impedanță de potrivire este un aspect fundamental al RF de proiectare și testare; reflexiile semnalului cauzate de impedanțe nepotrivite poate duce la probleme grave.
potrivirea pare un exercițiu banal atunci când aveți de-a face cu un circuit teoretic compus dintr-o sursă ideală, o linie de transmisie și o sarcină.
să presupunem că impedanța de sarcină este fixă. Tot ce trebuie să facem este să includem o impedanță sursă (ZS) egală cu ZL și apoi să proiectăm linia de transmisie astfel încât impedanța sa caracteristică (Z0) să fie egală și cu ZL.
dar să luăm în considerare pentru o clipă dificultatea implementării acestei scheme într-un circuit RF complex format din numeroase componente pasive și circuite integrate. Procesul de proiectare RF ar fi serios greoi dacă inginerii ar trebui să modifice fiecare componentă și să specifice dimensiunile fiecărei microstrip în funcție de o impedanță aleasă ca bază pentru toate celelalte.
de asemenea, acest lucru presupune că proiectul a ajuns deja la etapa PCB. Ce se întâmplă dacă dorim să testăm și să caracterizăm un sistem folosind module discrete, cu cabluri off-the-shelf ca interconectări? Compensarea impedanțelor nepotrivite este și mai impracticabilă în aceste condiții.
soluția este simplă: alegeți o impedanță standardizată care poate fi utilizată în numeroase sisteme RF și asigurați-vă că componentele și cablurile sunt proiectate în consecință. Această impedanță a fost aleasă; unitatea este ohmi, iar numărul este 50.
cincizeci de ohmi
primul lucru de înțeles este că nu există nimic intrinsec special la o impedanță de 50 de centimetrii. Aceasta nu este o constantă fundamentală a universului, deși s-ar putea să aveți impresia că este dacă petreceți suficient timp în jurul inginerilor RF. Nu este nici măcar o constantă fundamentală a ingineriei electrice—amintiți-vă, de exemplu, că simpla schimbare a dimensiunilor fizice ale unui cablu coaxial va modifica impedanța caracteristică.
cu toate acestea, impedanța de 50 de centimetrii este foarte importantă, deoarece este impedanța în jurul căreia sunt proiectate majoritatea sistemelor RF. Este dificil să se determine exact de ce 50 de centimetrii au devenit impedanța RF standardizată, dar este rezonabil să presupunem că 50 de centimetrii s-au dovedit a fi un compromis bun în contextul cablurilor coaxiale timpurii.
problema importantă, desigur, nu este originea valorii specifice, ci mai degrabă beneficiile de a avea această impedanță standardizată. Realizarea unui design bine adaptat este mult mai simplă, deoarece producătorii de circuite integrate, atenuatoare fixe, antene și așa mai departe își pot construi piesele având în vedere această impedanță. De asemenea, aspectul PCB devine mai simplu, deoarece atât de mulți ingineri au același scop, și anume, de a proiecta microstrips și linii de bandă care au o impedanță caracteristică de 50 de centuri.
în conformitate cu această notă de aplicație de la dispozitive analogice, puteți crea un microstrip de 50 de centimi, după cum urmează: 1-uncie cupru, 20-mil-wide urmă, 10-mil separare între urmă și planul de la sol (presupunând FR-4 dielectric).
înainte de a merge mai departe, să fie clar că nu toate sistemele de înaltă frecvență sau componente sunt proiectate pentru 50 de centimetrii. Alte valori ar putea fi alese și, de fapt, impedanța 75 impedanță este încă comună. Impedanța caracteristică a unui cablu coaxial este proporțională cu jurnalul natural al raportului dintre diametrul exterior (D2) și diametrul interior (D1).
aceasta înseamnă că mai multă separare între conductorul interior și conductorul exterior corespunde unei impedanțe mai mari. O separare mai mare între cei doi conductori duce, de asemenea, la o capacitate mai mică. Astfel, cablul coaxial de 75 de centimetrii are o capacitate mai mică decât cablul coaxial de 50 de centimetrii, ceea ce face ca cablul de 75 de centimetrii să fie mai potrivit pentru semnalele digitale de înaltă frecvență, care necesită o capacitate redusă pentru a evita atenuarea excesivă a conținutului de înaltă frecvență asociat tranzițiilor rapide dintre logica joasă și logica înaltă.
Coeficient de reflexie
având în vedere cât de importantă este potrivirea impedanței în proiectarea RF, nu ar trebui să fim surprinși să aflăm că există un parametru specific folosit pentru a exprima calitatea unui meci. Se numește coeficient de reflexie; simbolul este Inox (litera majusculă greacă gamma). Este raportul dintre amplitudinea complexă a undei reflectate și amplitudinea complexă a undei incidente. Cu toate acestea, relația dintre unda incidentă și unda reflectată este determinată de impedanțele sursă (ZS) și sarcină (ZL) și, astfel, este posibil să se definească coeficientul de reflexie în ceea ce privește aceste impedanțe:
$$\Gamma = \ frac{Z_L-Z_S}{Z_L + Z_S} $ $
dacă „sursa” în acest caz este o linie de transmisie, putem schimba ZS în Z0.
$ $ \ Gamma = \ frac{Z_L-Z_0}{z_l + Z_0}$ $
într-un sistem tipic, magnitudinea coeficientului de reflexie este un număr între zero și unu. Să ne uităm la trei situații matematice simple pentru a ne ajuta să înțelegem modul în care coeficientul de reflecție corespunde comportamentului real al circuitului:
- dacă potrivirea este perfectă (ZL = Z0), numărătorul este zero și astfel coeficientul de reflexie este zero. Acest lucru are sens, deoarece potrivirea perfectă nu are ca rezultat nicio reflecție.
- dacă impedanța de sarcină este infinită (adică un circuit deschis), coeficientul de reflexie devine infinit împărțit la infinit, care este unul. Un coeficient de reflexie al unuia corespunde reflecției complete, adică., toată energia valurilor este reflectată. Acest lucru are sens, deoarece o linie de transmisie conectată la un circuit deschis corespunde unei discontinuități complete (Vezi pagina anterioară)—sarcina nu poate absorbi nicio energie, deci trebuie reflectată.
- dacă impedanța de sarcină este zero (adică un scurtcircuit), magnitudinea coeficientului de reflexie devine Z0 împărțit la Z0. Astfel, avem din nou |Hectol| = 1, ceea ce are sens, deoarece un scurtcircuit corespunde, de asemenea, unei discontinuități complete care nu poate absorbi niciuna din energia undelor incidente.
VSWR
un alt parametru utilizat pentru a descrie potrivirea impedanței este raportul de undă de tensiune în picioare (VSWR). Este definit după cum urmează:
$$VSWR=\frac{1+\lvert\Gamma\rvert}{1-\lvert\Gamma\rvert}$$
VSWR abordează potrivirea impedanței din perspectiva undei permanente rezultate. Acesta transmite raportul dintre cea mai mare amplitudine de undă în picioare și cea mai mică amplitudine de undă în picioare. Acest videoclip vă poate ajuta să vizualizați relația dintre nepotrivirea impedanței și caracteristicile de amplitudine ale undei în picioare, iar următoarea diagramă transmite caracteristici de amplitudine a undelor în picioare pentru trei coeficienți de reflecție diferiți.
mai multă nepotrivire a impedanței duce la o diferență mai mare între locațiile cu cea mai mare amplitudine și cea mai mică amplitudine de-a lungul undei în picioare. Imaginea utilizată prin amabilitatea interferometrului
VSWR este exprimată în mod obișnuit ca raport. Un meci perfect ar fi 1:1, ceea ce înseamnă că amplitudinea de vârf a semnalului este întotdeauna aceeași (adică, nu există nici un val în picioare). Un raport de 2: 1 indică faptul că reflexiile au dus la o undă în picioare cu o amplitudine maximă care este de două ori mai mare decât amplitudinea sa minimă.
rezumat
- utilizarea unei impedanțe standardizate face ca designul RF să fie mult mai practic și mai eficient.
- cele mai multe sisteme RF sunt construite în jurul valorii de 50 impedanță de la Olt. Unele sisteme utilizează 75 de centimi; această din urmă valoare este mai potrivită pentru semnalele digitale de mare viteză.
- calitatea unei potriviri de impedanță poate fi exprimată matematic prin coeficientul de reflexie (XV). O potrivire perfectă corespunde la 0, iar o discontinuitate completă (în care se reflectă toată energia) corespunde la 1.
- un alt mod de cuantificare a calității unei potriviri de impedanță este raportul de undă în picioare de tensiune (VSWR).