Vprašanje 50 Ω: Ujemanje upornosti v RF zasnovi

Resnični RF signali
Ujemanje upornosti je temeljni vidik načrtovanja in testiranja RF; odsevi signala, ki jih povzročajo neusklajene impedance, lahko povzročijo resne težave.

Ujemanje se zdi kot trivialna vaja, ko imate opravka s teoretičnim vezjem, sestavljenim iz idealnega vira, daljnovoda in bremena.

Predpostavimo, da je impedanca obremenitve fiksna. Vse kar moramo storiti je, da vključimo vhodno impedanco (ZS), ki je enaka ZL, in nato načrtujemo daljnovod tako, da je njegova značilna impedanca (Z0) enaka tudi ZL.

Toda za trenutek razmislimo o težavnosti izvajanja te sheme v kompleksnem RF vezju, sestavljenem iz številnih pasivnih komponent in integriranih vezij. Postopek načrtovanja RF bi bil resnično nevaren, če bi inženirji morali spremeniti vsako komponento in določiti dimenzije vsakega mikropojasca glede na eno impedanco, izbrano kot osnovo za vse ostale.

To tudi predvideva, da je projekt že dosegel fazo PCB. Kaj pa, če želimo preizkusiti in označiti sistem z uporabo diskretnih modulov, ki imajo medsebojne povezave zunaj polica? Nadomestilo za neusklajene impedance je v teh okoliščinah še bolj nepraktično.

Rešitev je preprosta: izberite standardizirano impedanco, ki jo je mogoče uporabiti v številnih RF sistemih, in zagotovite, da so komponente in kabli ustrezno zasnovani. Ta impedanca je bila izbrana; enota je ohms, število pa 50.

Petdeset Ohmov
Prva stvar, ki jo je treba razumeti, je, da glede impedance 50 Ω ni nič posebnega. To ni osnovna stalnica vesolja, čeprav lahko dobite vtis, da je, če boste dovolj časa preživeli okoli RF inženirjev. To niti ni osnovna konstanta elektrotehnike - na primer ne pozabite, da bo preprosto spreminjanje fizičnih dimenzij koaksialnega kabla spremenilo značilno impedanco.

Kljub temu je 50 Ω impedanca zelo pomembna, saj je impedanca, okoli katere je zasnovanih večina RF sistemov. Težko je natančno določiti, zakaj je 50 Ω postalo standardizirana RF impedanca, vendar je smiselno domnevati, da je 50 Ω v zgodnjih koaksialnih kablih dober kompromis.

Pomembno vprašanje seveda ni izvor določene vrednosti, temveč prednosti, ki jih ima ta standardizirana impedanca. Doseganje dobro usklajene zasnove je zelo preprostejše, saj lahko proizvajalci IC-jev, fiksnih ojačevalcev, anten in podobno izdelajo svoje dele ob upoštevanju te impedance. Tudi postavitev PCB-ja postane bolj preprosta, ker ima toliko inženirjev isti cilj, in sicer oblikovanje mikropotez in trakov, ki imajo značilno impedanco 50 Ω.

V skladu s to opombo o aplikaciji Analog Devices lahko ustvarite mikrotrak 50 Ω na naslednji način: baker z 1 unčo, 20 milimetrov širine, 10 mil milja med sledom in osnovno ravnino (ob predpostavki, da je FR-4 dielektrični).
 
Preden nadaljujemo, naj bo jasno, da ni vsak visokofrekvenčni sistem ali komponenta zasnovana za 50 Ω. Lahko bi izbrali druge vrednosti in dejansko je impedanca 75 Ω še vedno pogosta. Značilna impedanca koaksialnega kabla je sorazmerna z naravnim logom razmerja zunanjega premera (D2) in notranjega premera (D1).


 

To pomeni, da večja ločnica med notranjim in zunanjim prevodnikom ustreza večji impedanci. Večja ločitev med dvema vodnikoma vodi tudi do manjše kapacitivnosti. 

Tako ima koaksijalni koeficient 75 Ω nižjo kapacitivnost kot koaks 50 Ω, zaradi česar je 75 Ω kabel primernejši za visokofrekvenčne digitalne signale, ki potrebujejo nizko kapacitivnost, da se prepreči prekomerno slabljenje visokofrekvenčne vsebine, povezano s hitrimi prehodi med logika nizka in logika visoka.

Koeficient refleksije
Glede na to, kako pomembno je ujemanje upornosti v RF-zasnovi, ne bi smeli biti presenečeni, ko ugotovimo, da obstaja določen parameter, ki se uporablja za izražanje kakovosti ujemanja. Imenuje se koeficient odboja; simbol je Γ (grška velika črka gama). Je razmerje med kompleksno amplitudo odbitega vala in kompleksno amplitudo vpadnega vala. 

Vendar razmerje med vpadnim valom in odbijenim valom določa izvorna (ZS) in obremenitev (ZL) impedance, zato je mogoče glede na te impedance določiti koeficient odbojnosti:

 

Če je v tem primeru "vir" daljnovod, lahko ZS spremenimo v Z0.



V značilnem sistemu je velikost koeficienta odboja število med ničlo in eno. Oglejmo si tri matematično preproste situacije, da bomo lažje razumeli, kako koeficient odboja ustreza dejanskemu obnašanju vezja:

* Če je ujemanje popolno (ZL = Z0), je števec nič, s tem je koeficient odbojnosti nič. To je smiselno, ker popolno ujemanje rezultira brez refleksije.

* Če je impedanca obremenitve neskončna (tj. Odprti tokokrog), koeficient odbojnosti postane neskončnost, deljena z neskončnostjo, ki je ena. Odbojni koeficient ena ustreza polnemu odboju, tj. Odraža se vsa energija valov. To je smiselno, ker daljnovod, povezan z odprtim vezjem, ustreza popolni prekinitvi (glej prejšnjo stran) - obremenitev ne more absorbirati nobene energije, zato se mora vse to odražati.

* Če je impedanca obremenitve enaka nič (tj. Kratek stik), postane velikost odbojnega koeficienta Z0, deljena z Z0. Tako imamo spet | Γ | = 1, kar je smiselno, ker kratkemu stiku ustreza tudi popolna prekinitev, ki ne more absorbirati nobene energije padajočega vala.

VSWR
Drug parameter, ki se uporablja za opis ujemanja impedance, je razmerje napetosti stoječega vala (VSWR). Opredeljena je na naslednji način:

VSWR pristopa do ujema upornosti z vidika nastalega stoječega vala. Prenaša razmerje med najvišjo amplitudo stoječega vala in najnižjo amplitudo stoječega vala. Ta videoposnetek vam lahko pomaga prikazati razmerje med neskladjem impedance in amplitudnimi značilnostmi stoječega vala, naslednji grafikon pa prikazuje značilnosti amplitude stoječega vala za tri različne koeficiente odboja.




Več neusklajenosti impedance vodi do večje razlike med lokacijami najvišje in najnižje amplitude vzdolž stoječega vala. Slika je bila uporabljena z dovoljenjem Interferometrista.
 
VSWR se običajno izrazi kot razmerje. Popolno ujemanje bi bilo 1: 1, kar pomeni, da je največja amplituda signala vedno enaka (tj. Ne stoji stoječi val). Razmerje 2: 1 pomeni, da so odsevi povzročili stoječi val z največjo amplitudo, ki je dvakrat večja od njegove minimalne amplitude.

Povzetek
* Uporaba standardizirane impedance naredi RF dizajn veliko bolj praktičen in učinkovit.

* Večina RF sistemov je vgrajena okoli 50 Ω impedance. Nekateri sistemi uporabljajo 75 Ω; slednja vrednost je primernejša za digitalne signale visoke hitrosti.

* Kakovost ujema z impedanco se lahko izrazi matematično s koeficientom odboja (Γ). Popolno ujemanje ustreza Γ = 0, popolna prekinitev (v kateri se odraža vsa energija) pa ustreza Γ = 1.

* Drug način določanja kakovosti ujema z impedanco je razmerje med napetostjo in valom (VSWR).

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo