Pytanie 50 Ω: Dopasowanie impedancji w konstrukcji RF

Prawdziwe sygnały RF
Dopasowywanie impedancji jest podstawowym aspektem projektowania i testowania RF; odbicia sygnału spowodowane niedopasowanymi impedancjami mogą prowadzić do poważnych problemów.

Dopasowywanie wydaje się trywialnym ćwiczeniem, gdy masz do czynienia z obwodem teoretycznym złożonym z idealnego źródła, linii przesyłowej i obciążenia.

Załóżmy, że impedancja obciążenia jest stała. Wszystko, co musimy zrobić, to uwzględnić impedancję źródła (ZS) równą ZL, a następnie zaprojektować linię przesyłową 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 elementów i układów scalonych. Proces projektowania RF byłby bardzo niewygodny, gdyby inżynierowie musieli zmodyfikować każdy element i określić wymiary każdej mikropasków 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 gotowymi kablami jako interkonektami? Kompensowanie niedopasowanych impedancji jest w tych okolicznościach jeszcze bardziej niepraktyczne.

Rozwiązanie jest proste: wybierz znormalizowaną impedancję, która może być stosowana w wielu systemach RF, i upewnij się, że komponenty i kable są odpowiednio zaprojektowane. Ta impedancja została wybrana; jednostka to omy, a liczba wynosi 50.

Pięćdziesiąt omów
Pierwszą rzeczą do zrozumienia jest to, że w impedancji 50 Ω nie ma nic szczególnego. Nie jest to podstawowa stała wszechświata, choć możesz odnieść wrażenie, że dzieje się tak, jeśli spędzasz wystarczająco dużo czasu wokół inżynierów RF. Nie jest to nawet podstawowa stała elektrotechniki - pamiętaj na przykład, że po prostu zmiana fizycznych wymiarów kabla koncentrycznego zmieni impedancję charakterystyczną.

Niemniej jednak impedancja 50 Ω jest bardzo ważna, ponieważ jest to impedancja, wokół której zaprojektowano większość systemów RF. Trudno jest dokładnie ustalić, dlaczego 50 Ω stało się znormalizowaną impedancją RF, ale uzasadnione jest założenie, że 50 Ω okazało się dobrym kompromisem w kontekście wczesnych kabli koncentrycznych.

Ważną kwestią nie jest oczywiście pochodzenie konkretnej wartości, ale korzyści płynące z posiadania tej znormalizowanej impedancji. Osiągnięcie dobrze dopasowanego projektu jest znacznie prostsze, ponieważ producenci układów scalonych, stałych tłumików, anten itp. Mogą budować swoje części z myślą o tej impedancji. Również układ PCB staje się prostszy, ponieważ tak wielu inżynierów ma ten sam cel, mianowicie zaprojektowanie mikropasków i linii paskowych o charakterystycznej impedancji 50 Ω.

Zgodnie z tą notatką aplikacji od Analog Devices, możesz utworzyć mikropask 50 Ω w następujący sposób: 1-uncja miedzi, ślad o szerokości 20 mil, 10 mil odstęp między śladem a płaszczyzną uziemienia (przy założeniu dielektryka FR-4).
 
Zanim przejdziemy dalej, wyjaśnijmy, że nie każdy system lub komponent wysokiej częstotliwości jest zaprojektowany na 50 Ω. Można wybrać inne wartości, a w rzeczywistości impedancja 75 Ω jest nadal powszechna. Charakterystyczna impedancja 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. 

Dlatego koncentryczny 75 Ω ma mniejszą pojemność niż koncentryczny 50 Ω, co sprawia, że ​​kabel 75 Ω jest bardziej odpowiedni dla sygnałów cyfrowych o wysokiej częstotliwości, które wymagają niskiej pojemności w celu uniknięcia nadmiernego tłumienia zawartości wysokiej częstotliwości związanej z szybkimi przejściami między logika niska i logika wysoka.

Współczynnik odbicia
Biorąc pod uwagę, jak ważne jest dopasowanie impedancji w projektowaniu RF, nie powinniśmy być zaskoczeni, że istnieje konkretny parametr używany do wyrażenia jakości dopasowania. Nazywa się to współczynnikiem odbicia; symbolem jest Γ (grecka litera gamma). Jest to stosunek amplitudy zespolonej fali odbitej do amplitudy zespolonej fali padającej. 

Jednak zależność między falą padającą a falą odbitą zależy od impedancji źródła (ZS) i obciążenia (ZL), a zatem możliwe jest zdefiniowanie współczynnika odbicia w kategoriach tych impedancji:

 

Jeśli „źródłem” w tym przypadku jest linia transmisyjna, możemy zmienić ZS na Z0.



W typowym układzie wielkość współczynnika odbicia jest liczbą od zera do jednego. Przyjrzyjmy się trzem matematycznie prostym sytuacjom, aby pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób współczynnik odbicia odpowiada faktycznemu zachowaniu obwodu:

* Jeśli dopasowanie jest idealne (ZL = Z0), licznik wynosi zero, a zatem współczynnik odbicia wynosi zero. Ma to sens, ponieważ idealne dopasowanie nie powoduje odbicia.

* Jeśli impedancja obciążenia jest nieskończona (tj. Obwód otwarty), współczynnik odbicia staje się nieskończonością podzieloną przez nieskończoność, która wynosi jeden. Współczynnik odbicia jeden odpowiada pełnemu odbiciu, tzn. Cała energia fal jest odbijana. Ma to sens, ponieważ linia przesyłowa podłączona do obwodu otwartego odpowiada całkowitej nieciągłości (patrz poprzednia strona) - ładunek nie może pochłonąć żadnej energii, więc wszystko musi zostać odbite.

* Jeśli impedancja obciążenia wynosi zero (tj. Zwarcie), wartość współczynnika odbicia wynosi Z0 podzielona przez Z0. Zatem znów mamy | Γ | = 1, co ma sens, ponieważ zwarcie odpowiada również całkowitej nieciągłości, która nie może pochłonąć żadnej energii fali padającej.

VSWR
Innym parametrem stosowanym do opisu dopasowania impedancji jest współczynnik napięcia stojącego napięcia (VSWR). Jest on zdefiniowany w następujący sposób:

VSWR podchodzi do dopasowania impedancji z perspektywy wynikowej fali stojącej. Przenosi stosunek najwyższej amplitudy fali stojącej do najniższej amplitudy fali stojącej. Ten film może pomóc w wizualizacji zależności między niedopasowaniem impedancji a charakterystyką amplitudową fali stojącej, a poniższy schemat przedstawia charakterystykę amplitudy fali stojącej dla trzech różnych współczynników odbicia.




Większe niedopasowanie impedancji prowadzi do większej różnicy między lokalizacjami o największej amplitudzie i najniższej amplitudzie wzdłuż fali stojącej. Zdjęcie wykorzystano dzięki uprzejmości Interferometrist.
 
VSWR jest powszechnie wyrażany jako stosunek. Idealne dopasowanie wynosiłoby 1: 1, co oznacza, że ​​amplituda szczytowa sygnału jest zawsze taka sama (tzn. Nie ma fali stojącej). Stosunek 2: 1 wskazuje, że odbicia spowodowały powstanie fali stojącej o maksymalnej amplitudzie, która jest dwa razy większa niż jej amplituda minimalna.

Podsumowanie
* Zastosowanie standardowej impedancji sprawia, że ​​konstrukcja RF jest znacznie bardziej praktyczna i wydajna.

* Większość systemów RF zbudowanych jest 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 napięcia stojącego napięcia (VSWR).

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów