Az 50 Ω kérdés: impedancia illesztés az RF tervezésben

Valós RF jelek
Az impedancia illesztése az RF tervezés és tesztelés alapvető eleme; a nem megfelelő impedanciák által okozott jelvisszaverések komoly problémákat okozhatnak.

A párosítás egy triviális gyakorlatnak tűnik, amikor egy elméleti áramkörrel foglalkozik, amely egy ideális forrásból, átviteli vezetékből és egy terhelésből áll.

Tegyük fel, hogy a terhelési impedancia rögzített. Csak annyit kell tennünk, hogy a forrás impedanciáját (ZS) megegyezzen a ZL-vel, majd úgy tervezzük meg az átviteli vezetéket, hogy a jellemző impedanciája (Z0) megegyezzen ZL-vel.

Nézzük azonban egy pillanatra ennek a sémanak a végrehajtásának nehézségét egy komplex RF áramkörben, amely számos passzív komponenst és integrált áramkört tartalmaz. A rádiófrekvenciás tervezési folyamat komolyan nehézkes lenne, ha a mérnököknek minden összetevőt módosítaniuk kellett, és meg kell határozniuk az egyes mikrotáblák méreteit az összes impedancia alapján, amelyet az összes többi alapjául választottak meg.

Ez azt is feltételezi, hogy a projekt már elérte a NYÁK szakaszát. Mi lenne, ha diszkrét modulokat használó rendszert tesztelnénk és jellemeznénk, amelyben a polcon lévő kábelek összekapcsolódnak? Ilyen körülmények között még gyakorlatiasabb az eltérő impedanciák kompenzálása.

A megoldás egyszerű: válasszon egy szabványos impedanciát, amelyet számos rádiófrekvenciás rendszerben felhasználhat, és győződjön meg arról, hogy az alkatrészek és a kábelek ennek megfelelően vannak megtervezve. Ezt az impedanciát választottuk; az egység ohm, és a szám 50.

Ötven ohm
Az első dolog, amit meg kell érteni, hogy az 50 Ω -es impedancia lényegében semmi különleges. Ez nem egy alapvető állandó az univerzumban, bár azt a benyomást keltheti, hogy az az, ha elegendő időt tölt az RF mérnökök köré. Ez nem is az elektrotechnika alapvető állandója - ne feledje például, hogy a koaxiális kábel fizikai méreteinek egyszerű megváltoztatása megváltoztatja a jellemző impedanciát.

Ennek ellenére az 50 Ω -es impedancia nagyon fontos, mivel az impedancia körül a legtöbb RF rendszert tervezik. Nehéz pontosan meghatározni, hogy miért lett az 50 Ω a szabványosított RF impedancia, de ésszerű feltételezni, hogy az 50 Ω jó kompromisszumnak bizonyult a koaxiális korai kábelek kapcsán.

A fontos kérdés természetesen nem a konkrét érték eredete, hanem a szabványosított impedancia előnyei. A jól illesztett kialakítás rendkívül egyszerű, mert az áramkörök, a rögzített csillapítók, az antennák és így tovább gyártók ezt az impedanciát szem előtt tartva építhetik alkatrészeiket. Ezenkívül a NYÁK-elrendezés egyszerűbbé válik, mivel sok mérnök ugyanazt a célt tűzi ki, nevezetesen az, hogy mikroszalagot és szalagvezetéket tervezzen, amelynek jellemző impedanciája 50 Ω.

Az Analóg eszközök ezen alkalmazásjegyzete szerint 50 Ω -es mikrotávot hozhat létre az alábbiak szerint: 1 uncia réz, 20 milliméter széles nyomkövetés, 10 milliméter távolság a nyomvonal és az alaplap között (feltételezve, hogy az FR-4 dielektromos).
 
Mielőtt továbblépnénk, tisztázzuk, hogy nem minden nagyfrekvenciás rendszert vagy alkatrészt tervezünk 50 Ω -ra. Más értékeket is meg lehet választani, és valójában a 75 Ω impedancia még mindig gyakori. A koaxiális kábel jellemző impedanciája arányos a külső átmérő (D2) és a belső átmérő (D1) arányának természetes log-ével.


 

Ez azt jelenti, hogy a belső vezető és a külső vezető közötti nagyobb távolság nagyobb impedanciának felel meg. A két vezető nagyobb elkülönítése szintén alacsonyabb kapacitást eredményez. 

