Impedanční přizpůsobení je základním aspektem RF návrh a testování; signál odrazy způsobené neodpovídající impedancí může vést k vážným problémům.
párování se jeví jako triviální cvičení, když máte co do činění s teoretickým obvodem složeným z ideálního zdroje, přenosového vedení a zátěže.
předpokládejme, že impedance zátěže je pevná. Vše, co musíme udělat, je zahrnout zdroj impedance (ZS) rovná ZL a pak navrhovat přenosové linky tak, aby jeho charakteristická impedance (Z0), je také rovna ZL.
ale podívejme se na chvíli na obtížnost implementace tohoto schématu v celém složitém RF obvodu sestávajícím z mnoha pasivních komponent a integrovaných obvodů. Proces návrhu RF by byl vážně nepraktický, kdyby inženýři museli upravovat každou součást a specifikovat rozměry každého mikropásku podle jedné impedance vybrané jako základ pro všechny ostatní.
také to předpokládá, že projekt již dosáhl fáze PCB. Co když chceme testovat a charakterizovat systém pomocí diskrétních modulů, s off-the-shelf kabely jako propojení? Kompenzace nesouladných impedancí je za těchto okolností ještě nepraktičtější.
řešení je jednoduché: vyberte standardizovanou impedanci, kterou lze použít v mnoha RF systémech, a zajistěte, aby komponenty a kabely byly odpovídajícím způsobem navrženy. Tato impedance byla zvolena; jednotka je ohmů a číslo je 50.
padesát ohmů
první věc, kterou je třeba pochopit, je, že na impedanci 50 Ω není nic skutečně zvláštního. Toto není základní konstanta vesmíru, i když byste mohli mít dojem, že je to, pokud trávíte dostatek času kolem RF inženýrů. Není to ani základní konstanta elektrotechniky-nezapomeňte například, že pouhá změna fyzických rozměrů koaxiálního kabelu změní charakteristickou impedanci.
nicméně impedance 50 Ω je velmi důležitá, protože je to impedance, kolem které je navržena většina RF systémů. Je obtížné přesně určit, proč se 50 Ω stalo standardizovanou RF impedancí, ale je rozumné předpokládat, že 50 Ω bylo shledáno dobrým kompromisem v kontextu raných koaxiálních kabelů.
důležitou otázkou samozřejmě není původ konkrétní hodnoty, ale spíše výhody této standardizované impedance. Dosažení dobře sladěného designu je mnohem jednodušší, protože výrobci integrovaných obvodů, pevné atenuátory, antény, a tak dále mohou stavět své součásti s ohledem na tuto impedanci. Také rozložení PCB se stává přímočařejší, protože tolik inženýrů má stejný cíl, jmenovitě navrhnout mikropásky a pruhy, které mají charakteristickou impedanci 50 Ω.
Podle této aplikace poznámka od Analog Devices, můžete vytvořit 50 Ω mikropáskové takto: 1-unce mědi, 20-mil-široká stopa, 10-mil separace mezi stopovou a pozemní rovinou (za předpokladu, že dielektrikum FR-4).
než půjdeme dál, ujasněme si, že ne každý vysokofrekvenční systém nebo součást je navržen pro 50 Ω. Mohly by být vybrány jiné hodnoty a ve skutečnosti je impedance 75 Ω stále běžná. Charakteristická impedance koaxiálního kabelu je úměrná přirozenému logu poměru vnějšího průměru (D2) k vnitřnímu průměru (D1).
to znamená, že větší oddělení mezi vnitřním vodičem a vnějším vodičem odpovídá vyšší impedanci. Větší oddělení mezi oběma vodiči také vede k nižší kapacitě. To znamená, 75 Ω koaxiální kabel má nižší kapacitu než 50 Ω koaxiální kabel, a to dělá 75 Ω kabel vhodný pro vysokofrekvenční digitální signály, které vyžadují nízkou kapacitu, aby se zabránilo nadměrné útlumu vysokofrekvenčního obsah spojený s rychlými přechody mezi logikou nízké a logika vysoká.
