Питання 50 Ом: Відповідність опору в RF-дизайні

РЧ-сигнали реального життя
Відповідність опору є основним аспектом проектування та тестування РФ; відбиття сигналу, викликане невідповідними опорами, може призвести до серйозних проблем.

Узгодження здається тривіальною вправою, коли ви маєте справу з теоретичною схемою, що складається з ідеального джерела, лінії електропередачі та навантаження.

Припустимо, що імпеданс навантаження фіксований. Все, що нам потрібно зробити, це включити імпеданс джерела (ZS), рівний ZL, а потім спроектувати лінію електропередачі так, щоб її характеристичний опір (Z0) також був рівним ZL.

Але давайте розглянемо на мить складність реалізації цієї схеми на протязі складної радіочастотної схеми, що складається з численних пасивних компонентів та інтегральних мікросхем. Процес проектування ВЧ був би серйозно непростим, якби інженерам довелося змінювати кожен компонент і визначати розміри кожної мікросмужки відповідно до одного імпедансу, обраного в якості основи для всіх інших.

Крім того, це передбачає, що проект вже досяг етапу друкованої плати. Що робити, якщо ми хочемо протестувати та охарактеризувати систему, використовуючи окремі модулі, із нестандартними кабелями як з'єднувачами? Компенсація за невідповідні імпеданси в цих умовах ще більш недоцільна.

Рішення просте: виберіть стандартизований опір, який можна використовувати в численних радіочастотних системах, і переконайтеся, що компоненти та кабелі розроблені відповідно. Цей імпеданс обрано; одиниця - Ом, а число - 50.

П’ятдесят Ом
Перше, що слід зрозуміти, це те, що в імпедансі 50 Ом немає нічого особливого. Це не фундаментальна константа Всесвіту, хоча у вас може скластись враження, що це якщо ви витратите достатньо часу навколо інженерів РФ. Це навіть не фундаментальна константа електротехніки - пам’ятайте, наприклад, що просто зміна фізичних розмірів коаксіального кабелю змінить характерний опір.

Тим не менш, імпеданс 50 Ом дуже важливий, тому що це імпеданс, навколо якого розроблена більшість радіочастотних систем. Важко точно визначити, чому 50 Ом став стандартизованим радіочастотним імпедансом, але розумно припустити, що 50 Ом був хорошим компромісом в контексті ранніх коаксіальних кабелів.

Важливим питанням, звичайно, є не походження конкретної цінності, а скоріше переваги наявності цього стандартизованого імпедансу. Досягти чітко підібраної конструкції набагато простіше, оскільки виробники ІМС, фіксованих аттенюаторів, антен тощо можуть створювати свої деталі з урахуванням цього імпедансу. Крім того, компонування друкованої плати стає більш простим, оскільки у багатьох інженерів є одна і та ж мета, а саме - спроектувати мікрополоски та смуги, що мають характерний опір 50 Ом.

Згідно з цією запискою програми від Analog Devices, ви можете створити мікрополоскою 50 Ом таким чином: мідь на 1 унцію, шириною 20 міліметрів, розділення між мікроелементом і земною площиною 10 міліметрів (якщо вважати діелектриком FR-4).
 
Перш ніж рухатися далі, давайте зрозуміємо, що не кожна високочастотна система чи компонент розраховані на 50 Ом. Можна вибрати інші значення, і насправді імпеданс 75 Ом все ще поширений. Характерний опір коаксіального кабелю пропорційний природному журналу відношення зовнішнього діаметра (D2) до внутрішнього діаметра (D1).


 

Це означає, що більше розділення між внутрішнім і зовнішнім провідником відповідає більшому опору. Більше розділення між двома провідниками також призводить до зниження ємності. 

Таким чином, коаксіум 75 Ом має меншу ємність, ніж коаксіальний 50 Ом, і це робить кабель 75 Ом більш придатним для високочастотних цифрових сигналів, які потребують низької ємності, щоб уникнути надмірного ослаблення високочастотного вмісту, пов'язаного з швидкими переходами між логіка низька і логіка висока.

