Impedansmatchning er et grundlæggende aspekt af RF-design og test; signalreflektionerne forårsaget af uoverensstemmende impedanser kan føre til alvorlige problemer.
Matching virker som en triviel øvelse, når du har at gøre med et teoretisk kredsløb sammensat af en ideel kilde, en transmissionslinje og en belastning.
lad os antage, at belastningsimpedansen er fast. Alt, hvad vi skal gøre, er at inkludere en kildeimpedans (SS) lig med SL og derefter designe transmissionsledningen, så dens karakteristiske impedans (S0) også er lig med SL.
men lad os overveje et øjeblik vanskeligheden ved at implementere denne ordning gennem et komplekst RF-kredsløb bestående af adskillige passive komponenter og integrerede kredsløb. RF-designprocessen ville være alvorligt uhåndterlig, hvis ingeniører skulle ændre hver komponent og specificere dimensionerne på hver mikrostrip i henhold til den ene impedans valgt som grundlag for alle de andre.
dette forudsætter også, at projektet allerede har nået PCB-scenen. Hvad hvis vi vil teste og karakterisere et system ved hjælp af diskrete moduler med kabler uden for hylden som sammenkoblinger? Kompensation for uoverensstemmende impedanser er endnu mere upraktisk under disse omstændigheder.
løsningen er enkel: vælg en standardiseret impedans, der kan bruges i adskillige RF-systemer, og sørg for, at komponenter og kabler er designet i overensstemmelse hermed. Denne impedans er valgt; enheden er ohm, og tallet er 50.
Fifty Ohm
den første ting at forstå er, at der ikke er noget iboende specielt ved en 50-Kristimpedans. Dette er ikke en grundlæggende konstant i universet, selvom du måske får indtryk af, at det er, hvis du bruger nok tid omkring RF-ingeniører. Det er ikke engang en grundlæggende konstant inden for elektroteknik—husk for eksempel, at simpelthen ændring af de fysiske dimensioner af et koaksialkabel vil ændre den karakteristiske impedans.
ikke desto mindre er 50-Kursimpedans meget vigtig, fordi det er den impedans, som de fleste RF-systemer er designet til. Det er vanskeligt at bestemme nøjagtigt, hvorfor 50-kran blev den standardiserede RF-impedans, men det er rimeligt at antage, at 50-kran viste sig at være et godt kompromis i forbindelse med tidlige koaksialkabler.
det vigtige spørgsmål er naturligvis ikke oprindelsen af den specifikke værdi, men snarere fordelene ved at have denne standardiserede impedans. At opnå et godt matchet design er meget enklere, fordi producenter af IC ‘ er, faste dæmpere, antenner og så videre kan bygge deres dele med denne impedans i tankerne. Også, PCB layout bliver mere ligetil, fordi så mange ingeniører har det samme mål, nemlig, at designe mikrostrimler og striplines, der har en karakteristisk impedans på 50 Liter.
i henhold til denne appnote fra analoge enheder kan du oprette en 50 Liter mikrostrip som følger: 1-ounce kobber, 20-mil bred spor, 10-mil adskillelse mellem spor og jordplan (forudsat FR-4 dielektrisk).
før vi går videre, lad os være klare over, at ikke alle højfrekvente systemer eller komponenter er designet til 50 Liter. Andre værdier kunne vælges, og faktisk er 75-Kristimpedans stadig almindelig. Den karakteristiske impedans af et koaksialkabel er proportional med den naturlige log af forholdet mellem den ydre diameter (D2) og den indre diameter (D1).
dette betyder, at mere adskillelse mellem den indre leder og den ydre leder svarer til en højere impedans. Større adskillelse mellem de to ledere fører også til lavere kapacitans. Således har 75 liter koaks lavere kapacitans end 50 Liter koaks, og dette gør 75 liter kabel mere egnet til højfrekvente digitale signaler, som kræver lav kapacitans for at undgå overdreven dæmpning af det højfrekvente indhold, der er forbundet med de hurtige overgange mellem logisk lav og logisk høj.
refleksionskoefficient
i betragtning af hvor vigtig impedansmatchning er i RF-design, bør vi ikke blive overrasket over at finde ud af, at der er en specifik parameter, der bruges til at udtrykke kvaliteten af en kamp. Det kaldes reflektionskoefficienten; symbolet er Kr. (det græske store bogstav gamma). Det er forholdet mellem den komplekse amplitude af den reflekterede bølge og den komplekse amplitude af den indfaldende bølge. Forholdet mellem hændelsesbølge og reflekteret bølge bestemmes imidlertid af kilde (SS) og belastning (SL) impedanser, og det er således muligt at definere reflektionskoefficienten med hensyn til disse impedanser:
$$\Gamma=\frac{Å_L-Å_S}{Å_L+Å_S}$ $
hvis “kilden” i dette tilfælde er en transmissionslinje, kan vi ændre Ås til Å0.
$$\Gamma=\frac{Å_L-Å_0}{Å_L+Å_0}$$
i et typisk system er størrelsen af refleksionskoefficienten et tal mellem nul og en. Lad os se på tre matematisk ligetil situationer for at hjælpe os med at forstå, hvordan refleksionskoefficienten svarer til den faktiske kredsløbsadfærd:
- hvis kampen er perfekt (SL = S0), er tælleren nul, og dermed er refleksionskoefficienten nul. Dette giver mening, fordi perfekt matchning resulterer i ingen refleksion.
- hvis belastningsimpedansen er uendelig (dvs.et åbent kredsløb), bliver refleksionskoefficienten uendelig divideret med uendelig, hvilket er en. En refleksionskoefficient på en svarer til fuld refleksion, dvs., reflekteres al bølgeenergi. Dette giver mening, fordi en transmissionsledning, der er forbundet til et åbent kredsløb, svarer til en fuldstændig diskontinuitet (se forrige side)—belastningen kan ikke absorbere nogen energi, så det skal alle reflekteres.
- hvis belastningsimpedansen er nul (dvs.en kortslutning), bliver refleksionskoefficientens størrelse S0 divideret med S0. Således har vi igen / kr| = 1, hvilket giver mening, fordi en kortslutning også svarer til en fuldstændig diskontinuitet, der ikke kan absorbere nogen af den indfaldende bølgeenergi.
VVR
en anden parameter, der bruges til at beskrive impedanstilpasning, er spændingsstandsbølgeforholdet. Det er defineret som følger:
$$VVR=\frac{1+\lvert\Gamma\rvert}{1-\lvert\Gamma\rvert}$$
VVR nærmer sig impedans matching fra perspektivet af den resulterende stående bølge. Det formidler forholdet mellem den højeste stående bølge amplitude og den laveste stående bølge amplitude. Denne video kan hjælpe dig med at visualisere forholdet mellem impedansmismatch og amplitudekarakteristika for den stående bølge, og det følgende diagram formidler stående bølgeamplitude-egenskaber for tre forskellige refleksionskoefficienter.
mere impedans mismatch fører til en større forskel mellem de højeste amplitude og laveste amplitude steder langs stående bølge. Billede brugt med tilladelse fra Interferometristen
VVR udtrykkes almindeligvis som et forhold. Et perfekt match ville være 1:1, hvilket betyder, at signalets spidsamplitude altid er den samme (dvs.der er ingen stående bølge). Et forhold på 2: 1 indikerer, at refleksioner har resulteret i en stående bølge med en maksimal amplitude, der er dobbelt så stor som dens minimale amplitude.
Resume
- brugen af en standardiseret impedans gør RF-design meget mere praktisk og effektiv.
- de fleste RF-systemer er bygget op omkring 50 Liter impedans. Nogle systemer bruger 75 Liter; denne sidstnævnte værdi er mere passende til højhastigheds digitale signaler.
- kvaliteten af en impedansmatch kan udtrykkes matematisk ved hjælp af reflektionskoefficienten (Lr). Et perfekt match svarer til kursist = 0, og en fuldstændig diskontinuitet (hvor al energi reflekteres) svarer til kursist = 1.
- en anden måde at kvantificere kvaliteten af en impedansmatch på er spændingsstandsbølgeforholdet.