Memahami Refleksi dan Gelombang Berdiri dalam Desain Sirkuit RF

Sinyal RF Kehidupan Nyata
Desain sirkuit frekuensi tinggi harus menjelaskan dua fenomena penting namun agak misterius: refleksi dan gelombang berdiri.

Kami tahu dari paparan kami ke cabang ilmu pengetahuan lain bahwa gelombang dikaitkan dengan jenis perilaku khusus. Gelombang cahaya membias ketika mereka bergerak dari satu media (seperti udara) ke media yang berbeda (seperti kaca). 

Gelombang air memecah ketika mereka menemukan perahu atau batu besar. Gelombang suara mengganggu, menghasilkan variasi volume yang berkala (disebut "denyut").

Gelombang listrik juga tunduk pada perilaku yang biasanya tidak kita kaitkan dengan sinyal listrik. Kurangnya keakraban secara umum dengan sifat gelombang listrik tidak mengherankan, karena di banyak sirkuit efek ini dapat diabaikan atau tidak ada. 

Adalah mungkin bagi insinyur digital atau frekuensi rendah analog untuk bekerja selama bertahun-tahun dan merancang banyak sistem yang berhasil tanpa pernah memperoleh pemahaman menyeluruh tentang efek gelombang yang menjadi menonjol di sirkuit frekuensi tinggi.

Seperti dibahas di halaman sebelumnya, interkoneksi yang tunduk pada perilaku sinyal frekuensi tinggi khusus disebut saluran transmisi. Efek saluran transmisi hanya signifikan ketika panjang interkoneksi setidaknya seperempat dari panjang gelombang sinyal; dengan demikian, kita tidak perlu khawatir tentang properti gelombang kecuali kita bekerja dengan frekuensi tinggi atau interkoneksi yang sangat lama.

Refleksi
Refleksi, refraksi, difraksi, gangguan — semua perilaku gelombang klasik ini berlaku untuk radiasi elektromagnetik. 

Tetapi pada titik ini kita masih berurusan dengan sinyal listrik, yaitu sinyal yang belum diubah oleh antena menjadi radiasi elektromagnetik, dan akibatnya kita hanya perlu memikirkan dua di antaranya: refleksi dan interferensi.

Kami umumnya menganggap sinyal listrik sebagai fenomena satu arah; itu bergerak dari output satu komponen ke input komponen lain, atau dengan kata lain, dari sumber ke beban. Namun, dalam desain RF, kita harus selalu menyadari fakta bahwa sinyal dapat bergerak di dua arah: dari sumber ke beban, tentu saja, tetapi juga — karena pantulan — dari beban ke sumber.

Gelombang yang berjalan di sepanjang string mengalamicAdalah refleksi ketika mencapai penghalang fisik.

Analogi Gelombang Air
Refleksi terjadi ketika gelombang menemukan diskontinuitas. Bayangkan bahwa badai telah menghasilkan gelombang air besar yang merambat melalui pelabuhan yang biasanya tenang. Gelombang ini akhirnya bertabrakan dengan dinding batu yang kokoh. Kita secara intuitif tahu bahwa gelombang ini akan memantul dari dinding batu dan menyebar kembali ke pelabuhan. Namun, kita juga secara intuitif tahu bahwa gelombang air yang menerjang pantai jarang akan menghasilkan pantulan energi yang signifikan kembali ke laut. Kenapa bedanya?

Gelombang mentransfer energi. Ketika gelombang air merambat melalui air terbuka, energi ini hanya bergerak. Ketika gelombang mencapai diskontinuitas, gerakan energi yang halus terganggu; dalam kasus pantai atau dinding batu, perambatan gelombang tidak lagi memungkinkan. 

Tetapi apa yang terjadi pada energi yang ditransfer oleh gelombang? Itu tidak bisa menghilang; itu harus diserap atau tercermin. Dinding batu tidak menyerap energi gelombang, sehingga pantulan terjadi — energi terus merambat dalam bentuk gelombang, tetapi dalam arah yang berlawanan. Pantai, bagaimanapun, memungkinkan energi gelombang menghilang dengan cara yang lebih bertahap dan alami. Pantai menyerap energi gelombang, dan dengan demikian refleksi minimal terjadi.

Dari Air ke Elektron
Sirkuit listrik juga menghadirkan diskontinuitas yang memengaruhi perambatan gelombang; dalam konteks ini, parameter kritis adalah impedansi. Bayangkan sebuah gelombang listrik melintasi saluran transmisi; ini setara dengan gelombang air di tengah lautan. 

Gelombang dan energi terkaitnya merambat dengan lancar dari sumber ke beban. Namun, akhirnya, gelombang listrik mencapai tujuannya: antena, amplifier, dll.

Kita tahu dari halaman sebelumnya bahwa transfer daya maksimum terjadi ketika besarnya impedansi beban sama dengan besarnya impedansi sumber. (Dalam konteks ini "impedansi sumber" juga dapat merujuk pada karakteristik impedansi saluran transmisi.) 

Dengan impedansi yang cocok, benar-benar tidak ada diskontinuitas, karena beban dapat menyerap semua energi gelombang. Tetapi jika impedansinya tidak cocok, hanya sebagian energi yang diserap, dan energi yang tersisa dicerminkan dalam bentuk gelombang listrik yang bergerak ke arah yang berlawanan.

Jumlah energi yang dipantulkan dipengaruhi oleh keseriusan ketidakcocokan antara sumber dan impedansi beban. Dua skenario terburuk adalah sirkuit terbuka dan sirkuit pendek, masing-masing sesuai dengan impedansi beban tak terbatas dan impedansi beban nol. 

Kedua kasus ini mewakili diskontinuitas total; tidak ada energi yang dapat diserap, dan akibatnya semua energi tercermin.

Pentingnya Pencocokan
Jika Anda bahkan pernah terlibat dalam desain atau pengujian RF, Anda tahu bahwa pencocokan impedansi adalah topik diskusi yang umum. Kita sekarang memahami bahwa impedansi harus dicocokkan untuk mencegah refleksi, tetapi mengapa begitu banyak kekhawatiran tentang refleksi?

Masalah pertama adalah efisiensi. Jika kita memiliki penguat daya yang terhubung ke antena, kita tidak ingin setengah dari daya output dipantulkan kembali ke penguat. 

Intinya adalah untuk menghasilkan tenaga listrik yang dapat dikonversi menjadi radiasi elektromagnetik. Secara umum, kami ingin memindahkan daya dari sumber ke beban, dan ini berarti bahwa refleksi harus diminimalkan.

Masalah kedua sedikit lebih halus. Sinyal kontinu yang ditransfer melalui saluran transmisi ke impedansi beban yang tidak cocok akan menghasilkan sinyal pantulan yang kontinyu. Peristiwa dan gelombang pantulan ini saling berpapasan, bergerak berlawanan arah. Interferensi menghasilkan gelombang berdiri, yaitu, pola gelombang stasioner sama dengan jumlah kejadian dan gelombang yang dipantulkan. 

Gelombang berdiri ini benar-benar menciptakan variasi puncak-amplitudo sepanjang panjang fisik kabel; lokasi tertentu memiliki amplitudo puncak yang lebih tinggi, dan lokasi lain memiliki amplitudo puncak yang lebih rendah.

Gelombang berdiri menghasilkan tegangan yang lebih tinggi dari tegangan asli dari sinyal yang ditransmisikan, dan dalam beberapa kasus efeknya cukup parah sehingga menyebabkan kerusakan fisik pada kabel atau komponen.

Kesimpulan

* Gelombang listrik dapat mengalami pantulan dan gangguan.

* Gelombang air memantul ketika mencapai penghalang fisik seperti dinding batu. Demikian pula, refleksi listrik terjadi ketika sinyal AC menemukan diskontinuitas impedansi.

* Kita dapat mencegah refleksi dengan mencocokkan impedansi beban dengan impedansi karakteristik saluran transmisi. Ini memungkinkan beban menyerap energi gelombang.

* Refleksi bermasalah karena mengurangi jumlah daya yang dapat ditransfer dari sumber ke beban.

* Refleksi juga menyebabkan gelombang berdiri; bagian amplitudo tinggi dari gelombang berdiri dapat merusak komponen atau kabel.

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan