RF Zirkuituaren diseinuan hausnarketak eta zutik dauden olatuak ulertzea

Bizitza Errealeko RF seinaleak
Maiztasun handiko zirkuituaren diseinuak bi fenomeno garrantzitsu baina misteriotsu bat izan behar du kontuan: hausnarketak eta zutik dauden uhinak.

Gure zientziaren beste adar batzuen esposiziotik badakigu olatuak portaera mota bereziekin lotuta daudela. Argi uhinek errefraktatzen dute euskarri batetik (airean adibidez) beste medio batera (adibidez, beira) mugitzen direnean. 

Ur olatuek itsasontzi edo arroka handiekin topo egiten dute. Soinu-uhinek oztopatzen dute bolumenaren aldaketak (ondorioz "taupadak").

Uhin elektrikoak normalean seinale elektrikoekin lotzen ez ditugun portaeraren menpe daude. Hala ere, ez da harritzekoa elektrizitatearen uhinaren izaera orokorra, zirkuitu ugaritan efektu horiek arduragarriak edo ez baitira. 

Digitala edo frekuentzia baxuko analogikoko ingeniari batek urteak daramatza lan egiten eta sistema arrakastatsu asko diseinatzen ditu maiztasun handiko zirkuituetan nabarmen bilakatzen diren uhin-efektuak hobeto ulertu gabe.

Aurreko orrialdean eztabaidatu genuen bezala, maiztasun handiko seinale portaera berezi baten menpe dagoen interkonexioari transmisio linea deritzo. Transmisio-linearen efektuak adierazgarriak dira interkonexioaren luzera seinalearen uhin-luzeraren heren bat gutxienez; beraz, ez dugu olatuen propietateez kezkatu behar, maiztasun altuekin edo oso interkonexio luzeekin lan egiten ez badugu.

hausnarketa
Hausnarketa, errefrakzioa, difrakzioa eta interferentziak. Uhin-portaera klasiko horiek guztiak erradiazio elektromagnetikoei aplikatzen zaizkie. 

Oraindik une honetan seinale elektrikoei buruz ari gara, hau da, antenak oraindik erradiazio elektromagnetiko bihurtu ez dituzten seinaleei eta, horregatik, bi horiei buruz arduratu besterik ez dugu egin behar: isla eta interferentzia.

Oro har, seinale elektriko bat norabide bakarreko fenomeno gisa pentsatzen dugu; osagai baten irteeratik beste osagai baten sarrerara bidaiatzen du, edo beste modu batera esanda, iturri batetik karga batera. RF diseinuan, hala ere, beti izan behar dugu seinaleek bi norabideetan bidaiatzeko aukera dutela: iturritik kargura, zalantzarik gabe, baina baita ere, hausnarketak direla eta, kargutik iturrira.

Olatuak katea zeharkatzen ducisla da hesi fisikoa lortzen duenean.

Uraren Olatuen Analogia
Uhinak etenik gabe topatzen duenean gertatzen dira gogoetak. Imajinatu ekaitz batek ur olatu handiak sortu dituela normalean portu lasaian. Olatu hauek azkenean harkaitz sendo batekin talka egiten dute. Badakigu intuizioz olatu horiek harkaitz hormatik islatuko direla eta atakarantz hedatuko direla. Hala ere, intuitiboki badakigu hondartzara ur-uhinak isurtzen dituztela gutxitan sor daitekeela energia islatzeko ozeanorantz. Zergatik aldea?

Olatuek energia transferitzen dute. Ur olatuak uretara zabaltzen direnean, energia hori mugitzen ari da. Olatua etenik gabe iristen denean, ordea, energia mugimendu leuna eten egiten da; hondartza edo harkaitz baten kasuan, olatuen hedapena ezinezkoa da. 

Baina zer gertatzen da uhina transferitzen ari zen energiarekin? Ezin da desagertu; xurgatu edo islatu behar da. Harrizko hormak ez du olatuen energia xurgatzen eta, beraz, isla gertatzen da: energia uhin-forma hedatzen jarraitzen du, baina kontrako norabidean. Hondartzak, ordea, olatuen energia modu mailakatu eta naturalago batean xahutzeko aukera ematen du. Hondartzak olatuaren energia xurgatzen du eta, beraz, gutxieneko gogoeta gertatzen da.

