Joskus kun lueskelin gyraattoreista, hakkureista, antenneista ja impedanssisovituksesta vähän ajan sisällä, tuli mieleen että ehkäpä noita käsitteitä voisi jotenkin liittää yhteen. Tämä on taas sellainen idea josta ei ole yhtään mitään hajua toimiiko se edes teoriassa, mutta pakkohan se on kirjata ylös silti ennen kuin unohtuu.
Antennin viritys tarkoittaa, että se saadaan resonoimaan tietyllä taajuudella, ainakin jossain määrin. Pohjimmiltaan yritämme saada käytetyllä taajuudella antennin kapasitanssin ja induktanssin sellaiseen tasapainoon, että resonanssiehto toteutuu: jännitteet ja virrat voivat erota kapasitanssin ja induktanssin muuttuessa, mutta aina löytyy kompensoiva arvo jompaa kumpaa joka saa antennin ominaisimpedanssin menemään puhtaan resistiiviseksi annetulla taajuudella. Parasta olisi jos antenni resonoisi ihan fyysisistä mitoistaan, koska virittäminen on tietyssä mielessä vähän kentän pakottamista ja johtaa suurempiin häviöihin kun energiaa pumpataan edestakaisin virityspiirin ja antennin välillä yli häviöllisen resistanssin. Mutta kyllä se silti resonoimaan saadaan, eikä parempaa oikein oo tehtävissä jos antenni on tietynlainen ja -kokoinen, käytännön syistä. "We'll use what we're given, and we'd better."
Impedanssisovitus on hieman eri asia joskin läheinen käsite. Antennitkin ovat suurikokoisina jonkin sortin maksimaalisen häviöllisiä, säteileviä aaltojohtimia osin. Mutta impedanssisovituksella on erillinen merkityksensä jopa täysin häviöttömille johtimille. Pohjimmiltaan aaltojohtimet kuten pari- ja koaksiaalikaapeli ovat infinitesimaalisesti katsoen resonaattoreita, joilla on tietty hajautettu kapasitanssi ja induktanssi. Ne on jo sovitettu yhteen niin, että äärettömän pienessä pätkässä kaapelia nuo ovat tasapainossa, ja siksi se tavallinen aaltoliikkeen etenemisehto että on kaksi toisiensa kanssa oskilloivaa suuretta (tässä sähkö- ja magneettikenttä) pääsee toteutumaan. Mutta kuten viritettyjen antennienkin laajemmassa resonanssissa, tässäkin hajautetussa raamissa resonoivan induktanssin ja kapasitanssin suhde voi olla lähes mikä vain. Sen takia siirtolinjalla on ns. karakteristinen impedanssinsa, eli se kuinka suuri osa energiasta varastoituu pisteittäin jännitteeksi/sähkökentäksi/potentiaaliksi/"voimaksi"/"paineeksi", ja kuinka suuri osa virraksi/magneettikentäksi/gradientiksi/"nopeudeksi"/"virtaukseksi". Esim. 50Ω:in koksissa jännitteen suhde virtaan on 2500, niin että energioiden/tehojen suhde on tietyssä täsmällisessä mielessä sen neliöjuuri, eli tuo 50, aivan kuten puhtaasti resistiivisessäkin tapauksessa. (Muista: teho skaalautuu jännitteen neliönä, koska se on jännite kertaa virta, ja tietty jännite ajaa tietystä vastuksesta lisäksi läpi tietyn virran; näissä vaihtovirta- ja radiohommissa lisäksi sitten vaihesiirto, joka johtaa loistehoon, ja jota tässä juuri yritetään sovituksella minimoida.)
Ideaalisessa siirtolinjassa signaali etenee tietyllä ominaisella nopeudellaan riippumatta siitä mikä linjan impedanssi on. Mutta jos impedanssi yhtäkkiä muuttuu, epäjatkuvuus tuottaa heijastuksen. Tästä me emme pidä, koska energia ei silloin mene kokonaisuudessaan läpi, heijastus voi tuottaa linjassa ikäviä resonansseja jotka kohottavat jännitteitä eli koettelevat komponenttien kestävyyttä sähkökentälle, ja tietysti virrat myös kasvavat samalla, jolloin häviö auttamatta mitättömänkin vastuksen kautta kertautuu paljon suuremmaksi resistiiviseksi hukaksi. (Ilmiö on täysin analoginen sille, kuinka tensiilivoimat (voima on jännitteen analogi, paine/tensiilimodulus kapasitanssin) ja massan hitaus (kineettinen energia on virran analogi, induktanssi massan/tiheyden) käyttäytyvät akustiikassa.) Niinpä olisi kiva että nuo epäjatkuvuudet saataisiin jotenkin sovitettua—mekaanisessa analogiassa "vivuttua"—pois. Se poistaisi heijastukset, ja mahdollistaisi parhaan mahdollisen energiansiirron.
Tavalliset keinot tehdä tuo ovat laajemmalla kaistalla muuntaja, ja kapeammalla kaistalla erilaiset resonantit rakenteet. Jälkimmäiset ovat erityisen olennaisia korkeataajuussovelluksissa, koska muuntajat ovat jatkuvasti häviöllisempiä mitä korkeammalle taajuudessa mennään. Niistä on myös vaikeaa rakentaa tehokkaita käyttämättä hyväksi ferromagneettisia materiaaleja, jotka sitten puolestaan tuottavat signaalia sotkevaa epälineaarisuutta. Suo siellä, vetelä täällä, kuten aina.
Helpoimpien, resonanssiin luottavien sovituspiirien ongelmana sitten yleisesti on, ettei tahdo oikein löytyä riittävän ideaalisia reaktiivisia komponentteja niiden toteuttamiseen. Isoin päänsärky yleensä on, että suuria, tarkkoja, riittävän häviöttömiä induktansseja ei tahdo löytyä, joskin vastaavasti myös kapasitorien/kondensaattoreiden jännitteensieto saattaa sotkea ajopuuteorian. Ylipäänsä, vaikka riittävästi komponentteja sisältävillä verkoistoilla olisi mahdollista teoriassa impedanssisovittaa piirejä laajemmankin kaistanleveyden yli, käytännössä analogisten komponenttien toleranssit ja häviöt, eritoten suhteessa yleisesti käytettyjen signaalien suhteelliseen kaistanleveyteen, johtavat siihen että sovitus tehdään alhaisasteisena ja siksi kapeakaistaisena. Analogikomponentit kun ovat ainoa vaihtoehto silloin kun verkoston täytyy myös kyetä hetkellisesti resonansseissaan varastoimaan merkittäviä määriä reaalimaailman sähkömagneettista energiaa; siinä digitaalitekniikka ja matematiikka eivät viime kädessä voi hirvittävästi auttaa.
Kuitenkin, induktanssia pystyy matkimaan käyttämällä hyväksi kapasitanssia ja tiettyjä piirimuunnoksia. Pari sellaista ovat kapeakaistaisena erilaiset siirtolinjoilla toteutettavat resonanssirakenteet kun ne päästetään juuri 90 astetta epäsynkkaan sovituksesta, ja laajempikaistaisina negatiivi-impedanssivahvistin (yksiporttinen) sekä gyraattori (kaksiporttinen). Ensimmäinen on aidosti energiaa varastoiva järjestelmä, mutta kapeakaistainen. Jälkimmäiset kaksi ovat piiriteknisiä jippoja, jotka emuloivat laajakaistaisestikin tarvittua, reaktiivista impedanssia, eli siis taajuussidonnaista "vastusta" kaikkine vaihesiirtoineen.
Mutta vain emuloivat: jos jotain pitää ottaa emulaation niin vaatiessa signaalista pois, ne hukkaavat sen lämmöksi. Ja jos jotain pitää vastaavasti laittaa peliin takaisin lisää, se otetaan vahvistimen syöttötehosta erikseen. Mitään varastointia ei tapahdu, eli nuo piirit eivät kykene esimerkiksi tuottamaan niitä voimakkaita virtapiikkejä joita oikeat kapasitanssit kytkettynä oikosulkuun, tai niitä miehekkäitä korkeajännitepiikkejä joita avoimeen piiriin kytketyt induktanssit. Raja on molemmin päin siinä kuinka paljon jännitettä ja virtaa virtalähteesi kulloinkin pystyy antamaan, eikä se ole järin paljon. Tuo on aivan eri tasolla kuin ne energiamäärät joita voidaan varastoida tasavirrassa kelaan ja tasajännitteessä kondensaattoriin. Sitten varsinkin jännitteissä aivan eri juttu kuin mihin resonantit korkeataajuuspiirit rutiininomaisesti yltävät—vrt. Tesla-käämi, kymmenissä miljoonissa volteissaan. (Ja tietty tässä aina ArcAttack!).(Sivumainintana turvallisuudesta muuten, hyvin viritetyt sähköisesti lyhyet antennit, eritoten ohuina, on kaikkein vaarallisimpia: ne pakottaa radiokenttää korkeilla jännitteillä kun muutakaan eivät voi, ja sitten ohuutensa tähden niitten lähellä sähkökentät on jakautunu kaikkein pienimmälle alalle. Noi tuottaa välittömästi luuhun ulottuvia radiopalovammoja jos kosket itsesi osaksi sitä resonassipiiriä. Onneksi tosin kosketus pilaa piirin resonanssin, niin ettei sitä energiaa tule näpeille loputtomiin tai ihan kuitenkaan kerralla, ja mitä korkeampitaajuinen se kenttä on, sitä pinnemmaksi se energia ihmisen kaltaisessa suht'-johtavassa suolavesisäkissä jakautuu. Mutta samalla antenni kyllä dampattuna dumppaa koko seisovan energiansa suhun millisekunneissa, ja jos siellä takana on edes perusluokan amatöörin satawattinen vahvistin joka pumppaa jatkuvasti lisää tehoa sormille, vakavaa tuhoa on odotettavissa nopeasti. Eritoten jos kosket jänniteantinoodiin, niin että antenni kytkee enimmäkseen resistiivis–kapasitanssiseen ihmisruhoon niin tehokkaasti.)
