Impedansmatching er et grunnleggende aspekt VED RF-design og testing; signalrefleksjonene forårsaket av feilaktige impedanser kan føre til alvorlige problemer.
Matching virker som en triviell øvelse når du har å gjøre med en teoretisk krets som består av en ideell kilde, en overføringslinje og en belastning.
La oss anta at lastimpedansen er fast. Alt vi trenger å gjøre er å inkludere en kildeimpedans (ZS) lik ZL og deretter designe overføringslinjen slik at den karakteristiske impedansen (Z0) også er LIK ZL.
men la oss for et øyeblikk vurdere vanskeligheten med å implementere denne ordningen gjennom en kompleks RF-krets bestående av mange passive komponenter og integrerte kretser. RF-designprosessen ville være alvorlig uhåndterlig hvis ingeniører måtte endre hver komponent og angi dimensjonene til hver microstrip i henhold til den ene impedansen som er valgt som grunnlag for alle de andre.
dette forutsetter også at prosjektet allerede har nådd PCB-scenen. Hva om vi ønsker å teste og karakterisere et system ved hjelp av diskrete moduler, med hyllekabler som sammenkoblinger? Kompensasjon for feilaktige impedanser er enda mer upraktisk under disse omstendighetene.
løsningen er enkel: velg en standardisert impedans som kan brukes i mange RF-systemer, og sørg for at komponenter og kabler er utformet tilsvarende. Denne impedansen er valgt; enheten er ohm, og tallet er 50.
Femti Ohm
det første du må forstå er at det ikke er noe spesielt spesielt med en 50 Ω impedans. Dette er ikke en grunnleggende konstant i universet, selv om du kanskje får inntrykk av at det er hvis du bruker nok tid rundt RF-ingeniører. Det er ikke engang en grunnleggende konstant for elektroteknikk—husk for eksempel at bare å endre de fysiske dimensjonene til en koaksialkabel vil endre den karakteristiske impedansen.
Likevel Er 50 Ω impedans svært viktig, fordi det er impedansen rundt hvilken DE FLESTE RF-systemer er utformet. Det er vanskelig å fastslå nøyaktig hvorfor 50 Ω ble standardisert RF-impedans, men det er rimelig å anta at 50 Ω ble funnet å være et godt kompromiss i sammenheng med tidlige koaksialkabler.
det viktige spørsmålet er selvfølgelig ikke opprinnelsen til den spesifikke verdien, men heller fordelene ved å ha denne standardiserte impedansen. Å oppnå en godt tilpasset design er langt enklere fordi produsenter Av ICs, faste dempere, antenner og så videre kan bygge sine deler med denne impedansen i tankene. PCB-oppsettet blir også enklere fordi så mange ingeniører har samme mål, nemlig å designe mikrostriper og stripliner som har en karakteristisk impedans på 50 Ω.
I følge dette appnotatet Fra Analoge Enheter kan du opprette en 50 Ω microstrip som følger: 1-unse kobber, 20-mil-bred spor, 10-mil separasjon mellom spor og bakkeplan (forutsatt FR – 4 dielektrisk).
Før vi går videre, la oss være klare på at ikke alle høyfrekvente systemer eller komponenter er designet for 50 Ω. Andre verdier kan velges, og faktisk er 75 Ω impedans fortsatt vanlig. Den karakteristiske impedansen til en koaksialkabel er proporsjonal med den naturlige loggen av forholdet mellom ytre diameter (D2) og indre diameter (D1).
Dette betyr at mer separasjon mellom indre leder og ytre leder tilsvarer en høyere impedans. Større separasjon mellom de to lederne fører også til lavere kapasitans. Derfor har 75 Hryvnias coax lavere kapasitans enn 50 Ω coax, og dette gjør 75 Hryvnias kabel mer egnet for høyfrekvente digitale signaler, som krever lav kapasitans for å unngå overdreven demping av høyfrekvent innhold knyttet til de raske overgangene mellom logisk lav og logisk høy.
Refleksjonskoeffisient
Med Tanke på hvor viktig impedansmatching er I RF-design, bør vi ikke bli overrasket over å finne ut at det er en bestemt parameter som brukes til å uttrykke kvaliteten på en kamp. Det kalles refleksjonskoeffisienten; symbolet er Γ (den greske hovedbokstaven gamma). Det er forholdet mellom den komplekse amplitude av den reflekterte bølgen til den komplekse amplitude av hendelsesbølgen. Forholdet mellom hendelsesbølge og reflektert bølge bestemmes imidlertid av kilde (ZS) og last (ZL) impedanser, og dermed er det mulig å definere refleksjonskoeffisienten i form av disse impedansene:
$$\Gamma=\frac{Z_L-Z_S}{Z_L + Z_S}$$
Hvis «kilden» i dette tilfellet er en overføringslinje, kan VI endre ZS Til Z0.
$$\Gamma=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L + Z_0}$$
i et typisk system er størrelsen på refleksjonskoeffisienten et tall mellom null og en. La oss se på tre matematisk enkle situasjoner for å hjelpe oss å forstå hvordan refleksjonskoeffisienten tilsvarer faktisk kretsadferd:
- hvis kampen er perfekt (ZL = Z0), er telleren null, og dermed er refleksjonskoeffisienten null. Dette er fornuftig fordi perfekt matching resulterer i ingen refleksjon.
- hvis lastimpedansen er uendelig (dvs. en åpen krets), blir refleksjonskoeffisienten uendelig delt med uendelig, som er en. En refleksjonskoeffisient på en tilsvarer full refleksjon, dvs. all bølgeenergi reflekteres. Dette er fornuftig fordi en overføringslinje koblet til en åpen krets tilsvarer en fullstendig diskontinuitet (se forrige side)—lasten kan ikke absorbere noe energi, så det må alle reflekteres.
- hvis lastimpedansen er null (dvs.en kortslutning), blir størrelsen På refleksjonskoeffisienten Z0 dividert Med Z0. Dermed har vi igjen |Γ / = 1, noe som gir mening fordi en kortslutning også tilsvarer en fullstendig diskontinuitet som ikke kan absorbere noen av hendelsesbølgeenergien.
VSWR
En annen parameter som brukes til å beskrive impedansmatching er spenningsstandende bølgeforhold (VSWR). Det er definert som følger:
$ $ VSWR=\frac{1 + \lvert \ Gamma \ rvert}{1 – \Lvert\Gamma\rvert}$$
VSWR nærmer seg impedansmatching fra perspektivet til den resulterende stående bølgen. Den formidler forholdet mellom den høyeste stående bølgeamplituden til den laveste stående bølgeamplituden. Denne videoen kan hjelpe deg å visualisere forholdet mellom impedans mismatch og amplitude egenskapene til stående bølge, og følgende diagram formidler stående bølge amplitude egenskaper for tre forskjellige refleksjon koeffisienter.
Mer impedans mismatch fører til en større forskjell mellom de høyeste amplitude og laveste amplitude steder langs stående bølge. Bilde brukt høflighet Av Interferometristen
VSWR er vanligvis uttrykt som et forhold. En perfekt match ville være 1:1, noe som betyr at toppamplituden til signalet alltid er den samme (dvs.det er ingen stående bølge). Et forhold på 2: 1 indikerer at refleksjoner har resultert i en stående bølge med en maksimal amplitude som er dobbelt så stor som dens minste amplitude.
Sammendrag
- bruken av en standardisert impedans gjør RF-design mye mer praktisk og effektiv.
- DE FLESTE RF-systemer er bygget rundt 50 Ω impedans. Noen systemer bruker 75 Ω; sistnevnte verdi er mer hensiktsmessig for høyhastighets digitale signaler.
- kvaliteten på en impedansmatch kan uttrykkes matematisk av refleksjonskoeffisienten (Γ). En perfekt match tilsvarer Γ = 0 , og en fullstendig diskontinuitet (der all energi reflekteres) tilsvarer Γ = 1.
- En annen måte å kvantifisere kvaliteten på en impedans kamp er spenning stående bølge ratio (VSWR).