Uretatik Elektroietara
Zirkuitu elektrikoek uhinen hedapenean eragina duten etenak ere aurkezten dituzte; testuinguru horretan, parametro kritikoa inpedantzia da. Imajinatu uhin elektriko bat transmisio-lerro batetik behera bidaiatzen; hau ozeanoaren erdian dagoen uhinaren baliokidea da. 

Olatua eta horri lotutako energia modu errazean ari dira hedatzen iturritik kargura. Azkenean, ordea, uhin elektrikoa helmugara iristen da: antena, anplifikadorea, etab.

Aurreko orrialde batetik badakigu potentzia transferentzia maximoa karga-inpedantziaren magnitudea iturriaren inpedantziaren magnitude berdina denean gertatzen dela. (Testuinguru horretan, "iturri-inpedantzia" transmisio-lerro baten inpedantzia ezaugarria ere aipa daiteke.) 

Parekatutako inpedantziekin, benetan ez dago etenik, kargak uhinen energia guztia xurgatu dezakeelako. Baina inpedantziak parekatzen ez badira, energia zati bat bakarrik xurgatzen da, eta gainerako energia kontrako noranzkoan ibiltzen den uhin elektriko baten islaren isla da.

Islatutako energia-kantitateak iturriaren eta karga-inpedantziaren arteko desorekaren larritasunak eragiten du. Bi kasurik okerrenak zirkuitu irekia eta zirkuitu laburra dira, karga inpedantzia infinituari eta zero karga-inpedantziari dagozkienak, hurrenez hurren. 

Bi kasu horiek erabateko etenaldia adierazten dute; ezin da energia xurgatu eta, ondorioz, energia guztia islatzen da.

Loturaren garrantzia
RF diseinuan edo probetan parte hartu baduzu ere, badakizu inpedantziarekin bat egitea eztabaidarako gai ohikoa dela. Orain ulertzen dugu inpedantziak parekatu behar direla hausnarketak ekiditeko, baina zergatik hainbeste kezka hausnarketekin?

Lehen arazoa eraginkortasuna besterik ez da. Antena batera konektatutako potentzia anplifikadorea badugu, ez dugu irteeraren potentziaren erdia anplifikadorera islatu nahi. 

Puntu osoa erradiazio elektromagnetiko bihur daitekeen energia elektrikoa sortzea da. Orokorrean, energia iturritik kargatzera eraman nahi dugu, eta horrek esan nahi du hausnarketak minimizatu behar direla.

Bigarren alea sotilagoa da. Transmisio-lerro baten bidez karga inpedantzia bateratu batera transferitutako seinale jarraitua islatuko den seinale jarraitua izango da. Gorabehera eta islatutako olatuek elkar pasatzen dute, kontrako norabideetan joanda. Interferentziak uhin geldi bat sortzen du, hau da, uhin geldoaren patroiak gertakariaren baturaren eta islatutako uhinaren berdina. 

Zutik dagoen uhin honek kablearen luzera fisikoaren zehar gailur-anplitude aldaketak sortzen ditu; zenbait kokapenek altuera handiagoa dute eta beste kokapen batzuek altuera txikiagoa.

Zutik dauden uhinek igortzen den seinalearen jatorrizko tentsioa baino altuagoak diren tentsioak sortzen dituzte eta zenbait kasutan eragina nahikoa larria da kableetan edo osagaietan kalte fisikoak eragiteko.

Laburpena

* Uhin elektrikoak isla eta interferentziaren menpe daude.

* Ur-uhinek oztopo fisiko batera heltzen direnean islatzen dute harrizko horma bat. Era berean, hausnarketa elektrikoa gertatzen da AC seinale batek inpedantzia eten egiten duenean.

* Hausnarketa ekidin dezakegu, karga-inpedantzia transmisio-linearen inpedantzia ezaugarriarekin bat eginez. Horri esker, kargak olatuen energia xurgatzeko aukera ematen du.

* Hausnarketak problematikoak dira, iturritik kargatu daitekeen potentzia kopurua murrizten dutelako.

* Hausnarketak zutik dauden uhinak ere sor ditzake; zutik dagoen olatu baten anplitude altuko zatiek osagaiak edo kableak kaltetu ditzakete.

Utzi mezu bat 

Mezu zerrenda