RF回路設計における反射と定在波の理解

実際のRF信号
高周波回路の設計では、反射と定在波という2つの重要だがやや不可解な現象を考慮する必要があります。

他の科学分野への暴露から、波は特別な種類の行動に関連していることがわかります。 光波は、ある媒体（空気など）から別の媒体（ガラスなど）に移動すると屈折します。 

水の波は、ボートや大きな岩に遭遇すると回折します。 音波が干渉し、音量が周期的に変化する（「ビート」と呼ばれます）。

電波はまた、私たちが通常電気信号と関連付けない行動の影響を受けます。 ただし、多くの回路ではこれらの影響は無視できるか存在しないため、電気の波の性質についての一般的な知識の欠如は驚くべきことではありません。 

デジタルまたは低周波アナログエンジニアは、高周波回路で顕著になる波の影響を完全に理解することなく、何年も働いて多くの成功したシステムを設計することができます。

前のページで説明したように、特別な高周波信号の挙動の影響を受ける相互接続は、伝送ラインと呼ばれます。 伝送線路の影響は、相互接続の長さが信号波長の少なくとも4分の1の場合にのみ重要です。 したがって、高周波または非常に長い相互接続で作業している場合を除き、波の特性を心配する必要はありません。

反射
反射、屈折、回折、干渉—これらすべての古典的な波の振る舞いは、電磁放射に適用されます。 

ただし、この時点ではまだ電気信号、つまりアンテナによって電磁放射にまだ変換されていない信号を扱っているため、反射と干渉のXNUMXつだけを気にする必要があります。

一般的に、電気信号は一方向の現象と考えています。 あるコンポーネントの出力から別のコンポーネントの入力へ、つまりソースから負荷へ移動します。 ただし、RF設計では、信号がソースから負荷へ、また反射のために負荷からソースへと双方向に移動できるという事実に常に注意する必要があります。

ひも体験に沿って伝わる波c物理的な障壁に到達したときの反射。

水波のアナロジー
反射は、波が不連続に遭遇したときに発生します。 嵐が通常の穏やかな港を伝播する大きな水波をもたらしたと想像してください。 これらの波は、最終的に固体の岩壁と衝突します。 私たちは、これらの波が岩壁で反射して港に伝播することを直感的に知っています。 ただし、海岸に打ち寄せる水の波がエネルギーを海洋に大きく反射することはめったにないことも直感的にわかっています。 なぜ違いがあるのですか？

波はエネルギーを伝達します。 水の波が開いている水の中を伝搬しているとき、このエネルギーは単に動いています。 しかし、波が不連続に達すると、エネルギーの滑らかな動きが中断されます。 ビーチや岩壁の場合、波の伝播はもはや不可能です。 

しかし、波によって伝達されていたエネルギーはどうなりますか？ それは消えることはできません。 それは吸収されるか反射される必要があります。 岩壁は波のエネルギーを吸収しないため、反射が発生します。エネルギーは波状に伝搬し続けますが、反対方向に伝搬します。 ただし、ビーチでは、波のエネルギーをより緩やかに自然に消散させることができます。 ビーチは波のエネルギーを吸収するため、反射は最小限に抑えられます。

水から電子へ
電気回路も波の伝播に影響を与える不連続性を示します。 この文脈では、重要なパラメータはインピーダンスです。 伝送線路を伝わる電波を想像してください。 これは海の真ん中の水の波に相当します。 

波とそれに関連するエネルギーは、発生源から負荷までスムーズに伝播しています。 しかし最終的には、電波はその目的地に到達します：アンテナ、増幅器など。

前のページから、負荷インピーダンスの大きさがソースインピーダンスの大きさと等しいときに最大電力伝達が発生することがわかります。 （このコンテキストでは、「ソースインピーダンス」は伝送線路の特性インピーダンスを指すこともあります。） 

インピーダンスが整合していると、負荷が波のエネルギーをすべて吸収できるため、実際には不連続性はありません。 しかし、インピーダンスが一致しない場合、エネルギーの一部のみが吸収され、残りのエネルギーは反対方向に進む電波の形で反射されます。

反射エネルギーの量は、信号源と負荷インピーダンス間のミスマッチの深刻さの影響を受けます。 ワーストケースのXNUMXつのシナリオは、それぞれ無限負荷インピーダンスとゼロ負荷インピーダンスに対応する開回路と短絡です。 

これらのXNUMXつのケースは、完全な不連続を表しています。 エネルギーを吸収できないため、すべてのエネルギーが反射されます。

マッチングの重要性
RFの設計やテストに携わっていても、インピーダンスマッチングが議論の一般的なトピックであることを知っています。 反射を防ぐためにインピーダンスを一致させる必要があることを理解しましたが、なぜ反射についてそれほど心配するのでしょうか？

最初の問題は単に効率です。 アンテナに接続されたパワーアンプがある場合、出力パワーの半分がアンプに反射して戻されることは望ましくありません。 

重要なのは、電磁放射に変換できる電力を生成することです。 一般に、電源から負荷に電力を移動する必要があるため、反射を最小限に抑える必要があります。

XNUMX番目の問題はもう少し微妙です。 伝送ラインを介して不整合な負荷インピーダンスに転送される連続信号は、連続反射信号になります。 これらの入射波と反射波は互いに通過し、反対方向に進みます。 干渉の結果、定常波、つまり、入射波と反射波の合計に等しい定常波パターンが生じます。 

この定在波は、実際にはケーブルの物理的な長さに沿ってピーク振幅の変動を引き起こします。 特定の場所ではピーク振幅が高くなり、他の場所ではピーク振幅が低くなります。

定在波は、送信された信号の元の電圧よりも高い電圧をもたらし、場合によっては、ケーブルまたはコンポーネントに物理的な損傷を引き起こすほどの影響があります。

まとめ

※電波は反射・干渉を受けやすくなっています。

※波は石壁などの物理的な障害物に到達すると反射します。 同様に、電気信号は、AC信号がインピーダンスの不連続に遭遇したときに発生します。

※負荷インピーダンスと伝送線路の特性インピーダンスを整合させることで、反射を防止できます。 これにより、負荷は波のエネルギーを吸収できます。

*反射は、ソースから負荷に転送できる電力量を減らすため、問題があります。

*反射も定在波につながります。 定在波の高振幅部分は、コンポーネントまたはケーブルを損傷する可能性があります。

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