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Comprendre les réflexions et les ondes stationnaires dans la conception de circuits RF

Date:2019/10/15 17:58:37 Hits:


La conception des circuits haute fréquence doit prendre en compte deux phénomènes importants mais quelque peu mystérieux: les réflexions et les ondes stationnaires.
Notre exposition à d’autres branches de la science nous a appris que les ondes sont associées à des types de comportement particuliers. Les ondes lumineuses se réfractent lorsqu'elles passent d'un milieu (tel que l'air) à un autre (tel que le verre). Les vagues se diffractent lorsqu'elles rencontrent des bateaux ou de gros rochers. Les ondes sonores interfèrent, entraînant des variations périodiques de volume (appelées «battements»).


Les ondes électriques sont également sujettes à des comportements que nous n'associons généralement pas à des signaux électriques. Le manque général de familiarité avec la nature ondulatoire de l’électricité n’a rien d’étonnant, car ces effets sont négligeables, voire inexistants dans de nombreux circuits. Il est possible pour un ingénieur numérique ou analogique basse fréquence de travailler pendant des années et de concevoir de nombreux systèmes performants sans jamais acquérir une compréhension approfondie des effets de vague qui se font jour dans les circuits haute fréquence.

Comme indiqué dans la page précédente, une interconnexion soumise à un comportement particulier du signal haute fréquence est appelée une ligne de transmission. Les effets sur les lignes de transmission ne sont significatifs que lorsque la longueur de l'interconnexion est égale à au moins un quart de la longueur d'onde du signal; ainsi, nous n'avons pas à nous préoccuper des propriétés des ondes sauf si nous travaillons avec des fréquences élevées ou des interconnexions très longues.


Réflexion
Réflexion, réfraction, diffraction, interférence - tous ces comportements d'onde classiques s'appliquent au rayonnement électromagnétique. Mais à ce stade, nous traitons toujours des signaux électriques, c’est-à-dire des signaux qui n’ont pas encore été convertis par l’antenne en rayonnement électromagnétique. Par conséquent, nous ne devons nous préoccuper que de deux d'entre eux: la réflexion et les interférences.

Nous pensons généralement qu'un signal électrique est un phénomène à sens unique; il passe de la sortie d'un composant à l'entrée d'un autre composant ou, en d'autres termes, d'une source à une charge. En conception RF, cependant, nous devons toujours être conscients du fait que les signaux peuvent voyager dans les deux sens: de la source à la charge, certes, mais aussi - à cause des réflexions - de la charge à la source.


La vague voyageant le long de la corde subit une réflexion lorsqu'elle atteint une barrière physique.

Une analogie des vagues
Les réflexions se produisent lorsqu'une onde rencontre une discontinuité. Imaginez qu’une tempête ait entraîné de grandes vagues d’eau se propageant dans un port normalement calme. Ces vagues entrent finalement en collision avec une paroi rocheuse solide. Nous savons intuitivement que ces vagues vont se refléter sur la paroi rocheuse et se propager dans le port. Cependant, nous savons aussi intuitivement que les vagues arrivant sur une plage entraînent rarement une réflexion significative de l’énergie renvoyée dans l’océan. Pourquoi la différence?

Les vagues transfèrent de l'énergie. Lorsque les vagues d'eau se propagent dans les eaux libres, cette énergie est simplement en mouvement. Lorsque l'onde atteint une discontinuité, le mouvement fluide de l'énergie est interrompu; dans le cas d'une plage ou d'une paroi rocheuse, la propagation des vagues n'est plus possible. Mais qu'advient-il de l'énergie transférée par la vague? Il ne peut pas disparaître; il doit être absorbé ou réfléchi. La paroi rocheuse n'absorbe pas l'énergie des vagues, ce qui provoque une réflexion. L'énergie continue à se propager sous forme d'ondes, mais dans la direction opposée. Cependant, la plage permet à l’énergie des vagues de se dissiper de manière plus progressive et naturelle. La plage absorbe l'énergie de la vague, ce qui minimise la réflexion.


De l'eau aux électrons
Les circuits électriques présentent également des discontinuités qui affectent la propagation des ondes; dans ce contexte, le paramètre critique est l'impédance. Imaginez une onde électrique traversant une ligne de transmission; cela équivaut à la vague d'eau au milieu de l'océan. L'onde et son énergie associée se propagent sans à-coup de source en charge. Finalement, l'onde électrique atteint sa destination: une antenne, un amplificateur, etc.



Nous avons appris d’une page précédente que le transfert de puissance maximal se produit lorsque la valeur de l’impédance de la charge est égale à celle de l’impédance de la source. (Dans ce contexte, «impédance de source» peut également faire référence à l'impédance caractéristique d'une ligne de transmission.) Avec des impédances adaptées, il n'y a vraiment aucune discontinuité, car la charge peut absorber toute l'énergie de la houle. Mais si les impédances ne correspondent pas, seule une partie de l'énergie est absorbée et l'énergie restante est reflétée sous la forme d'une onde électrique se propageant dans la direction opposée.

La quantité d'énergie réfléchie est influencée par la gravité de l'inadéquation entre l'impédance de la source et l'impédance de la charge. Les deux scénarios les plus défavorables sont un circuit ouvert et un court-circuit, correspondant respectivement à l'impédance de charge infinie et à l'impédance de charge nulle. Ces deux cas représentent une discontinuité complète; aucune énergie ne peut être absorbée et par conséquent toute l'énergie est réfléchie.


L'importance de l'appariement
Si vous avez même participé à la conception ou aux tests RF, vous savez que la correspondance d'impédance est un sujet de discussion courant. Nous comprenons maintenant que les impédances doivent être assorties pour éviter les réflexions, mais pourquoi tant d’inquiétude à propos des réflexions?

Le premier problème est simplement l'efficacité. Si nous avons un amplificateur de puissance connecté à une antenne, nous ne voulons pas que la moitié de la puissance de sortie soit renvoyée à l'amplificateur. Le but est de générer un courant électrique pouvant être converti en rayonnement électromagnétique. En général, nous voulons déplacer l’énergie de la source à la charge, ce qui signifie que les réflexions doivent être minimisées.

La deuxième question est un peu plus subtile. Un signal continu transféré par une ligne de transmission à une impédance de charge inadéquate entraînera un signal réfléchi en continu. Ces ondes incidentes et réfléchies se croisent et vont dans des directions opposées. Les interférences produisent une onde stationnaire, c’est-à-dire un motif d’onde stationnaire égal à la somme des ondes incidente et réfléchie. Cette onde stationnaire crée réellement des variations d’amplitude de pic le long de la longueur physique du câble; certains emplacements ont une amplitude de crête plus élevée et d'autres emplacements ont une amplitude de crête inférieure.

Les ondes stationnaires génèrent des tensions supérieures à la tension initiale du signal transmis et, dans certains cas, l’effet est suffisamment important pour causer des dommages physiques aux câbles ou aux composants.


Résumé
Les ondes électriques sont sujettes à la réflexion et aux interférences.
Les vagues d'eau se réfléchissent lorsqu'elles atteignent un obstacle physique tel qu'un mur de pierre. De même, une réflexion électrique se produit lorsqu'un signal alternatif rencontre une discontinuité d'impédance.
Nous pouvons empêcher la réflexion en adaptant l'impédance de la charge à l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Cela permet à la charge d'absorber l'énergie des vagues.
Les réflexions sont problématiques car elles réduisent la quantité d'énergie pouvant être transférée de la source à la charge.
Les réflexions conduisent également à des ondes stationnaires; les portions d'amplitude élevée d'une onde stationnaire peuvent endommager des composants ou des câbles.


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