Dopasowanie falowe – dlaczego i kiedy potrzebne?

Poniższy artykuł też jest częścią Radiowej Oślej Łączki. Wstępnie sygnalizuje kolejną ogromnie ważną kwestię dopasowania falowego. Tylko wstępnie sygnalizuje, ponieważ w grę wchodzi szereg aspektów teoretycznych oraz praktycznych. Ich pełne wyjaśnienie wymagałoby znacznie obszerniejszych informacji.

Wcześniej pisałem, że oprócz bezprzewodowego transferu energii, w ramach Radiowej Oślej Łączki trzeba omówić dwie najważniejsze kwestie: zjawiska falowe oraz problem dopasowania. Poprzedni artykuł tej serii nosi tytuł: Podstawowe zjawiska falowe.

Do omówienia pozostaje ogromnie ważny temat dopasowania, a właściwie trzy aspekty dopasowania: falowe, energetyczne i szumowe. W tym artykule omówię, a właściwie tylko zasygnalizuję kilka kwestii związanych z dopasowaniem falowym. W następnych zajmę się dopasowaniem energetycznym oraz dopasowaniem szumowym.

Dopasowanie falowe

Dopasowanie falowe dotyczy wszelkich fal, nie tylko fal elektromagnetycznych. Fale rozchodzą się w ośrodkach o jakichś właściwościach. Na przykład fale akustyczne, czyli dźwiękowe mogą rozchodzić się w powietrzu (w gazach), w wodzie (w cieczach), w betonie (w ciałach stałych). Właściwości ośrodka określają prędkość rozchodzenia się fal, ale co ważne, fale ulegają częściowemu, a nawet całkowitemu odbiciu na granicy ośrodków, na nieciągłościach, jakie spotkają na swojej drodze.

Czym większa różnica parametrów ośrodków, tym silniejsze odbicie. Chyba najprościej to zaobserwować na wybetonowanym brzegu morza, jeziora czy stawu. Fale na wodzie odbijają się od betonowego nabrzeża jak od lustra. Można powiedzieć, że odbijają się całkowicie i zmieniają kierunek na przeciwny.

I dokładnie tak samo jest z  z falami elektromagnetycznymi. I to nie tylko z falami radiowymi, rozchodzącymi się na ogromne odległości w wolnej przestrzeni. Nieprzypadkowo w szeregu artykułów do znudzenia przekonywałem do koncepcji Faradaya, Maxwella i Poyntinga, że energia elektromagnetyczna zawsze jest przekazywana bezprzewodowo, także wtedy, gdy wykorzystujemy przewody. Przypominam, że prąd elektryczny, rozumiany jako (ślimaczy) ruch elektronów, nie przenosi energii, a jedynie nierozerwalnie związany jest z czymś takim jak pole magnetyczne. Z kolei napięcie elektryczne występujące między przewodami ma nierozerwalny związek z polem elektrycznym. I zawsze, także w przypadku użycia przewodów, energię przenosi połączenie pola elektrycznego i magnetycznego, zgodnie ze wzorem Poyntinga. I zawsze następuje to w sposób falowy. Energia nie jest przekazywana wskutek przemieszczania czegoś (fluidu, elektronów), tylko wskutek specyficznych drgań.

Ogólnie biorąc, jeżeli energia elektromagnetyczna jest przesyłana na odległość, to zależy nam na dopasowaniu falowym, czyli na tym, żeby na całej trasie nie było nieciągłości, czyli zmiany właściwości toru, powodujących odbicia przesyłanej energii sygnału. Dlaczego jednak nie zwracamy na to uwagi przy prądzie stałym i przy małych częstotliwościach?

Dopasowanie w technice radiowej i komputerowej

Zjawiska falowe są powszechne i dotyczą nie tylko fal radiowych, które zresztą są szczególnym przypadkiem pola elektromagnetycznego.

Zjawiska falowe, w tym odbicia, dotyczą wszelkich przypadków przekazywania energii elektromagnetycznej, także za pomocą przewodów, czyli w obecności napięcia i prądu elektrycznego. I zawsze to przekazywanie energii elektromagnetycznej następuje z prędkością bliską prędkości światła. Tylko rzadko widzimy te zjawiska, bo w grę wchodzi przede wszystkim długość kabla, a także prędkość światła i długość fali, inaczej mówiąc prędkość światła i częstotliwość. Najprościej biorąc, jeżeli przesyłamy energię na bliskie odległości, krótsze niż 1/10 długości fali, to zjawiska falowe możemy pominąć.

Mam nadzieję, że definicja długości fali jest znana wszystkim Czytelnikom, ale na wszelki wypadek przypominam ją na rysunku 1.

Wbrew pozorom, także ten szczegół jest dość dziwny i skomplikowany, ale w pierwszym przybliżeniu możemy przyjąć, że długość fali, wyrażana w metrach, oznaczana literką λ (lambda), jest wyznaczona zależnością:

λ = v / f czyli λ = v ꞏ T

gdzie v to prędkość (fazowa) fali, f to częstotliwość, T – okres drgań. Dla fal elektromagnetycznych w próżni prędkość v to prędkość światła c, (300 000 000 m/s) co daje popularne wzory:

λ = c / f oraz f = c / λ

W przypadku fali dźwiękowej prędkość v jest wielokrotnie mniejsza, około 340 m/s, dlatego przy tej samej częstotliwości f długość fal dźwiękowych jest nieporównanie krótsza niż fal elektromagnetycznych. Przykładowo fala dźwiękowa o częstotliwości 50 Hz ma długość około 6,8 metra.

Natomiast (teoretyczna) długość fali elektromagnetycznej 50 Hz wynosi 6000 kilometrów. Fale o tej częstotliwości występują w sieciach energetycznych a my mamy do czynienia z „krótkimi” sieciami, więc zwykle o zjawiskach falowych w energetyce w ogóle nie wspominamy. Tak, ale nie można ich pominąć – dają o sobie znać w najdłuższych przesyłowych liniach energetycznych. Ale to jest ból głowy dla bardzo wąskiego grona specjalistów.

Tym bardziej nie można pominąć zjawisk falowych przy o wiele wyższych częstotliwościach radiowych, gdy długość fali elektromagnetycznej jest rzędu metrów lub mniej. I to jest bardzo ważny szczegół: w praktyce dopasowanie falowe dotyczy sytuacji, gdy przesyłamy energię elektromagnetyczną na „większe” odległości. Celowo zastosowałem cudzysłów, bo określenie „większe” jest względne: dla częstotliwości sieci energetycznej 50 Hz „większe” oznacza co najmniej kilkaset kilometrów, a przykładowo dla instalacji anten satelitarnych „większe” oznacza odległości rzędu pojedynczych centymetrów. Brak dopasowania falowego powoduje występowanie odbić, a to, najprościej biorąc, oznacza straty i zniekształcenia sygnału, niepełne wykorzystanie możliwości systemu, a w skrajnym przypadku odbicia w systemach nadawczych mogą doprowadzić do przegrzania i uszkodzenia.

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w czerwcowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 6/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 6/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu zawsze wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 6/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.