Ylläoleva normianalyysi luottaa lineaarisuus- ja passiivisuusoletukseen. Samalla me kuitenkin tiedetään jo, että epälineaarisuudella voidaan tehdä ainakin virtalähteissä kiintoisia juttuja. Selvästi myös pienentää tarvittavien induktorien kokoa, koska korkeilla taajuuksilla jo pienikin induktanssi riittää jännitteen kohotukseen: siinä virta lähtee kiertämään nopeammin, jännite voi olla varsin korkea kun piiri avataan silti, ja siksi tyyliin buck–boost-piirit voivat hakkurivirtalähteissä kohottaa jännitteen kymmeniä kertoja suuremmaksi, kunhan hakkurin taajuus on vain riittävän korkea. Häviöitäkin voidaan vähentää, koska kun vaadittu induktanssi on alhainen, voidaan parhaimmillaan mennä jopa ilmatäytettyihin keloihin.
Hakkurit pohjimmiltaan nopeissa kytkinsiirtymissään siirtävät energiaa taajuudelta toiselle. Jos ne olisivat ideaalisia, äärettömän nopeita kytkimiä, ne pystyisivät oikeastaan siirtämään minkä vain kapeakaistaisen signaalin äärettömälle kaistanleveydelle: modulaatio puhtailla delta"funktioilla" (impulsseilla, täsmällisemmin idealisaatio matemaattisen distribuutioteorian deltafunktionaaleista) tuottaa periodisena periodisen kaistarajaamattoman signaalin rajatusta, ja sitten epäperiodisilla jonoilla voidaan päästä keskimäärin täysin tasaiseenkin taajuusvasteeseen.Käytännössäkin kaikenlaisia epätäydellisistä realisaatioista johdettuja monivaiheisempia kompensaatioarkkitehtuureja löytyy heikan meikat.
Yleensä hakkuripiirit analysoidaan niin, että ne ovat täysin yksisuuntaisia. Lähdemme kerran tasavirraksi tasoitetusta energianlähteestä, joka sitten hakataan korkeampitaajuiseksi, tasasuunnataan uudelleen, ja alipäästösuodatetaan. Mutta noin ei missään nimessä tarvitsisi olla. Lisäksi epälineaaristen hakkuriarkkitehtuurien ei tarvitse olla edes sitä vähää kaksisuuntaisia kuin passiivipiirien; ne voivat ihan vain kytkemällä halutusti piirejä puolelta ja toiselta pienenkin reaktiivisuuden läsnäollen välissä, jäljitellä laajoilla aika- ja taajuusalueilla tarkasti suunniteltuja epäsymmetrisiä impedansseja. Siirtää energiaa taajuusalueelta toiselle myös, laajakaistaisesti, ja teoreettisesti epäsymmetrisestikin, jos niin halutaan.