Коефіцієнт відбиття
З огляду на те, наскільки важливим є відповідність імпедансу в радіочастотному дизайні, ми не повинні дивуватися, виявивши, що існує певний параметр, який використовується для вираження якості відповідності. Його називають коефіцієнтом відбиття; символ - Γ (грецька гамма великої літери). Це відношення комплексної амплітуди відбитої хвилі до складної амплітуди падаючої хвилі. 

Однак взаємозв'язок між падаючою хвилею та відбитою хвилею визначається джерелом опору (ZS) та навантаженням (ZL), і таким чином можна визначити коефіцієнт відбиття з точки зору цих опорів:

 

Якщо "джерелом" в цьому випадку є лінія електропередачі, ми можемо змінити ZS на Z0.



У типовій системі величина коефіцієнта відбиття є числом між нулем і одиницею. Давайте розглянемо три математично прямі ситуації, які допоможуть нам зрозуміти, як коефіцієнт відбиття відповідає реальній поведінці ланцюга:

* Якщо збіг ідеальний (ZL = Z0), чисельник дорівнює нулю, а значить, коефіцієнт відбиття дорівнює нулю. Це має сенс, оскільки ідеальне узгодження результатів не відображається.

* Якщо опір навантаження нескінченний (тобто, розімкнутий контур), коефіцієнт відбиття стає нескінченним, поділеним на нескінченність, що становить одиницю. Коефіцієнт відбиття одиниця відповідає повному відбиттю, тобто відбивається вся енергія хвилі. Це має сенс, оскільки лінія електропередачі, підключена до відкритого ланцюга, відповідає повному розриву (див. Попередню сторінку) - навантаження не може поглинати жодної енергії, тому все повинно бути відображено.

* Якщо опір навантаження дорівнює нулю (тобто коротке замикання), величина коефіцієнта відбиття стає Z0, поділеною на Z0. Таким чином, ми знову маємо | Γ | = 1, що має сенс, оскільки коротке замикання також відповідає повному розриву, який не може поглинати жодну енергію хвилі падаючої хвилі.

КСВ
Інший параметр, який використовується для опису відповідності імпедансу, - це відношення хвилі стоячої напруги (VSWR). Він визначається наступним чином:

VSWR підходить до узгодження імпедансу з точки зору виникаючої стоячої хвилі. Він передає відношення найвищої амплітуди стоячої хвилі до найменшої амплітуди стоячої хвилі. Це відео допоможе вам уявити взаємозв'язок між невідповідністю імпедансу та амплітудними характеристиками стоячої хвилі, а наступна діаграма передає характеристики амплітуди стоячої хвилі для трьох різних коефіцієнтів відбиття.




Більш невідповідність імпедансу призводить до більшої різниці між місцями з найвищою амплітудою та найнижчою амплітудою вздовж стоячої хвилі. Зображення використовувалось люб'язно з інтерферометриста.
 
VSWR зазвичай виражається у співвідношенні. Ідеальний збіг був би 1: 1, це означає, що амплітуда піку сигналу завжди однакова (тобто немає стоячої хвилі). Співвідношення 2: 1 вказує на те, що віддзеркалення призвело до появи стоячої хвилі з максимальною амплітудою, що вдвічі більша за її мінімальну амплітуду.

Підсумки
* Використання стандартизованого опору робить RF-дизайн набагато більш практичним та ефективним.

* Більшість радіочастотних систем побудовані з опором 50 Ом. Деякі системи використовують 75 Ом; це останнє значення більше підходить для високошвидкісних цифрових сигналів.

* Якість збігу імпедансу може бути виражена математично коефіцієнтом відбиття (Γ). Ідеальна відповідність відповідає Γ = 0, а повна розрив (в якій відображається вся енергія) відповідає Γ = 1.

* Інший спосіб кількісної оцінки якості імпедансного матчу - це відношення хвилі стоячої напруги (VSWR).

Залишити повідомлення 

список повідомлень