impedanssi matching on olennainen osa RF suunnittelu ja testaus; signaalin heijastukset aiheuttamat ristiriitaiset impedanssit voivat johtaa vakaviin ongelmiin.
sovitus tuntuu triviaalilta harjoitukselta, kun on kyse ideaalilähteestä, voimajohdosta ja kuormasta koostuvasta teoreettisesta piiristä.
oletetaan, että kuormitusimpedanssi on kiinteä. Kaikki mitä meidän tarvitsee tehdä, on sisällyttää lähde impedanssi (ZS) yhtä Zl ja sitten suunnitella voimajohdon niin, että sen ominaisimpedanssi (Z0) on myös yhtä suuri kuin ZL.
mutta Mietitäänpä hetki, miten vaikeaa tämän järjestelmän toteuttaminen on koko monimutkaisella RF-piirillä, joka koostuu lukuisista passiivisista komponenteista ja mikropiireistä. RF-suunnitteluprosessi olisi vakavasti hankala, jos insinöörien olisi muutettava jokaista komponenttia ja määriteltävä jokaisen mikroliuskan mitat yhden impedanssin mukaan, joka on valittu kaikkien muiden pohjaksi.
tämä myös olettaa, että projekti on jo edennyt PCB-vaiheeseen. Entä jos haluamme testata ja luonnehtia järjestelmää, jossa käytetään erillisiä moduuleja ja jossa on kytkettyinä off-the-hylly-kaapeleita? Ristiriitaisten impedanssien kompensointi on vieläkin epäkäytännöllisempää näissä olosuhteissa.
ratkaisu on yksinkertainen: valitse standardoitu impedanssi, jota voidaan käyttää lukuisissa RF-järjestelmissä, ja varmista, että komponentit ja kaapelit on suunniteltu sen mukaisesti. Tämä impedanssi on valittu; yksikkö on ohmia, ja Numero on 50.
viisikymmentä ohmia
ensimmäinen asia on ymmärtää, että 50 Ω impedanssissa ei ole mitään luontaisesti erikoista. Tämä ei ole perusvakio maailmankaikkeuden, vaikka saatat saada vaikutelman, että se on, jos viettää tarpeeksi aikaa noin RF insinöörit. Se ei ole edes sähkötekniikan perusvakio—muista esimerkiksi, että pelkkä koaksiaalikaapelin fysikaalisten mittojen muuttaminen muuttaa ominaisimpedanssia.
kuitenkin 50 Ω impedanssi on erittäin tärkeä, koska se on impedanssi, jonka ympärille useimmat RF-järjestelmät on suunniteltu. On vaikea määrittää tarkalleen, miksi 50 Ω tuli standardoitu RF-impedanssi, mutta on kohtuullista olettaa, että 50 Ω todettiin olevan hyvä kompromissi yhteydessä aikaisin koaksiaalikaapelit.
tärkeä kysymys ei tietenkään ole tietyn arvon alkuperä, vaan pikemminkin tämän standardoidun impedanssin edut. Saavuttaa hyvin sovitettu suunnittelu on paljon yksinkertaisempaa, koska valmistajat ICs, kiinteät vaimentimet, antennit, ja niin edelleen voi rakentaa niiden osien tämä impedanssi mielessä. Myös PCB layout tulee suoraviivaisempi, koska niin monet insinöörit on sama tavoite, nimittäin suunnitella mikroliuska ja striplines, joilla on ominaisuus impedanssi 50 Ω.
tämän sovelluksen huomautus analogisista laitteista, voit luoda 50 Ω mikroliuska seuraavasti: 1-unssi kuparia, 20-mil leveä jäljittää, 10-mil erottaminen jäljittää ja maataso (olettaen FR-4 Dielektrinen).
ennen kuin siirrytään eteenpäin, tehdään selväksi, ettei jokaista korkean taajuuden järjestelmää tai komponenttia ole suunniteltu 50 Ω: lle. Muut arvot voidaan valita, ja itse asiassa 75 Ω impedanssi on edelleen yleinen. Koaksiaalikaapelin ominaisimpedanssi on verrannollinen ulkohalkaisijan (D2) ja sisähalkaisijan (D1) suhteen luonnolliseen logiin.
tämä tarkoittaa sitä, että suurempi ero sisä-ja ulkojohtimen välillä vastaa suurempaa impedanssia. Suurempi ero kahden johtimen välillä johtaa myös pienempään kapasitanssiin. Näin ollen 75 Ω coax on pienempi kapasitanssi kuin 50 Ω coax, ja tämä tekee 75 Ω kaapeli sopii paremmin korkean taajuuden digitaalisia signaaleja, jotka vaativat Alhainen kapasitanssi, jotta vältetään liiallinen vaimennus korkean taajuuden sisällön liittyvät nopeat siirtymät logiikan alhainen ja logiikka korkea.
heijastuskerroin
ottaen huomioon kuinka tärkeää impedanssisovitus on RF-suunnittelussa, meidän ei pitäisi olla yllättyneitä huomatessamme, että on olemassa tietty parametri, jota käytetään ilmaisemaan ottelun laatua. Sitä kutsutaan heijastuskertoimeksi; symboli on Γ (Kreikan suuraakkonen gamma). Se on heijastuneen aallon kompleksiamplitudin suhde törmäysaallon kompleksiamplitudiin. Kohtausaallon ja heijastuneen aallon suhde määräytyy kuitenkin lähteen (ZS) ja kuormituksen (ZL) impedanssien mukaan, ja näin on mahdollista määritellä heijastuskerroin näiden impedanssien suhteen:
$$\Gamma=\frac{Z_L-Z_S}{Z_L+Z_S}$$
jos ”lähde” tässä tapauksessa on siirtolinja, voimme muuttaa ZS: n Z0: ksi.
$$\Gamma=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0}$$
tyypillisessä systeemissä heijastuskertoimen suuruus on luku nollan ja yhden väliltä. Tarkastellaan kolmea matemaattisesti suoraviivaista tilannetta, joiden avulla voimme ymmärtää, miten heijastuskerroin vastaa todellista piirin käyttäytymistä:
- jos ottelu on täydellinen (ZL = Z0), osoittaja on nolla ja näin heijastuskerroin on nolla. Tämä on järkevää, koska täydellinen matching johtaa ei pohdintaa.
- jos kuormitusimpedanssi on ääretön (eli avoin piiri), heijastuskerroin muuttuu äärettömäksi jaettuna äärettömyydellä, joka on yksi. Yhden heijastuskerroin vastaa täyttä heijastusta, ts., kaikki aaltoenergia heijastuu. Tämä on järkevää, koska voimajohdon kytketty avoimeen piiriin vastaa täydellistä epäjatkuvuutta (katso edellinen sivu)—kuorma ei voi absorboida energiaa, joten se kaikki on heijastettava.
- jos kuormitusimpedanssi on nolla (Eli oikosulku), heijastuskertoimen suuruus on Z0 jaettuna Z0: llä. Siten meillä on jälleen / Γ / = 1, Mikä on järkevää, koska oikosulku vastaa myös täydellistä epäjatkuvuutta, joka ei voi absorboida mitään tapahtuman aaltoenergiaa.
VSWR
toinen impedanssisovituksen kuvaamiseen käytetty parametri on jännitteen seisovan aallon suhde (VSWR). Se määritellään seuraavasti:
$$VSWR = \frac{1 + \lvert\Gamma\rvert}{1-\lvert\Gamma\rvert}$$
VSWR lähestyy impedanssisovitusta syntyvän seisovan aallon näkökulmasta. Se välittää suurimman seisovan aallon amplitudin ja alimman seisovan aallon amplitudin suhdetta. Tämä video voi auttaa visualisoimaan suhde impedanssi epäsuhta ja amplitudi ominaisuudet seisovan aallon, ja seuraavassa kaaviossa välittää seisovan aallon amplitudi ominaisuudet Kolme eri heijastuskertoimet.
enemmän impedanssi epäsuhta johtaa suurempi ero korkein-amplitudi ja pienin-Amplitudi paikoissa pitkin seisovan aallon. Interferometristin käyttämä kuva
VSWR ilmaistaan yleisesti suhteena. Täydellinen ottelu olisi 1:1, eli signaalin huippu-amplitudi on aina sama (eli seisovaa aaltoa ei ole). Suhde 2: 1 osoittaa, että heijastukset ovat johtaneet seisovaan aaltoon, jonka enimmäisamplitudi on kaksi kertaa niin suuri kuin sen vähimmäisamplitudi.
Yhteenveto
- standardoidun impedanssin käyttö tekee RF-suunnittelusta paljon käytännöllisempää ja tehokkaampaa.
- useimmat RF-järjestelmät rakentuvat 50 Ω impedanssin ympärille. Joissakin järjestelmissä käytetään 75 Ω: ta; tämä jälkimmäinen arvo sopii paremmin nopeisiin digitaalisiin signaaleihin.
- impedanssiottelun laatu voidaan ilmaista matemaattisesti heijastuskertoimella (Γ). Täydellinen vastaavuus vastaa Γ = 0, ja täydellinen epäjatkuvuus (jossa kaikki energia heijastuu) vastaa Γ = 1.
- toinen tapa määrittää impedanssiottelun laatu on jännitteen seisovan aallon suhde (VSWR).