[科普]来射频微波世界一游:①啥是驻波?

射频美学 2023-06-06 06:02

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序言:站在宇宙的角度看,人是渺小的。站在频域的角度上看,可见光的频带是极窄的。在可见光的频带下游,有个人眼无法察觉的微波世界,它真实存在又至关重要。看不见的它似乎难以捉摸,可要是我们能看见呢?建此专栏带同学们一览这魔法世界的神奇。


类比、演示和“所有都被一笔带过”的公式


类比:让我们先回到高中的物理课上,物理老师出了一道实践题:

      你有以下物件,请点亮灯泡:①电池*1 ②导线*2 ③灯泡*1

      实操:

      我们拿导线1连上电池的正极和灯泡的正,然后再拿导线2连上电池的负极和灯泡的负,当导线2刚和灯泡有效接触的瞬间:

      只听一声啪!很快啊,灯泡瞬间就亮了。如果忽略灯泡发亮的过程、灯光传输到眼睛和眼睛反应的时间,那么这个时隙就是电传播所需时间,接近光速。 

      那么对应地来到RF领域(名词解释):

      灯泡→负载:用来消耗传输线从源处传输过来的能量

      电池→信号源:由晶振加电发生,再经变频和放大到需要的功率。一般直

                            接看最后一级功放的输出功率是多少dBm

      导线1→信号线:大部分情况下认为只有它是带电的。

      导线2→返回路径:大部分情况下认为它不带电,作为信号线上电平的参                                     考地,必须与信号线构成回路,负载才能工作

    简而言之:

    负载两侧的电压差驱动其运行,持续的电压差需负载和源形成回路

         

     演示:那我们把频率f升高看看会如何呢?有个很明显的特征是,导体上的电压不再是低频和直流状态下的处处相等,反而是出现时而正时而负的正弦特性,这就是长线效应:


                     当导体长度=20mm,频率1MHz时,轴向几乎处处相等的电场(短线)


        当导体长度=20mm,频率100GHz时,电场在轴向成正弦分布,像一串行走的糖葫芦(长线)

此时再来看传输线,不能再之前那么理想了。我们截取一段长度▲z长度的传输线来分析这均匀的分布参数,有导体自身的自感L0,有导体电阻R0,信号线和回路间的物理结构是导体+介质+导体,天然就是个电容C0,导体之间虽有绝缘介质却也不是1个电子都不能通过,故有电导G0,那么传输线模型就建好了。

      让我们跳过基尔霍夫原理方程-跳过电报方程-跳过推导直接得到这个至关重要的公式,并记住一个结论:

       传输线的特征阻抗等于单位电感除以单位电容再开根号。传输线的特征阻抗和源的内阻及负载的阻抗相同时称为匹配,能量可以完美的传输,其它情况统称不匹配,能量会以各种形式反射回去。

       驻波:当反射足够强到全反射时,会在电缆的轴向上看到有些地方的电场永远为零,有些地方永远是最强场强处,电磁波不走了,仿佛停滞在这里。

       接下来让我们来看看这些传输线的状态:

传输线模型:源及传输线均为50欧姆,端口处为源是信号进入点,中间                        铜色柱为内导体+电阻模型,外导体未显示出来,默认淡蓝
                      色空气外均为理想导体,通过对电阻赋不同的值来演示

    电阻=50Ω,LOAD行波状态:电磁波从源产生,像行走一样到负载处被完全吸收


   电阻=0Ω,SHORT驻波状电磁波从源产生,0电阻强行把此处电压拉到0,故从电阻处存在波节点

          电阻=100kΩ,近OPEN驻波状电磁波从源产生,大电阻几乎开路,此处存在波腹点

电压驻波比:大多数时候传输线状态介于行波和驻波之间,总会有点反射,此时还会有也许无法观察到的驻波,我们把驻波波腹电压与波节电压幅度之比叫做电压驻波比。



补充解释:

        电流传输速度非电子移动速度,可理解为推动一排电子沿着传输线产生电压的速度            真负载:RF领域的真负载指天线,之所以把信号调制到高频只是为了 发射,

                    理想中的天线应该把接收的能量完全辐射到指定范围

        假负载:指只是用来吸收RF能量而无实际作用,RF能量进入假负载后

                     能量大多转换为热

       平衡与不平衡:大部分情况我们认为地上不带电,其实质是由于信号线与返回路                                    径的结构导致,当交变的电磁场未能整体激起地上的电压波动时,

                               我们认为它不带电。不平衡模式多出现在同轴线、微带线等地相对                                   信号线非常大的情况,平衡模式常出现在巴伦、双线系统这种信号

                               线和返回路径尺寸相比拟时。带地的差分传输系统另谈。

     



——END——




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