Így a 75 Ω koax kapacitása alacsonyabb, mint 50 Ω koaxiális, és ez teszi a 75 Ω kábelt alkalmasabbá a magas frekvenciájú digitális jelekhez, amelyek alacsony kapacitást igényelnek annak érdekében, hogy elkerüljék a nagyfrekvenciás tartalom túlzott csillapítását, amely a gyors átmenetekkel jár logika alacsony és logika magas.

Tükrözési együttható
Figyelembe véve, hogy az impedancia-illesztés milyen fontos az RF tervezésben, nem szabad meglepődnünk, hogy van egy speciális paraméter, amelyet a mérkőzés minőségének kifejezésére használunk. Ezt reflexiós együtthatónak nevezzük; a szimbólum Γ (a görög nagybetű gamma). Ez a visszavert hullám komplex amplitúdójának és a beeső hullám komplex amplitúdójának a hányadosa. 

A beeső hullám és a visszavert hullám viszonyát azonban a forrás (ZS) és a terhelés (ZL) impedanciái határozzák meg, és így meghatározható a reflexiós együttható ezen impedanciák szerint:

 

Ha a „forrás” ebben az esetben átviteli vonal, akkor a ZS-t Z0-ra változhatjuk.



Egy tipikus rendszerben a reflexiós együttható nagysága nulla és egy közötti szám. Nézzünk meg három matematikailag egyértelmű helyzetet, hogy segítsünk megérteni, hogy a reflexiós együttható megfelel-e az áramkör tényleges viselkedésének:

* Ha az egyezés tökéletes (ZL = Z0), akkor a számláló nulla, és így a reflexiós együttható nulla. Ennek van értelme, mert a tökéletes illesztés nem tükrözi.

* Ha a terhelési impedancia végtelen (azaz egy nyitott áramkör), akkor a reflexiós együttható végtelenné válik a végtelenséggel osztva, ami egy. Az egyik reflexiós együtthatója a teljes reflexiónak felel meg, azaz az összes hullám energia visszatükröződik. Ennek van értelme, mivel egy nyitott áramkörhöz csatlakoztatott távvezeték teljes folytonosságnak felel meg (lásd az előző oldalt) - a terhelés nem képes energiát elnyelni, ezért ennek mind tükröznie kell.

* Ha a terhelési impedancia nulla (azaz rövidzárlat), akkor a reflexiós együttható nagysága Z0-ként oszlik meg Z0-val. Így ismét | Γ | = 1, ami akkor van értelme, mert a rövidzárlat egy olyan teljes megszakításnak is megfelel, amely nem képes elnyelni a beeső hullám energiáját.

VSWR
Az impedancia illesztésének leírására szolgáló másik paraméter a feszültség állandó hullámaránya (VSWR). Meghatározása a következő:

A VSWR megközelíti az impedancia illesztését a kapott álló hullám szempontjából. Megmutatja a legmagasabb állóhullám amplitúdó és a legalacsonyabb állóhullám amplitúdójának arányát. Ez a videó segít az impedancia-eltérés és az állóhullám amplitúdójellemzői közötti kapcsolat ábrázolásában, és a következő ábra három különféle reflexiós együtthatóra mutatja az állóhullám amplitúdójellemzőit.




A impedancia eltérése nagyobb különbséget eredményez a legnagyobb hullámhosszúság és a legkisebb amplitúdó közötti helyek között. A képet az Interferometrist jóvoltából használták.
 
A VSWR-t általában arányként fejezik ki. A tökéletes illesztés 1: 1 lenne, ami azt jelenti, hogy a jel csúcs amplitúdója mindig azonos (azaz nincs álló hullám). A 2: 1 arány azt jelzi, hogy a reflexiók álló hullámot eredményeztek, amelynek maximális amplitúdója kétszer olyan nagy, mint a minimális amplitúdója.

Összegzésként
* A szabványosított impedancia használata az RF tervezést sokkal praktikusabbá és hatékonyabbá teszi.

* A legtöbb RF rendszer 50 Ω impedancia körül épül. Egyes rendszerek 75 Ω-ot használnak; ez utóbbi érték megfelelőbb a nagy sebességű digitális jelekhez.

* Az impedancia egyezésének minősége matematikailag kifejezhető a reflexiós együtthatóval (Γ). A tökéletes illesztés Γ = 0-nak felel meg, a teljes folytonosság (amelyben az összes energia visszatükröződik) Γ = 1-nek felel meg.

* Az impedancia egyezésének minőségének meghatározásának másik módja a feszültség állandó hullámaránya (VSWR).

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista