Dziwne dopasowanie w układach radiowych

Nadal przedstawiam podstawowe informacje na temat rezystancji (impedancji) falowej oraz dopasowania falowego. Wcześniej pokazałem odbicia impulsów elektrycznych, natomiast w tym artykule zajmiemy się ważnymi aspektami dopasowania falowego w układach i systemach radiowych, gdzie sygnały są ciągłe.

Podstawą „elektroniki radiowej” jest zaakceptowanie faktu, że energia elektryczna, a raczej elektromagnetyczna zawsze przekazywana jest w sposób bezprzewodowy, falowy. Nierozłącznie wiąże się z tym problem zjawisk falowych, głównie odbić. W poprzednich artykułach serii przedstawiłem przykłady (nie)dopasowania falowego, głównie w obwodach impulsowych. W ostatnim zająłem się aspektami dopasowania w obwodach „radiowych”. W tym artykule pokażę dwa inne dziwne sposoby dopasowania falowego. Po omówieniu tych kwestii możemy zająć się dopasowaniem energetycznym oraz dopasowaniem szumowym.

W poprzednim artykule tej serii omówiłem dwa sposoby dopasowania falowego: za pomocą rezystorów oraz transformatora. Oba sposoby są szerokopasmowe. Dopasowanie szerokopasmowe ma swoje zalety, ale w wielu systemach radiowych i mikrofalowych nie jest ani konieczne, ani potrzebne, jeżeli te systemy wykorzystują tylko jedną częstotliwość lub wąskie pasmo częstotliwości. Wtedy można wykorzystać inne, wąskopasmowe sposoby dopasowania falowego.

Dziwne dopasowanie w układach radiowych

Przypominam, że do uzyskania pełnego dopasowania falowego danego kabla (linii transmisyjnej, linii długiej), czyli do zachowania „ulubionego przez ten kabel” stosunku E / H czyli U / I, należy zapewnić ciągłość impedancji na obu jego końcach. Kabel „musi widzieć z obu stron” impedancję równą jego impedancji (rezystancji charakterystycznej). Można to uzyskać w dowolny sposób, także bez rezystorów i bez transformatora.

I właśnie w technice radiowej często interesuje nas dopasowanie tylko dla jednej częstotliwości, a raczej dopasowanie w stosunkowo wąskim paśmie częstotliwości, a wtedy można wykorzystać jeszcze inne zaskakujące, dziwne, słabo rozumiane i na pozór „magiczne” sposoby dopasowania.

W tym cyklu chcę jak najprościej przedstawić elementarne podstawy techniki radiowej, dlatego piszę głównie o rezystancji, a jeśli tylko można, pomijam reaktancję i impedancję.

Ale teraz chcę omówić kolejny sposób dopasowania falowego i tu reaktancji nie da się pominąć. Ale najpierw wróćmy do omówionego w poprzednim artykule dopasowania za pomocą rezystorów. Na rysunku 1 przypominam sposób dopasowania falowego za pomocą rezystancji i rezystorów.

Teraz do dopasowania falowego zamiast rezystancji chcemy wykorzystać reaktancję, według rysunku 2. Zaskakujące jest to, że konfiguracja takiego reaktancyjnego obwodu typu L, jest niejako odwrotna niż przy wykorzystaniu rezystorów! Do dyspozycji mamy reaktancję pojemnościową kondensatora (X_C) i reaktancję indukcyjną cewki (X_L). Co ogromnie ważne, w (idealnych) cewkach i kondensatorach nie występują straty mocy, więc teoretycznie taki sposób dopasowania falowego jest bezstratny.

W bardzo nielicznych praktycznych przypadkach, w obwodzie dopasowującym, według rysunku 2 mogłyby pracować jednakowe reaktancje (X_C albo X_L), ale tylko w niektórych. Zdecydowanie mniej ograniczeń występuje w obwodach, gdzie wykorzystuje się cewkę i kondensator. Co ciekawe i trochę zaskakujące, dopasowanie można uzyskać zarówno w obwodzie z rysunku 3a, jak też z rysunku 3b.

Z uwagi na kształt nazywamy je właśnie obwodami typu L. A jak działa takie dopasowanie?

Cewka i kondensator dla przebiegów sinusoidalnie zmiennych przedstawiają sobą pewną oporność – reaktancję. Pierwsze skojarzenie to proste zastąpienie stratnych rezystancji R przez bezstratne reaktancje X. Nie należy jednak dopatrywać się teraz podobieństwa do dopasowania za pomocą rezystancji, według rysunku 1. W omawianym teraz przypadku wykorzystania elementów reaktancyjnych, sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana. Choćby tylko dlatego, że reaktancja (X_C, X_L) nie jest stała, ale zależy od częstotliwości, a co ważniejsze, w grę wchodzi przesunięcie fazy o ćwierć okresu. Szczegółów nie można wytłumaczyć krótko, a ja w tym artykule tylko ogólnie sygnalizuję istnienie dziwnych sposobów dopasowania w układach radiowych.

Naprawdę nie ma sensu szukać podobieństwa do rysunku 1. Najprościej biorąc, w pierwszym zgrubnym przybliżeniu można sobie wyobrażać, że przy sposobie dopasowania według rysunku 3, elementy LC są dobierane tak, żeby stworzyć trochę nietypowy obwód rezonansowy o tak dobranych reaktancjach (X_C, X_L), żeby stosunki napięć i prądów były równe potrzebnym do dopasowania rezystancjom, czyli potrzebnym stosunkom U / I (E / H). W reaktancjach występuje wprawdzie przesuniecie fazy między napięciem i prądem, ale właśnie w warunkach rezonansu one się kompensują, znoszą i obwód rezonansowy ma wtedy charakter rezystancyjny.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w grudniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 12/2025). 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 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 12/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

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