Tarkimmat—joskaan eivät nopeimmat—nykyiset analogi–digitaali–analogi-muuntimet perustuvat sigma–arkkitehtuuriin, jossa ylinäytteistetään, tehdään suurin osa anti–aliasing- ja -imaging-suodatuksesta digitaalisesti, ja sitten annetaan leppeän alhaisen asteen analogisuodattimen tehdä loput. Tuo on peruskuva varsinkin audiosignaalinkäsittelypuolelta johon tuota baseband-juttuna ekana sovellettiin, mutta sitten se vähemmän tunnettu puoli on, että oikeastaan sigma–delta-modulaatio soveltuu yleisesti kvantisointikohinan siirtämiseen kaistalta toiselle. Ainakin tietyissä rajoissa, ja oikein toteutettuna. Se voi siirtää kohinaa hyötykaistan sisälläkin, se on yhdistettävissä psykoakustiseen epälineaariseen prosessointiin kuten Sonyn Super Bitmappingissa, ja radiohommissa se aivan yhtä hyvin toimii niin että siirretään kvantisointikohina hyötykaistan alle, siinä missä yleensä audiossa ylle—merkittävä säästö komponenttien nopeudessa, ja analogisten suodattimien asteessa/hinnassa/tarkkuudessa. (Vrt. bandpass sampling; rajoittava tekijä on kytkimen nopeus, eli sen slew rate, jitter, kanavakapasitanssi, piirin läpimeno glitcheissä, ja kaikki se. Ihanteellisessa altanäytteistämisessä ΣΔ-arkkitehtuurit vähentävät jyrkästi ylintä vaadittua kytkemistaajuutta, ja yhdistettynä muihin aiempiin hakkuriperiaatteisiin, voivat johtaa jopa lähelle minimaalista. Jokainen kytkentätapahtumahan tuhlaa energiaa, koska vain jännitteen ja/tai virran yli kytkimen on niin että hukattu teho voi olla nolla; resonanteissa systeemeissä tätä käytetään hyväksi luokan F ja E radiovahvistimissa, joissa kytkentä tapahtuu suunnitellusti virran tai jännitteen nollakohdissa, aina.)
Ongelma kuitenkin on tuo energian varastointi. Sehän me jo tiedettiin, että analogiset passiivikomponentit voivat varastoida energiaa, siinä missä operaattorivahvistimin toteutettu gyraattori ei. Kun se on resistiivisesti toteutettu harha, joka syö virhettä ja korjaa vajeen uudella energialla syöttöjännitteestä.
Mutta mitäs jos me nyt sitten suunniteltaisiinkin se hakkuripiiri kaksisuuntaiseksi? Mitäs jos se voisi syödä suunnitellusti takaisinheijastunutta energiaa ja varata omaa resonanttia tankkipiiriään sillä? Sitten suunnitellusti kytkeä sen takaisin antenniin, kun aika on?
Käytännön toteutus voisi olla aika tuskainen, mutta teoriassa tuolle ei ole nähdäkseni mitään estettä. Se vaatisi jonkinlaisen kaksisuuntaisen, täyden ja täysin ohjatun siltakytkennän kahden eri resonantin piirin välille. Kun yksi haluaa luovuttaa energiaa toiselle, kytkimet antaisivat tehdä niin suuntaan kuten toiseenkin. Kun olisi aika ajaa piiriä, suuntaan tai toiseen, silta myötäisi ja tuottaisi yhdenpuolisesta tankkipiiristään tarvitun ajavan jännitteen, eli siis työntäisi energiaa resonantista systeemistä toiseen. Mahdollisesti hyvinkin korkeilla jännitteillä. Kun taas pitäisi hillitä toista piiriä, se voitaisiin kytkeä oikosulkuun toisen vastakkaista jännitettä vasten; kuten tunnettua, resonantit piirit voivat pienilläkin energioilla saavuttaa korkeita jännitteitä sekä virtoja, eritoten korkeilla taajuuksilla, joten isoakin piiriä voi kytkien "potkia" kunhan energiabudjetti vain on kohdallaan.
Vai olisiko kumpikaan piiri edes resonantti sitten? No ei täsmällisesti. Mutta eipä ole kyllä antennipiirikään; jos se olisi ihan vain täydellisessä, kapeakaistaisessa resonanssissa, se olisi piiriteknisesti avoin piiri resonanssitaajuudellaan. Siihen ei voisi syöttää energiaa. Me itse asiassa luotamme radiatiivisiin ja muihin häviöihin joka tapauksessa, jotka vievät piirin pois resonanssista, jotta ylipäänsä voimme syöttää siihen energiaa. Tai eristää päin vastoin energiaa jotenkin piiristä. Ideaalitapa sitten on käyttää mahdollisimman epälineaarista kytkentäelementtiä, kuten tässä, niin ettei jännitettä ja virtaa ole kytkentäelementin yli samaan aikaan, niin että tehohäviö minimoituu.
