A megfelelő hálózatok megértése

Tudjon meg többet arról, hogy miért használják az egyező hálózatokat, és hogyan vannak megtervezve.

Megvitattuk a jellemző impedanciát, az átviteli vonalakat és az impedancia illesztését. Tudjuk, hogy az átviteli vezetékek jellemzõ impedanciájúak, és tudjuk, hogy ez az impedancia fontos tényezõ az RF áramkörökben, mivel az impedanciákat egyeztetni kell az állóhullámok megakadályozása és az energia hatékony forrásának a terhelésrõl való átadása érdekében. És még akkor sem, ha nem kell egy adott vezetőt átviteli vonalként kezelnünk, még mindig vannak forrás- és terhelési impedanciák, amelyeket össze kell hangolni.

Azt is láttuk, hogy az impedancia illesztését nagymértékben leegyszerűsíti a szabványosított impedanciaértékek használata (a leggyakoribb 50 Ω). A gyártók az alkatrészeket vagy az összekapcsolásokat 50 Ω bemeneti és kimeneti értékre tervezik, és sok esetben a mérnököknek nem kell külön lépéseket tenniük az illesztett impedanciák elérése érdekében.

Vannak olyan helyzetek, amikor az impedancia illesztése további áramkört igényel. Például vegye figyelembe egy RF erősítőt, amely erősítőből (PA) és antennából áll. A gyártó a PA-t 50 Ω kimeneti impedanciára tervezheti, de az antenna impedanciája változik annak fizikai tulajdonságai, valamint a környező anyagok jellemzői szerint.

Az antenna impedanciája sem állandó a jel frekvenciájához viszonyítva. Így a gyártó egy olyan antennát tervezhet, amelynek 50 Ω impedanciája van egy adott frekvencián, de lehet, hogy nem triviális eltérés van, ha az antennát más frekvencián használja. A következő ábra a 2.4–2.5 GHz-es rendszerekhez tervezett kerámia felületre szerelt antenna adatlapjából származik. 

A görbe megfelel a visszavert teljesítmény és a beeső teljesítmény arányának. Láthatja, hogy az impedancia egyezése minősége gyorsan romlik, amikor a jel frekvenciája elmozdul a 2.45 GHz-es tartománytól.

A megfelelő hálózat
Ha az RF áramköre olyan komponenseket tartalmaz, amelyeknek nincs egyező impedanciája, akkor két lehetőség van: módosítsa az egyik összetevőt, vagy adjon hozzá áramkört, amely korrigálja az eltérést. Manapság az első lehetőség általában nem praktikus; valóban nehéz lenne az impedanciát beállítani egy integrált áramkör vagy a gyártott koaxiális kábel fizikai módosításával. 

Szerencsére azonban a második lehetőség tökéletes. A kiegészítő áramkört megfelelő hálózatnak vagy impedancia-transzformátornak nevezzük. Mindkét név hasznos az alapfogalom megértésében: az egyező hálózat lehetővé teszi a megfelelő impedancia-illesztést azáltal, hogy átalakítja az impedancia kapcsolatát a forrás és a terhelés között.

A megfelelő hálózatok megtervezése nem különösebben egyszerű, és nem valami olyasmit, amit alaposan megvitatunk egy ilyen tankönyvben. Mindazonáltal megfontolhatjuk néhány alapelvet, és megvizsgálunk egy meglehetősen egyértelmű példát is. Íme néhány fontos szempont, amelyet figyelembe kell venni:

* Egy megfelelő hálózat van csatlakoztatva a forrás és a terhelés között, és az áramkört általában úgy tervezik, hogy szinte az összes energiát átadja a terhelésnek, miközben olyan bemeneti impedanciát mutat, amely megegyezik a forrás kimeneti impedanciájának komplex konjugátumával. Alternatív megoldásként egy illeszkedő hálózatra gondolhat, amely úgy alakítja át a forrás kimeneti impedanciáját, hogy egyenlő legyen a terhelési impedancia komplex konjugátumával.

(A valós életbeli áramkörökben a forrás impedanciának gyakran nincs képzeletbeli része, ezért nem kell mindig a komplex konjugátumra hivatkoznunk. Egyszerűen azt mondhatjuk, hogy a terhelési impedanciának meg kell egyeznie a forrás impedanciával, mivel a komplex konjugátum nem ' t akkor releváns, ha az impedancia tisztán valós.)

