Прашање од 50 Ω: Појавување на импеданса во РФ Дизајн

RF сигнали од реалниот живот
Совпаѓањето на импедансата е основен аспект на РФ-дизајн и тестирање; рефлексиите на сигналот предизвикани од неусогласените импеданси можат да доведат до сериозни проблеми.

Совпаѓањето се чини како тривијална вежба кога се занимавате со теоретско коло составено од идеален извор, далекувод и оптоварување.

Да претпоставиме дека импедансата на товарот е фиксна. Сè што треба да сториме е да вклучиме изворна импеданса (ZS) еднаква на ZL и потоа да дизајнираме далновод, така што неговата карактеристична импеданса (Z0) е исто така еднаква на ZL.

Но, ајде да ја разгледаме за момент тешкотијата за спроведување на оваа шема низ комплексно RF коло кое се состои од бројни пасивни компоненти и интегрирани кола. Процесот на РФ дизајн би бил сериозно нерасположен ако инженерите требаше да ја модифицираат секоја компонента и да ги специфицираат димензиите на секоја микростришка според онаа импеданса избрана како основа за сите други.

Исто така, ова претпоставува дека проектот веќе ја достигнал фазата на ПЦБ. Што ако сакаме да го тестираме и карактеризираме системот со користење на дискретни модули, со кабли надвор од полиците како меѓусебно поврзани? Компензација за неусогласените импеданси е уште понепрактично во овие околности.

Решението е едноставно: изберете стандардизирана импеданса што може да се користи во бројни RF системи и осигурете се дека компонентите и каблите се дизајнирани соодветно. Оваа импеданса е избрана; единицата е ом, а бројот е 50.

Педесет Омс
Првото нешто што треба да се разбере е дека нема ништо суштински посебно за импеданса од 50 О. Ова не е фундаментална константа на универзумот, иако можеби ќе добиете впечаток дека е ако поминете доволно време околу РФ инженери. Не е ниту основна константа на електротехниката - на пример, запомнете дека едноставно менувањето на физичките димензии на коаксијалниот кабел ќе ја смени карактеристичната импеданса.

И покрај тоа, 50 О импеданса е многу важна, бидејќи тоа е импедансата околу која се дизајнирани повеќето RF системи. Тешко е да се утврди зошто точно 50 Ω стана стандардизирана RF импеданса, но разумно е да се претпостави дека 50 О беше утврдено дека е добар компромис во контекст на раните коаксијални кабли.

Секако, важното прашање не е потеклото на специфичната вредност, туку придобивките од оваа стандардизирана импеданса. Постигнувањето на одличен дизајн е многу поедноставно затоа што производителите на ИЦ, фиксни атенуатори, антени и слично можат да ги градат своите делови со оваа импеданса на ум. Исто така, изгледот на ПЦБ станува поедноставен затоа што толку многу инженери имаат иста цел, имено, да дизајнираат микрострипти и стриплини кои имаат карактеристична импеданса од 50 Ω.

Според оваа белешка за апликации од „Аналогни уреди“, можете да креирате микрострошница од 50 Ω на следниов начин: бакар од 1 унца, трага од 20 мил., Разделување од 10 милји помеѓу трага и копнена рамнина (претпоставувајќи диелектрик FR-4).
 
Пред да продолжиме понатаму, да бидеме јасно дека не секој систем или компонента со висока фреквенција е дизајниран за 50 О. Може да се изберат други вредности, а всушност 75 О импеданса е сè уште вообичаена. Карактеристичната импеданса на коаксијален кабел е пропорционална со природниот дневник на односот на надворешниот дијаметар (Д2) со внатрешниот дијаметар (Д1).


 

Ова значи дека поголема поделба помеѓу внатрешниот проводник и надворешниот проводник одговара на поголема импеданса. Поголемата поделба помеѓу двата спроводници води и до пониска капацитивност. 

Така, 75 Ω коаксот има помала капацитивност од 50 Ω коак, и тоа го прави 75 Ω кабелот посоодветен за дигитални сигнали со висока фреквенција, за кои е потребна ниска капацитивност со цел да се избегне прекумерно слабеење на содржината со висока фреквенција поврзана со брзите транзиции помеѓу логика ниска и логика висока.

Коефициент на рефлексија
Ако се земе предвид колку е важно совпаѓањето на импедансата во дизајнот на РФ, не треба да се изненадуваме кога ќе откриеме дека постои специфичен параметар што се користи за изразување на квалитетот на натпревар. Се нарекува коефициент на рефлексија; симболот е Г (грчка голема буква гама). Тоа е односот на сложената амплитуда на рефлектираниот бран до сложената амплитуда на инцидентниот бран. 

Сепак, врската помеѓу инцидентниот бран и рефлектираниот бран се определува со импедансите на изворот (ZS) и оптоварувањето (ZL) и на тој начин е можно да се дефинираат коефициентот на рефлексија во однос на овие импеданса:

 

Ако „изворот“ во овој случај е далекувод, можеме да го промениме ZS во Z0.



Во типичен систем, големината на коефициентот на рефлексија е број помеѓу нула и еден. Ајде да погледнеме во три математички јасни ситуации за да ни помогне да разбереме како коефициентот на рефлексија одговара на вистинското однесување на колото:

* Ако натпреварот е совршен (ZL = Z0), броецот е нула, а со тоа коефициентот на рефлексија е нула. Ова има смисла затоа што совршено совпаѓање не рефлектира.

* Ако импедансата на товарот е бесконечна (т.е. отворено коло), коефициентот на рефлексија станува бесконечност поделена со бесконечност, што е една. Коефициент на рефлексија од еден одговара на целосен одраз, т.е. се рефлектира целата енергија на бранот. Ова има смисла затоа што далекуводот поврзан со отворено коло одговара на целосна дисконтинуитет (видете ја претходната страница) - оптоварувањето не може да апсорбира никаква енергија, така што мора да се рефлектира.

* Ако импедансата на товарот е нула (т.е. краток спој), големината на коефициентот на рефлексија станува Z0 поделена со Z0. Така, повторно имаме | Γ | = 1, што има смисла затоа што краток спој одговара и на целосна дисконтинуитет што не може да ја апсорбира енергијата на бранот на инцидентот.

VSWR
Друг параметар што се користи за да се опише совпаѓање на импеданса е односот на напон на напон (VSWR). Дефинирано е како што следува:

VSWR приближува импеданса што одговара на перспективата на добиениот бран. Го пренесува односот на највисоката амплитуда на бранови во форма на најниска амплитуда на бранови. Ова видео може да ви помогне да ја визуелизирате врската помеѓу неусогласеноста на импедансата и карактеристиките на амплитудата на стојниот бран, а следниот дијаграм пренесува карактеристики на амплитудност на бранови за три различни коефициенти на рефлексија.




Повеќе несоодветност на импеданса доведуваат до поголема разлика помеѓу локациите со најголема амплитудна и најниска амплитуданост долж бранот. Сликата се користеше со учтивост на Интерферометарот.
 
VSWR најчесто се изразува како сооднос. Совршен натпревар би бил 1: 1, што значи дека врвната амплитуда на сигналот е секогаш иста (т.е. нема постојан бран). Сооднос од 2: 1 означува дека рефлексиите резултирале во постојан бран со максимална амплитуда што е двојно поголема од нејзината минимална амплитуда.

Резиме
* Употребата на стандардизирана импеданса го прави РФ-дизајнот многу попрактичен и поефикасен.

* Повеќето RF системи се изградени околу 50 О импеданса. Некои системи користат 75 О; оваа последна вредност е посоодветна за голема брзина дигитални сигнали.

* Квалитетот на натпревар на импеданса може да се изрази математички со коефициентот на рефлексија (Γ). Совршен натпревар одговара на Γ = 0, а целосна дисконтинуитет (во која се рефлектира целата енергија) одговара на Γ = 1.

* Друг начин за квантифицирање на квалитетот на натпреварот за импеданса е односот на напон на напон (VSWR).

Остави порака 

Список со пораки