dopasowanie impedancji jest podstawowym aspektem projektowania i testowania RF; odbicia sygnału spowodowane niedopasowanymi impedancjami mogą prowadzić do poważnych problemów.
dopasowanie wydaje się trywialnym ćwiczeniem, gdy masz do czynienia z teoretycznym obwodem złożonym z idealnego źródła, linii transmisyjnej i obciążenia.
Załóżmy, że impedancja obciążenia jest stała. Wszystko, co musimy zrobić, to dołączyć impedancję źródłową (ZS) równą ZL, a następnie zaprojektować linię transmisyjną tak, aby jej impedancja charakterystyczna (Z0) była również równa ZL.
ale rozważmy przez chwilę trudność wdrożenia tego schematu w złożonym obwodzie RF składającym się z wielu pasywnych komponentów i układów scalonych. Proces projektowania RF byłby poważnie nieporęczny, gdyby inżynierowie musieli zmodyfikować każdy komponent i określić wymiary każdego mikropęcherza zgodnie z jedną impedancją wybraną jako podstawa dla wszystkich pozostałych.
zakłada to również, że projekt osiągnął już etap PCB. Co jeśli chcemy przetestować i scharakteryzować system z wykorzystaniem dyskretnych modułów, z dostępnymi kablami jako interkonektami? Kompensacja niedopasowanych impedancji jest w tych okolicznościach jeszcze bardziej niepraktyczna.
rozwiązanie jest proste: wybierz znormalizowaną impedancję, która może być używana w wielu systemach RF i upewnij się, że komponenty i kable są odpowiednio zaprojektowane. Ta impedancja została wybrana; jednostka to ohmy, a liczba to 50.
50 Omów
pierwszą rzeczą do zrozumienia jest to, że nie ma nic szczególnego w impedancji 50 Ω. Nie jest to podstawowa stała wszechświata, choć można odnieść wrażenie, że tak jest, jeśli spędzimy wystarczająco dużo czasu wokół inżynierów RF. Nie jest to nawet fundamentalna stała elektrotechniki-pamiętajmy na przykład, że po prostu zmiana fizycznych wymiarów kabla koncentrycznego zmieni impedancję charakterystyczną.
jednak Impedancja 50 Ω jest bardzo ważna, ponieważ jest to impedancja, wokół której projektowana jest większość systemów RF. Trudno dokładnie określić, dlaczego 50 Ω stało się standaryzowaną impedancją RF, ale można założyć, że 50 Ω uznano za dobry kompromis w kontekście wczesnych kabli koncentrycznych.
ważną kwestią, oczywiście, nie jest pochodzenie konkretnej wartości, ale raczej korzyści płynące z posiadania tej standaryzowanej impedancji. Osiągnięcie dobrze dopasowanej konstrukcji jest znacznie prostsze, ponieważ producenci układów scalonych, stałych tłumików, anten itp.mogą budować swoje części z myślą o tej impedancji. Ponadto układ PCB staje się prostszy, ponieważ tak wielu inżynierów ma ten sam cel, a mianowicie zaprojektowanie mikropasków i linii paskowych o charakterystycznej impedancji 50 Ω.
zgodnie z tą notatką app od Analog Devices, możesz utworzyć mikropaskę 50 Ω w następujący sposób: 1-Uncja miedzi, ślad o szerokości 20 mil, 10-milowa separacja między śladem a płaszczyzną uziemienia (zakładając dielektryk FR-4).
zanim przejdziemy dalej, powiedzmy sobie jasno, że nie każdy System lub komponent wysokiej częstotliwości jest zaprojektowany dla 50 Ω. Można wybrać inne wartości, a w rzeczywistości Impedancja 75 Ω jest nadal powszechna. Impedancja charakterystyczna kabla koncentrycznego jest proporcjonalna do logarytmu naturalnego stosunku średnicy zewnętrznej (D2) do średnicy wewnętrznej (D1).
oznacza to, że większa separacja między przewodnikiem wewnętrznym i zewnętrznym odpowiada wyższej impedancji. Większa separacja między dwoma przewodnikami prowadzi również do niższej pojemności. Tak więc, koncentryczny 75 Ω ma niższą pojemność niż koncentryczny 50 Ω, a to sprawia, że kabel 75 Ω jest bardziej odpowiedni dla sygnałów cyfrowych o wysokiej częstotliwości, które wymagają niskiej pojemności, aby uniknąć nadmiernego tłumienia zawartości wysokiej częstotliwości związanej z szybkimi przejściami między logiką niską a logiką wysoką.
współczynnik odbicia
biorąc pod uwagę, jak ważne jest dopasowanie impedancji w konstrukcji RF, nie powinniśmy być zaskoczeni, że istnieje określony parametr używany do wyrażenia jakości dopasowania. Nazywany jest współczynnikiem odbicia; symbolem jest Γ (grecka wielka litera gamma). Jest to stosunek złożonej amplitudy fali odbitej do złożonej amplitudy fali padającej. Jednak zależność między falą padającą a falą odbitą określa impedancja źródła (ZS) i obciążenia (zl), a zatem możliwe jest zdefiniowanie współczynnika odbicia w kategoriach tych impedancji:
$$\Gamma = \ frac{Z_L-Z_S}{Z_L+z_s}$$
jeśli „źródłem” w tym przypadku jest linia transmisyjna, możemy zmienić ZS na Z0.
$$\Gamma=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0}$$
w typowym układzie wielkość współczynnika odbicia jest liczbą pomiędzy zerem a jedynką. Spójrzmy na trzy matematycznie proste sytuacje, aby pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób współczynnik odbicia odpowiada rzeczywistemu zachowaniu obwodu:
- jeśli dopasowanie jest idealne (ZL = z0), licznik wynosi zero, a zatem współczynnik odbicia wynosi zero. Ma to sens, ponieważ idealne dopasowanie powoduje brak refleksji.
- jeśli Impedancja obciążenia jest nieskończona (tj. obwód otwarty), współczynnik odbicia staje się nieskończonością podzieloną przez nieskończoność, która jest jedna. Współczynnik odbicia równy 1 odpowiada odbiciu pełnemu, tzn., cała energia fali jest odbijana. Ma to sens, ponieważ linia przesyłowa połączona z obwodem otwartym odpowiada całkowitej nieciągłości (patrz Poprzednia strona)—obciążenie nie może absorbować żadnej energii, więc wszystko musi zostać odbite.
- jeśli Impedancja obciążenia wynosi zero (tj. zwarcie), wielkość współczynnika odbicia staje się Z0 podzielona przez Z0. Tak więc znowu mamy| Γ / = 1, co ma sens, ponieważ zwarcie odpowiada również całkowitej nieciągłości, która nie może wchłonąć żadnej energii fali padającej.
VSWR
innym parametrem używanym do opisania dopasowania impedancji jest współczynnik fali stojącej napięcia (VSWR). Jest ona zdefiniowana w następujący sposób:
$ $ VSWR = \frac{1+\Lvert\Gamma\rvert}{1-\Lvert\Gamma\Rvert}$$
VSWR zbliża się do dopasowania impedancji z perspektywy powstałej fali stojącej. Przekazuje stosunek najwyższej amplitudy fali stojącej do najniższej amplitudy fali stojącej. Ten film wideo może pomóc w wizualizacji zależności między niedopasowaniem impedancji a charakterystyką amplitudy fali stojącej, a poniższy diagram przedstawia charakterystykę amplitudy fali stojącej dla trzech różnych współczynników odbicia.
większe niedopasowanie impedancji prowadzi do większej różnicy między lokalizacjami o najwyższej amplitudzie i najniższej amplitudzie wzdłuż fali stojącej. Zdjęcie użyte dzięki uprzejmości interferometru
VSWR jest powszechnie wyrażany jako stosunek. Idealne dopasowanie to 1:1, co oznacza, że szczytowa amplituda sygnału jest zawsze taka sama (tzn. nie ma fali stojącej). Stosunek 2:1 wskazuje, że odbicia doprowadziły do powstania fali stojącej o maksymalnej amplitudzie, która jest dwa razy większa od jej minimalnej amplitudy.
podsumowanie
- zastosowanie znormalizowanej impedancji sprawia, że konstrukcja RF jest znacznie bardziej praktyczna i wydajna.
- większość systemów RF jest zbudowana wokół impedancji 50 Ω. Niektóre systemy używają 75 Ω; ta ostatnia wartość jest bardziej odpowiednia dla szybkich sygnałów cyfrowych.
- jakość dopasowania impedancji może być wyrażona matematycznie przez współczynnik odbicia (Γ). Idealne dopasowanie odpowiada Γ = 0, a całkowita nieciągłość (w której odbija się cała energia) odpowiada Γ = 1.
- innym sposobem kwantyfikacji jakości dopasowania impedancji jest współczynnik fali stojącej napięcia (VSWR).