagant-se a través d’un port normalment tranquil. Aquestes ones acaben xocant amb una sòlida paret de roca. Sabem intuïtivament que aquestes ones reflectiran a la paret de la roca i es propagaran cap al port. Tanmateix, també sabem intuïtivament que les onades d’aigua que es trenquen sobre una platja rarament produiran un reflex significatiu d’energia que es desprèn de l’oceà. Per què la diferència?

Les ones transfereixen energia. Quan les ones d'aigua es propaguen a través de l'aigua oberta, aquesta energia es mou simplement. Tanmateix, quan l’ona arriba a una discontinuïtat, el moviment suau de l’energia s’interromp; en el cas d’una platja o una paret de roca, la propagació d’ones ja no és possible. 

Però, què passa amb l’energia que estava transferint l’ona? No pot desaparèixer; s’ha d’absorbir o reflectir. La paret de roca no absorbeix l'energia de l'ona, de manera que es produeix la reflexió: l'energia continua propagant-se en forma d'ona, però en sentit contrari. La platja, però, permet que l’energia de l’ona es dissipi d’una manera més gradual i natural. La platja absorbeix l'energia de l'ona i, per tant, es produeix una mínima reflexió.

De l’aigua als electrons
Els circuits elèctrics també presenten discontinuïtats que afecten la propagació d’ones; en aquest context, el paràmetre crític és la impedància. Imagineu-vos una ona elèctrica que viatja per una línia de transmissió; això equival a l’onada d’aigua al mig de l’oceà. 

L’ona i la seva energia associada es propaguen sense problemes des de la font a la càrrega. Però, eventualment, l’ona elèctrica arriba al seu destí: una antena, un amplificador, etc.

Sabem d’una pàgina anterior que la transferència màxima de potència es produeix quan la magnitud de la impedància de càrrega és igual a la magnitud de la impedància de la font. (En aquest context, "impedància font" també es pot referir a la impedància característica d'una línia de transmissió.) 

Amb impedàncies coincidents, realment no hi ha discontinuïtat, perquè la càrrega pot absorbir tota l’energia de l’ona. Però si no s’ajusten les impedàncies, només s’absorbeix una mica de l’energia i l’energia restant es reflecteix en forma d’ona elèctrica que viatja en sentit contrari.

La quantitat d’energia reflectida està influenciada per la gravetat de la no concordança entre font i impedància de càrrega. Els dos escenaris pitjors són un circuit obert i un curtcircuit, corresponents a una impedància de càrrega infinita i una impedància de càrrega zero, respectivament. 

Aquests dos casos representen una completa discontinuïtat; no es pot absorbir energia i, per tant, es reflecteix tota l’energia.

La importància de combinar
Si fins i tot heu participat en disseny o proves de radiofreqüència, sabeu que la coincidència d’impedàncies és un tema habitual de discussió. Ara entenem que cal combinar impedàncies per evitar reflexions, però, per què hi ha molta preocupació per les reflexions?

El primer problema és simplement l'eficiència. Si tenim un amplificador de potència connectat a una antena, no volem que la meitat de la potència de sortida es reflecteixi a l'amplificador. 

Tot el punt és generar energia elèctrica que es pugui convertir en radiació electromagnètica. En general, volem traslladar l’energia de la font a la càrrega i això vol dir que s’han de minimitzar els reflexos.

El segon número és una mica més subtil. Un senyal continu transferit a través d’una línia de transmissió a una impedància de càrrega no corresponent donarà lloc a un senyal reflectit continu. Aquestes ones reflectides i incidentes es passen entre si, anant en direccions oposades. La interferència dóna com a resultat una ona estacionària, és a dir, un patró d’ona estacionària igual a la suma de les ones incidentes i reflectides. 

Aquesta ona de peu realment crea variacions d'amplitud punta al llarg de la longitud física del cable; certes ubicacions tenen una amplitud màxima més alta i altres ubicacions tenen una amplitud màxima més baixa.

Les ones permanents tenen com a resultat tensions superiors a la tensió original del senyal transmès, i en alguns casos l'efecte és prou sever com per provocar danys físics als cables o components.

resum

* Les ones elèctriques estan subjectes a reflexió i interferències.

* Les ones d’aigua reflecteixen quan arriben a una obstrucció física com una paret de pedra. De la mateixa manera, la reflexió elèctrica es produeix quan un senyal de CA es troba amb una discontinuïtat d’impedància.

* Podem evitar la reflexió si coincideix la impedància de càrrega amb la impedància característica de la línia de transmissió. Això permet que la càrrega absorbeixi l’energia de l’ona.

* Els reflexos són problemàtics perquè redueixen la quantitat de potència que es pot transferir de font a càrrega.

* Els reflexos també condueixen a les ones estacionàries; les porcions d’alta amplitud d’una ona estacionària poden danyar components o cables.

Deixa un missatge 

Llista de missatges