Die 50 Ω Vraag: Impedansie wat ooreenstem met RF-ontwerp

Werklike RF-seine
Impedansie-aanpassing is 'n fundamentele aspek van RF-ontwerp en -toetsing; die weerkaatsing van die sein wat veroorsaak word deur onpasbare impedansies, kan tot ernstige probleme lei.

Om te pas lyk soos 'n geringe oefening as u teoretiese stroombane het wat bestaan ​​uit 'n ideale bron, 'n transmissielyn en 'n las.

Laat ons aanvaar dat die lasimpedansie vas is. Ons hoef net 'n bronimpedansie (ZS) gelyk aan ZL in te sluit en dan die transmissielyn te ontwerp sodat die kenmerkende impedansie (Z0) ook gelyk is aan ZL.

Maar kom ons kyk vir 'n oomblik na die moeilikheidsgraad van die implementering van hierdie skema in 'n komplekse RF-kring wat bestaan ​​uit talle passiewe komponente en geïntegreerde stroombane. Die RF-ontwerpproses sou ernstig lastig wees as ingenieurs elke komponent moes verander en die afmetings van elke mikrostrook spesifiseer volgens die een impedansie wat as basis vir al die ander gekies is.

Dit aanvaar ook dat die projek reeds die PCB-fase bereik het. Wat as ons 'n stelsel wil toets en karakteriseer met behulp van diskrete modules, met kabels wat buite die rak is as interkonneksies? In hierdie omstandighede is daar selfs meer onprakties om te vergoed vir onversoenbare impedansies.

Die oplossing is eenvoudig: kies 'n gestandaardiseerde impedansie wat in talle RF-stelsels gebruik kan word, en sorg dat komponente en kabels dienooreenkomstig ontwerp word. Hierdie impedansie is gekies; die eenheid is ohm, en die getal is 50.

Vyftig Ohms
Die eerste ding om te verstaan ​​is dat daar niks intrinsiek aan 'n 50 Ω-impedansie bestaan ​​nie. Dit is nie 'n fundamentele konstant van die heelal nie, alhoewel u die indruk kan kry dat dit is as u genoeg tyd aan RF-ingenieurs deurbring. Dit is nie eens 'n fundamentele konstant van elektriese ingenieurswese nie; onthou byvoorbeeld dat die verandering van die fisiese afmetings van 'n koaksiale kabel die kenmerkende impedansie sal verander.

Desondanks is 50 Ω-impedansie baie belangrik, want dit is die impedansie rondom die meeste RF-stelsels. Dit is moeilik om te bepaal presies waarom 50 the die gestandaardiseerde RF-impedansie geword het, maar dit is redelik om te aanvaar dat 50 Ω 'n goeie kompromis gevind is in die konteks van vroeë koaksiale kabels.

Die belangrike saak is natuurlik nie die oorsprong van die spesifieke waarde nie, maar eerder die voordele van hierdie gestandaardiseerde impedansie. Dit is baie eenvoudiger om 'n goeie ontwerp te kry, omdat vervaardigers van IC's, vaste dempers, antennas, ensovoorts hul onderdele kan bou met hierdie impedansie in gedagte. PCB-uitleg word ook eenvoudig omdat so baie ingenieurs dieselfde doel het, naamlik om mikrostroke en -stroke te ontwerp wat 'n kenmerkende impedansie van 50 Ω het.

Volgens hierdie app-opmerking van Analog Devices, kan u 'n 50 Ω mikrostrook soos volg skep: 1-gram koper, 20-mil-breë spoor, 10-mil skeiding tussen spoor en grondvlak (as FR-4 diëlektries aanvaar word).
 
Voordat ons verder gaan, moet ons duidelik wees dat nie elke hoëfrekwensiestelsel of komponent vir 50 Ω ontwerp is nie. Ander waardes kan gekies word, en in werklikheid is 75 Ω impedansie steeds algemeen. Die kenmerkende impedansie van 'n koaksiale kabel is eweredig aan die natuurlike log van die verhouding van die buitenste deursnee (D2) tot die binne-deursnee (D1).


 

Dit beteken dat meer skeiding tussen die innerlike geleier en die buitenste geleier ooreenstem met 'n hoër impedansie. Groter skeiding tussen die twee geleiers lei ook tot laer kapasitansie. 

Dus, 75 Ω koaks het 'n laer kapasitansie as 50 Ω koaks, en dit maak 75 Ω kabel meer geskik vir hoëfrekwensie digitale seine, wat 'n lae kapasitansie benodig om oormatige verswakking van die hoë frekwensie-inhoud wat verband hou met die vinnige oorgange tussen logika laag en logika hoog.

Refleksiekoëffisiënt
As ons nadink oor hoe belangrik impedansie-aanpassing by RF-ontwerp is, moet ons nie verbaas wees dat daar 'n spesifieke parameter is wat gebruik word om die kwaliteit van 'n vuurhoutjie uit te druk nie. Dit word die refleksiekoëffisiënt genoem; die simbool is Γ (die Griekse hoofletter gamma). Dit is die verhouding tussen die komplekse amplitude van die gereflekteerde golf en die komplekse amplitude van die insidentgolf. 

Die verband tussen insidentgolf en gereflekteerde golf word egter bepaal deur die bron (ZS) en las (ZL) impedansies, en dit is dus moontlik om die refleksiekoëffisiënt in terme van hierdie impedansies te definieer:

 

As die 'bron' in hierdie geval 'n transmissielyn is, kan ons die ZS na Z0 verander.



In 'n tipiese stelsel is die grootte van die refleksiekoëffisiënt 'n getal tussen nul en een. Kom ons kyk na drie wiskundig eenvoudige situasies om ons te help om te verstaan ​​hoe die refleksiekoëffisiënt ooreenstem met die werklike stroombaangedrag:

* As die vuurhoutjie perfek is (ZL = Z0), is die teller nul, en die refleksiekoëffisiënt is dus nul. Dit is sinvol omdat perfekte ooreenstemming geen refleksie tot gevolg het nie.

* As die lasimpedansie oneindig is (dit wil sê 'n oop stroombaan), word die refleksiekoëffisiënt oneindig gedeel deur oneindigheid, wat een is. 'N Refleksiekoëffisiënt van een stem ooreen met die volledige refleksie, dit wil sê, al die golfenergie word gereflekteer. Dit is sinvol omdat 'n transmissielyn wat aan 'n oop stroombaan gekoppel is, ooreenstem met 'n volledige diskontinuïteit (sien die vorige bladsy) - die las kan geen energie opneem nie, daarom moet dit alles weerkaats word.

* As die lasimpedansie nul is (dit wil sê 'n kortsluiting), word die grootte van die refleksiekoëffisiënt Z0 gedeel deur Z0. So het ons weer | Γ | = 1, wat sinvol is omdat 'n kortsluiting ook ooreenstem met 'n volledige diskontinuïteit wat nie enige van die insidente golfenergie kan opneem nie.

VSWR
'N Ander parameter wat gebruik word om die impedansie-aanpassing te beskryf, is die spanning-staande golfverhouding (VSWR). Dit word soos volg gedefinieer:

VSWR benader impedansiepassing vanuit die perspektief van die gevolglike golf. Dit dra die verhouding van die hoogste staande-golfamplitude en die laagste staande-golfamplitude oor. Hierdie video kan u help om die verband tussen impedansie-wanverhouding en die amplitude-eienskappe van die staande golf te visualiseer, en die volgende diagram dra staande-golfamplitude-eienskappe oor vir drie verskillende refleksiekoëffisiënte.




Meer impedansie-onverbinding lei tot 'n groter verskil tussen die liggings met die hoogste amplitude en die laagste amplitude langs die staande golf. Beeld gebruik met vergunning van die Interferometrist.
 
VSWR word gewoonlik uitgedruk as 'n verhouding. Die perfekte pasmaat is 1: 1, wat beteken dat die piekamplitude van die sein altyd dieselfde is (dit wil sê, daar is geen staande golf nie). 'N Verhouding van 2: 1 dui aan dat weerkaatsings gelei het tot 'n staande golf met 'n maksimum amplitude wat twee keer so groot is as die minimum amplitude.

Opsomming
* Die gebruik van 'n gestandaardiseerde impedansie maak RF-ontwerp baie meer prakties en doeltreffend.

* Die meeste RF-stelsels is gebou rondom 50 Ω impedansie. Sommige stelsels gebruik 75 Ω; laasgenoemde waarde is meer geskik vir hoë snelheid digitale seine.

* Die kwaliteit van 'n impedansie-wedstryd kan wiskundig uitgedruk word deur die refleksiekoëffisiënt (Γ). 'N Perfekte pasmaat stem ooreen met Γ = 0, en 'n volledige diskontinuïteit (waarin al die energie weerspieël word) stem ooreen met Γ = 1.

* 'N Ander manier om die kwaliteit van 'n impedansie-pasmaat te kwantifiseer, is die spanning-staande golfverhouding (VSWR).

Los 'n boodskap 

boodskap Lys