* A tipikus illesztési hálózatok (veszteségmentes hálózatok) csak reaktív komponenseket használnak, azaz olyan elemeket, amelyek energiát tárolnak, nem pedig eloszlik. Ez a tulajdonság természetesen a megfelelő hálózat céljából következik, nevezetesen az, hogy lehetővé tegyék a maximális energiaátadást a forrástól a terhelésig. Ha a megfelelő hálózat olyan elemeket tartalmaz, amelyek eloszlatják az energiát, akkor az fogyaszt egy bizonyos energiát, amelyet megpróbálunk szállítani a rakományhoz. Így a megfelelő hálózatok kondenzátorokat és induktorokat használnak, nem ellenállásokat.

* Nehéz megtervezni a széles sávú illesztési hálózatot. Ez nem meglepő, ha emlékezzünk rá, hogy a megfelelő hálózat reaktív komponensekből áll: a induktorok és a kondenzátorok impedanciája a frekvenciától függ; így a megfelelő hálózaton áthaladó jelek frekvenciájának megváltoztatása kevésbé hatékony lehet.

Az L hálózat
A legegyértelműbb illesztési hálózati topológiát L hálózatnak nevezzük. Ez nyolc különféle L alakú áramkörre vonatkozik, amelyek két kondenzátorból, két induktorból vagy egy kondenzátorból és egy induktorból állnak. Az alábbi ábra a nyolc L-hálózati konfigurációt mutatja:

Az L hálózat egyszerű és hatékony, de nem alkalmas szélessávú alkalmazásokhoz. Nem szabad megfeledkeznünk arról is, hogy az induktorok és a kondenzátorok magas frekvenciákon komoly nemideális viselkedést mutatnak (amint azt az 4. fejezet 1. oldalán tárgyaltuk), így az L hálózat viselkedése kevésbé lesz kiszámítható, mivel a frekvenciák a gigaherc tartományba esnek.

Bizonyára értékes megérteni a hálózati illesztési értékeknek a forrás és a terhelési impedancia alapján történő kézi kiszámításában alkalmazott fogalmakat, bár ez inkább egy olyan kor tudományos vagy intellektuális gyakorlata, amikor a számológép eszközök könnyen elvégezhetik ezt a feladatot. Itt nem veszünk át egy számítási példát, de egy szimulációt fogunk használni a megfelelő hálózat hatásainak feltárására.

Egy példa
Tegyük fel, hogy a forrás impedanciája 50 Ω és az antenna impedanciája 200 Ω, és 100 MHz-en működünk. L hálózatot fogunk használni, amely egy induktorból és egy kondenzátorból áll:




Az AAC L-hálózati tervező eszköz a következő értékeket adja meg az induktorra és a kondenzátorra: 138 nH és 13.8 pF. Ez azt jelenti, hogy az impedanciával illesztett áramkörünk így néz ki:




A megfelelő hálózat hatékonyságának felméréséhez elindíthatunk egy szimulációt, majd ábrázolhatjuk a terhelés feletti feszültséget elosztva a terhelésbe áramló árammal, amely egyenlő a bemeneti impedanciával. (Ebben az esetben a terhelésbe áramló áram az L1 induktoron átáramló áram). 

Az AC elemzés különösen akkor hasznos, mert láthatjuk, hogyan változik a megfelelő hálózat hatása a frekvenciával. A következő ábra egy szimulációra vonatkozik, amelynek frekvenciatartománya 10 MHz-től 190 MHz-ig terjed (azaz a frekvencia 90 MHz feletti és alá eső frekvencia, amelyre a megfelelő hálózatot tervezték). Íme az eredmények:

 
Mint láthatja, 100 MHz-en a terhelés nagyon szorosan illeszkedik az 50 Ω forrás impedanciához, annak ellenére, hogy az eredeti terhelés 200 Ω impedanciája van. A fentiekben azonban azt mondtuk, hogy az L hálózat nem széles sávú topológia, és a szimuláció ezt minden bizonnyal megerősíti: a bemeneti impedancia gyorsan változik, amikor a jel frekvenciája elmozdul a 100 MHz-től.

Összegzésként
* A megfelelő hálózatot, amelyet impedancia-transzformátornak is neveznek, egyeztetett impedancia létrehozására használják a forrás és a terhelés között (például egy erősítő és egy antenna között).

* A veszteségmentes hálózatok csak reaktív komponensekből állnak; elkerülhetőek az ellenálló elemek, mert eloszlatják az energiát, míg a megfelelő hálózat célja, hogy megkönnyítse az energia átadását a forrásról a terhelésre.

* Egy egyszerű, keskeny sávú illesztési hálózat topológia az L hálózat. Két reaktív komponensből áll.

* A kalkulátor eszközök felhasználhatók a megfelelő hálózat gyors megtervezésére a forrás impedanciája, a terhelési impedancia és a jel frekvenciája alapján. 

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista