Pytanie:

Dlaczego tak ważne jest zrozumienie zjawiska odbicia fali w układach radiowych?

Odpowiedź:

Artykuł prezentuje krótkie omówienie pojęć związanych z jednym z najważniejszych zjawisk charakterystycznych dla fal radiowych: odbicia fali. Główną różnicą między zwykłymi obwodami działającymi na niskich częstotliwościach, a obwodami zaprojektowanymi dla częstotliwości radiowych jest ich długość elektryczna, a więc fakt, że wielkość fizyczna elementów jest porównywalna do długości fali. Układy RF mogą przyjmować różne długości fal, co prowadzi do zmian amplitud i faz napięć i prądów wewnątrz fizycznych elementów. Wynika z tego wiele właściwości, ale także zasad projektowania i analizy układów radiowych.¹

Podstawowe zagadnienia i terminologia

Weźmy pod lupę linię transmisyjną – na przykład kabel koncentryczny lub mikropasek — zakończoną obciążeniem. Określmy także amplitudy fal a i b w takim układzie, jak na rysunku 1.

Rysunek 1. Linia transmisyjna z dopasowanym źródłem sygnału zakończona w obciążeniem

Weźmiemy pod uwagę amplitudy zespolone fal napięcia padającą na obciążenie i odbitą od niego. Można użyć tych wielkości do określenia współczynnika odbicia Γ, który opisuje stosunek amplitudy fali odbitej do fali padającej:

Współczynnik odbicia można również wyrazić za pomocą impedancji charakterystycznej linii przesyłowej Z₀ oraz zespolonej impedancji obciążenia Z_L za pomocą wzoru:

Projekty RF zazwyczaj korzystają z linii transmisyjnych o impedancji Z₀ = 50 Ω. Jest to pewien kompromis pomiędzy tłumieniem sygnału, a także możliwością przenoszenia mocy, którą można osiągnąć w kablach koncentrycznych. Jednak w niektórych zastosowaniach — na przykład w systemach nadawczych, w których sygnały trzeba przesłać na większe odległości — powszechniejszym wyborem jest wartość 75 Ω, ponieważ pozwala na mniejsze straty.

Staramy się dążyć do sytuacji dopasowania energetycznego, gdy impedancja obciążenia jest równa impedancji charakterystycznej linii (Z_L = Z₀). Oczywiście warunek ten jest spełniony tylko wtedy, gdy źródło także jest dopasowane do linii transmisyjnej (co zakładamy w artykule). W takim przypadku nie ma fal odbitych (Γ = 0), natomiast obciążenie otrzymuje maksymalną moc ze źródła sygnału. Z kolei w przypadku całkowitego odbicia (|Γ| = 1) do obciążenia w ogóle nie zostanie dostarczona moc.

Jeśli obciążenie jest niedopasowane (Z_L ≠ Z₀), to nie otrzyma ono całej mocy padającej. Odpowiadająca temu „strata” mocy jest znana jako straty odbiciowe (ang. “return loss”, RL). Wiążą się one ze współczynnikiem odbicia w następujący sposób:

Straty odbiciowe to stosunek mocy padającej na obciążenie do mocy odbitej od niego. Jest to zawsze wielkość nieujemna, która wskazuje jak dobrze dopasowane jest obciążenie z linią transmisyjną.

Jeśli obciążenie jest niedopasowane, obecność fali odbitej prowadzi do powstania fal stojących, co z kolei skutkuje zmianą napięcia wraz z pozycją wzdłuż linii transmisyjnej. Miara stosowana do ilościowego określenia niedopasowania impedancji linii nosi nazwę współczynnika fali stojącej (ang. “standing wave ratio”, SWR) i definiujemy ją jako:

Ponieważ SWR jest często interpretowany w kategoriach maksymalnego i minimalnego napięcia, wielkość ta jest również znana jako napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR). SWR jest liczbą rzeczywistą z zakresu od 1 do nieskończoności, gdzie SWR = 1 oznacza idealne dopasowanie energetyczne.

Wnioski

Obwody radiowe mają szereg właściwości, które odróżniają je od zwykłych obwodów. Projektowanie i analiza układów mikrofalowych wymaga rozszerzenia słownika pojęć w celu skutecznego rozwiązania problemów praktycznych. W tym artykule przedstawiono i omówiono niektóre kluczowe pojęcia i terminologię związaną z jedną z najważniejszych właściwości układów RF: zjawiska odbicia fal.

Analog Devices oferuje najszersze w branży portfolio układów radiowych, a także głęboką wiedzę w zakresie projektowania systemów. Pozwala to sprostać nawet najbardziej skomplikowanym rozwiązaniom RF. Co więcej, ADI oferuje całe ekosystemy obejmujące narzędzia projektowe, modele do symulacji, projekty referencyjne, platformy do szybkiego prototypowania oraz forum dyskusyjne, co pozwala wspierać inżynierów zajmujących się technologiami RF i ułatwić im proces tworzenia docelowych rozwiązań.

Bibliografia

¹ M. S. Gupta. “What Is RF?” IEEE Microwave Magazine, Vol. 2, No. 4, December 2001.

Hiebel, Michael. Fundamentals of Vector Network Analysis. Rohde & Schwarz, 2007.

Pozar, David M. Microwave Engineering, 4^th Edition. Wiley, 2011.