Dopasowanie falowe… widziane z innej strony

We wcześniejszych artykułach serii omówiłem podstawowe informacje na temat rezystancji (impedancji) falowej oraz dopasowania falowego. W tym artykule spróbujemy spojrzeć na dopasowanie falowe z jeszcze innej strony oraz wrócimy do sposobów dopasowania w układach cyfrowych za pomocą rezystancji.

Podstawą „elektroniki radiowej” jest zaakceptowanie faktu, że energia elektryczna, a raczej elektromagnetyczna zawsze przekazywana jest w sposób bezprzewodowy, falowy, jako energia swego rodzaju drgań. Nierozłącznie wiąże się z tym problem zjawisk falowych, w szczególności odbić. W poprzednim artykule serii przedstawiłem kilka interesujących przypadków (nie)dopasowania falowego, a w tym, zgodnie z obietnicą, na kwestię dopasowania spojrzymy z jeszcze innej strony. W następnym omówię różne sposoby dopasowania falowego, a potem zajmiemy się dopasowaniem energetycznym oraz dopasowaniem szumowym.

Na razie mówimy o dopasowaniu falowym, czyli w sumie o tym, żeby przy przesyłaniu energii elektromagnetycznej nie było odbić. Czy to takie ważne?

Nie jest ważne przy przesyłaniu energii elektromagnetycznej na „małe odległości”, a bardzo ważne w technice radiowej i w technice cyfrowej. Fotografia 1 przekonuje, że odbicia wynikające z niedopasowania falowego deformują „szybkie” sygnały cyfrowe, co niewątpliwie może spowodować i rzeczywiście powoduje pojawienie się błędów, a może nawet uniemożliwić działanie.

Trudniej pokazać skutki odbić w przypadku techniki radiowej, gdzie nie mamy do czynienia z „ostrymi” impulsami, tylko głównie z przebiegami sinusoidalnymi lub podobnymi do nich. Ale i tam odbicia oznaczają zniekształcenia przetwarzanych sygnałów, a ponadto powodują niepotrzebne, dodatkowe marnowanie energii. Dopasowaniem w układach w.cz. nieco bliżej zajmiemy się w następnym artykule tej serii. A na razie omawiamy podstawy.

Czym tak naprawdę jest rezystancja falowa?

Jeszcze raz powtarzam, że to, o czym teraz mówimy, to „czarna magia” dla elektryków, wychowanych na fałszywych wyobrażeniach opartych na pracach i prawie Ohma sprzed 200 lat. My nie będziemy mieć problemu, jeśli po pierwsze zaakceptujemy falowy sposób przekazywania energii, a po drugie jeżeli raz na zawsze „odczepimy się” od rezystancji (oporności) rozumianej jako „przeciwstawianie się”. Nieprzypadkowo już we wcześniejszych artykułach sygnalizowałem, że oporność to „okoliczności przesyłania energii elektromagnetycznej” i że jest to stosunek natężenia pola elektrycznego i pola magnetycznego. Nazywamy to ogólnie opornością, a ściślej impedancją.

Oporność – impedancja dotyczy wszelkich przypadków przesyłania energii elektromagnetycznej, także w próżni (impedancja falowa próżni to około 377 Ω, przynajmniej dla fal płaskich TEM). Ale nas teraz interesuje przesyłanie energii elektromagnetycznej z wykorzystaniem przewodów: najróżniejszych kabli oraz ścieżek na płytkach drukowanych.

Kable czy ścieżki po pierwsze okazują się liniami opóźniającymi. Po drugie energia może odbijać się od ich końców. Spośród kabli w pewnym sensie najprostszy i najlepszy jest wynaleziony przez Olivera Heaviside’a kabel współosiowy czyli koncentryczny (przykład na fotografii 2), bo jak pokazuje rysunek 3 i pole elektryczne, i magnetyczne zawiera się tam wewnątrz kabla, co jest zaletą z kilku względów.

I tu dochodzimy do rezystancji (impedancji) falowej: w kablu impedancja charakterystyczna (falowa) określa „ulubiony”, „naturalny” stosunek natężeń pola elektrycznego E i magnetycznego H przy przesyłaniu energii z wykorzystaniem tego kabla.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się we wrześniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 9/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 9/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.