Odrazu
Vzhledem k tomu, jak důležité impedanční přizpůsobení je v RF design, bychom neměli být překvapeni, zjistíte, že tam je specifický parametr se používá pro vyjádření kvality zápas. Nazývá se koeficient odrazu; symbol je Γ (řecké velké písmeno gama). Jedná se o poměr komplexní amplitudy odražené vlny k komplexní amplitudě dopadající vlny. Nicméně, vztah mezi vlny dopadající a odražené vlny je určena zdroj (ZS) a zatížení (ZL) impedance, a tak je možné definovat koeficient odrazu, pokud jde o tyto impedance:
$$\Gamma=\frac{Z_L-Z_S}{Z_L+Z_S}$$
Pokud „zdroje“ v tomto případě je přenosová linka, můžeme změnit ZS k Z0.
$$\Gamma=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0}$$
V typickém systému, velikosti reflexe koeficient je číslo mezi nulou a jedničkou. Pojďme se podívat na tři matematicky jednoduché situace nám pomohou pochopit, jak odraz koeficient odpovídá skutečné chování obvodu:
- v Případě, že zápas je perfektní (ZL = Z0), je čitatel roven nule, a tedy odraz koeficient je nulový. To dává smysl, protože dokonalá shoda nemá za následek žádnou reflexi.
- pokud je impedance zátěže nekonečná (tj. otevřený obvod), koeficient odrazu se stává nekonečnem děleno nekonečnem, což je jedno. Koeficient odrazu jednoho odpovídá úplnému odrazu, tj., veškerá energie vlny se odráží. To dává smysl, protože přenosové linky připojené k přerušení obvodu odpovídá úplné diskontinuity (viz předchozí stránka)—zatížení nemůže absorbovat energii, tak to musí být všechny zohledněny.
- pokud je impedance zátěže nulová (tj. zkrat), velikost koeficientu odrazu se stává Z0 děleno Z0. Tak zase máme |Γ| = 1, což dává smysl, protože zkrat také odpovídá kompletní diskontinuity, která nemůže absorbovat vlny dopadající energie.
VSWR
dalším parametrem používaným k popisu impedančního přizpůsobení je poměr stojatých vln napětí (VSWR). To je definováno takto:
$$VSWR=\frac{1+\lvert\Gamma\rvert}{1-\lvert\Gamma\rvert}$$
VSWR přístupy impedanční přizpůsobení z hlediska výsledné stojící vlna. Vyjadřuje poměr nejvyšší amplitudy stojaté vlny k nejnižší amplitudě stojaté vlny. Toto video vám může pomoci představit si vztah mezi impedanční nesoulad a amplitudové charakteristiky stojatých vln, a následující schéma vyjadřuje standing-wave amplituda charakteristiky pro tři různé koeficienty reflexe.
větší nesoulad impedance vede k většímu rozdílu mezi místy s nejvyšší amplitudou a nejnižší amplitudou podél stojaté vlny. Obrázek použitý s laskavým svolením Interferometristy
VSWR se běžně vyjadřuje jako poměr. Perfektní zápas by byl 1:1, což znamená, že maximální amplituda signálu je vždy stejná (tj. Poměr 2: 1 naznačuje, že odrazy vedly ke stojaté vlně s maximální amplitudou, která je dvakrát větší než její minimální amplituda.
shrnutí
- použití standardizované impedance činí RF design mnohem praktičtější a efektivnější.
- většina RF systémů je postavena kolem impedance 50 Ω. Některé systémy používají 75 Ω; Tato druhá hodnota je vhodnější pro vysokorychlostní digitální signály.
- kvalita impedanční shody může být matematicky vyjádřena koeficientem odrazu (Γ). Dokonalá shoda odpovídá Γ = 0 a úplná diskontinuita (ve které se odráží veškerá energie) odpovídá Γ = 1.
- dalším způsobem kvantifikace kvality impedanční shody je poměr stojatých vln napětí (VSWR).