Jos noin voi tehdä yhden piirin kanssa kerrallaan, sen voi takuuvarmasti jollain siltakytkennällä tehdä myös yhteisesti kahden eri piirin välillä samaan aikaan. Mikä on mun ajatukseni sitten pohjimmiltaan tässä. Tuosta ajatuksesta taatusti päädytään siihen että ainakin matalajännitepuolella joudutaan lisäksi kertomaan virtoja ja/tai jännitteitä jotenkin, korkeahkoilla kytkentätaajuuksilla. Mutta kun jompi kumpi on kerran käytettävissä, energiaa varastoivana tekijänä, kytkin voi aina johtaa toisen, ja se voi tehdä niin ajastetusti juuri oikeaan aikaan.
Eli kuten sanottu, kytkin voi johtaa induktorin virrasta jännitettä, ja tarpeeksi korkeaan jännitteeseen ladatusta jännitteestä kapasitorin/kondensaattorin yli vaikka sen jännitepiikin joka katkaistu käämi tuottaa. Olennaista on vain se että tarvittava energia on varastoitu valmiiksi, ja se että kytkimet ovat riittävän nopeita tekemään työnsä. Että radiosuunnittelu on oikeaa, kaksisuuntaista, ja sigma–delta-henkistä: kun kytket, suodata oikein, vältä turhaa kytkemistä, ja pysäytä kytkentämelu/-kohina mahdollisimman häviöttömiin passiivisuodattimiin, mieluiten kohinansiirron (noise shaping) sekä alinäytteistyksen kautta (koska ylinäytteistys koettelee kytkinelementin taajuusrajoja itsessään).
Tämä olisi mahdotonta tehdä puhtaasti analogipuolella, edes takaisinsyöttökorjattuna. Digitaalipuolella varsinkaan, koska digitointiviive. Mutta pseudotakaisinsyöttö on digipuolella täysin mahdollista ja tehokasta. Me voidaan helposti mitata miten analogipiirit käyttäytyvät, ja rakentaa varsin kelvollinen yhdistelmä matala-asteista Volterra-kerneliä yhdistettynä korkea-asteiseen LTI-malliin, forward correctioniksi noille piireille. Meillä on tajuttomasti suorastaan pseudolineaarisia prioreita ja niiden matala-asteista epälineaarista korjausteoriaa vaikkapa audiosignaalinkäsittelypuolelta, joiden varassa optimoida koko homma läpi. Joten me voidaan helposti rakentaa hyvä ensimmäinen arvio siitä miten tommoset oudot, kaksisuuntaiset hakkuripiirit käyttäytyy, me tiedetään jo mitä niistä pitäisi mitata jotta niiden epätäydellisyydet saataisiin hallittua teoreettisesti, ja meillä on ihan riittävästi signaalinkäsittelytehoa sekä -teoriaa käytössä, että me voitais oikeesti toteuttaa jopa toi idea. Ei ehkä täydellisenä korjauksena, mutta ekaltakin hyvänä ja sitten itseoppivana, toteutuskelpoisena.
Ei niin hyvää ettei jotain pahaakin. Enkä ole taaskaan laskenut mitään vaan menen intuitiolla. Mutta… Tärkeimmät ongelmat taitaisivat olla:
- Kytkinten nopeus, eritoten sigma–delta-tyyppisissä jatkuvasti vemputtavissa modulaatioissa; toi tuhlaa energiaa ja lämmittää turhaan, vaikka onkin teoreettisesti helposti analysoitavaa
- Monimutkaisten, kaksisuuntaisten siltakytkentöjen tarkka ajastus; nää menee glitchistä läpilyöntiin helpommin kuin juuri mikään muu, varsinkin radiotaajuuksilla, ja sitten koneesta pihahtaa vaan sininen savu
- Kellutus ja siitä seuraavat epätehokkuudet; oon aika varma että nää kytkennät vaatis kytkinelementtien kellutusta kahteen suuntaan, korkeilla jännitteillä ja/tai virroilla, mikä on tosi vaikeaa tehdä ilman häviöllisiä lisäkomponentteja ja monimutkaisia piirejä; tyyliin, aika vaikee uskoa että kukaan ilman tällaista sovellusta ois tuottanu mitään laser-laukaistavia voima-HEMT:ejä tjsp.
- Monta lisääkin oli mielessä ennen kuin join taas; jatketaas tästä myöhemmin siis taas… 🙃
No comments:
Post a Comment