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

Signaux RF réels
La conception des circuits haute fréquence doit prendre en compte deux phénomènes importants mais quelque peu mystérieux: les réflexions et les ondes stationnaires.

Nous savons par notre exposition à d'autres branches de la science que les ondes sont associées à des types particuliers de comportement. Les ondes lumineuses se réfractent lorsqu'elles se déplacent d'un milieu (comme l'air) vers un autre (comme le verre). 

Les vagues d'eau 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 soumises à des comportements que nous n'associons généralement pas aux signaux électriques. Le manque général de familiarité avec la nature ondulatoire de l'électricité n'est cependant pas surprenant, car dans de nombreux circuits, ces effets sont négligeables ou inexistants. 

Il est possible pour un ingénieur numérique ou analogique basse fréquence de travailler pendant des années et de concevoir de nombreux systèmes réussis sans jamais acquérir une compréhension approfondie des effets des vagues qui deviennent importants 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 avons encore affaire à des signaux électriques, c'est-à-dire des signaux qui n'ont pas encore été convertis par l'antenne en rayonnement électromagnétique, et par conséquent nous n'avons à 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 experiences réflexion quand il 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 l'énergie. Lorsque les vagues d'eau se propagent à travers l'eau libre, cette énergie se déplace simplement. Cependant, 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 qui était transférée par la vague? Elle ne peut pas disparaître; il doit être soit absorbé, soit réfléchi. La paroi rocheuse n'absorbe pas l'énergie des vagues, donc la réflexion se produit - l'énergie continue de se propager sous forme d'onde, mais dans la direction opposée. La plage, cependant, permet à l'énergie des vagues de se dissiper de manière plus progressive et naturelle. La plage absorbe l'énergie de la vague, et donc une réflexion minimale se produit.

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 se déplaçant sur une ligne de transmission; cela équivaut à la vague d'eau au milieu de l'océan. 

L'onde et son énergie associée se propagent en douceur de la source à la charge. Finalement, cependant, l'onde électrique atteint sa destination: une antenne, un amplificateur, etc.

Nous savons d'une page précédente que le transfert de puissance maximum se produit lorsque la magnitude de l'impédance de charge est égale à la magnitude de l'impédance de la source. (Dans ce contexte, «impédance de source» peut également désigner l'impédance caractéristique d'une ligne de transmission.) 

Avec des impédances adaptées, il n'y a vraiment pas de discontinuité, car la charge peut absorber toute l'énergie de la vague. Mais si les impédances ne sont pas adaptées, seule une partie de l'énergie est absorbée et l'énergie restante est réfléchie sous la forme d'une onde électrique se déplaçant dans la direction opposée.

La quantité d'énergie réfléchie est influencée par la gravité de l'inadéquation entre la source et l'impédance de charge. Les deux pires scénarios sont un circuit ouvert et un court-circuit, correspondant respectivement à une impédance de charge infinie et à une 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 réfléchie vers l'amplificateur. 

Le but est de générer de l'énergie électrique qui peut être convertie 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.

Le deuxième problème est un peu plus subtil. Un signal continu transféré via une ligne de transmission à une impédance de charge non appariée se traduira par un signal réfléchi continu. Ces ondes incidentes et réfléchies se croisent en allant dans des directions opposées. L'interférence se traduit par une onde stationnaire, c'est-à-dire un motif d'onde stationnaire égal à la somme des ondes incidentes et réfléchies. 

Cette onde stationnaire crée vraiment des variations d'amplitude de crête 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 plus faible.

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 reflètent 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 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 qui peut être transférée de la source à la charge.

* Les réflexions conduisent également à des ondes stationnaires; les portions de haute amplitude d'une onde stationnaire peuvent endommager des composants ou des câbles.

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