Întrebarea de 50 Ω: potrivirea impedimentelor în proiectarea RF

Semnale RF în viață reală
Potrivirea impedimentelor este un aspect fundamental al proiectării și testării RF; reflectiile semnalului cauzate de impedanțe nepotrivite pot duce la probleme grave.

Potrivirea pare un exercițiu banal atunci când ai de-a face cu un circuit teoretic compus dintr-o sursă ideală, o linie de transmisie și o încărcare.

Să presupunem că impedanța de încărcare este fixă. Tot ce trebuie să facem este să includem o impedanță sursă (ZS) egală cu ZL și apoi să proiectăm linia de transmisie, astfel încât impedanța sa caracteristică (Z0) să fie egală cu ZL.

Dar să luăm în considerare pentru o clipă dificultatea implementării acestei scheme pe un circuit RF complex format din numeroase componente pasive și circuite integrate. Procesul de proiectare RF ar fi greu de condus dacă inginerii ar trebui să modifice fiecare componentă și să specifice dimensiunile fiecărui microtrip în funcție de impedanța aleasă ca bază pentru toate celelalte.

De asemenea, acest lucru presupune că proiectul a ajuns deja la stadiul PCB. Ce se întâmplă dacă dorim să testăm și să caracterizăm un sistem folosind module discrete, cu cabluri în afara raftului ca interconectări? Compensarea pentru impedanțe nepotrivite este și mai puțin practică în aceste condiții.

Soluția este simplă: alegeți o impedanță standardizată care poate fi utilizată în numeroase sisteme RF și asigurați-vă că componentele și cablurile sunt proiectate în consecință. Această impedanță a fost aleasă; unitatea este ohm, iar numărul este 50.

Cincizeci de Ohmi
Primul lucru de înțeles este că nu există nimic intrinsec special despre o impedanță de 50 Ω. Aceasta nu este o constantă fundamentală a universului, deși s-ar putea să aveți impresia că este dacă petreceți suficient timp în jurul inginerilor RF. Nu este chiar o constantă fundamentală a ingineriei electrice - amintiți-vă, de exemplu, că simpla schimbare a dimensiunilor fizice ale unui cablu coaxial va modifica impedanța caracteristică.

Cu toate acestea, impedanța de 50 Ω este foarte importantă, deoarece este impedanța în jurul căreia sunt proiectate cele mai multe sisteme RF. Este dificil să se stabilească exact de ce 50 Ω a devenit impedanța RF standardizată, dar este rezonabil să presupunem că 50 Ω a fost un compromis bun în contextul cablurilor coaxiale timpurii.

Problema importantă, desigur, nu este originea valorii specifice, ci mai degrabă beneficiile existenței acestei impedanțe standardizate. Realizarea unui design bine adaptat este mult mai simplă, deoarece producătorii de CI, atenuatoare fixe, antene și așa mai departe își pot construi părțile cu această impedanță. De asemenea, aspectul PCB devine mai simplu, deoarece atât de mulți ingineri au același obiectiv, și anume, proiectarea microstrips-urilor și a liniilor care au o impedanță caracteristică de 50 Ω.

Conform acestei note a aplicației de la Analog Devices, puteți crea o microstripă de 50 Ω după cum urmează: 1 uncie de cupru, 20 de milă de lățime, 10 mil de separare între urmă și planul de sol (presupunând dielectric FR-4).
 
Înainte de a merge mai departe, să fim clar că nu toate sistemele sau componentele de înaltă frecvență sunt proiectate pentru 50 Ω. S-ar putea alege alte valori și, de fapt, impedanța de 75 Ω este încă comună. Impedanța caracteristică a unui cablu coaxial este proporțională cu jurnalul natural al raportului diametrului exterior (D2) cu diametrul interior (D1).


 

Aceasta înseamnă că o mai mare separare între conductorul interior și conductorul exterior corespunde unei impedanțe mai mari. O separare mai mare între cei doi conductori duce, de asemenea, la o capacitate mai mică. 

Astfel, coaxialul de 75 Ω are o capacitate mai mică decât cea coaxială de 50 Ω, iar acest lucru face ca cablul de 75 Ω să fie mai potrivit pentru semnalele digitale de înaltă frecvență, care necesită o capacitate scăzută pentru a evita atenuarea excesivă a conținutului de înaltă frecvență asociat cu tranzițiile rapide între logica scazuta si logica ridicata.

Coeficient de reflecție
Având în vedere cât de importantă este potrivirea impedanței în proiectarea RF, nu trebuie să fim surprinși să aflăm că există un parametru specific utilizat pentru a exprima calitatea unei potriviri. Se numește coeficient de reflecție; simbolul este Γ (litera majusculă greacă). Este raportul dintre amplitudinea complexă a undei reflectate și amplitudinea complexă a undei incidente. 

Cu toate acestea, relația dintre unda incidentă și unda reflectată este determinată de impedanțele sursă (ZS) și sarcină (ZL) și astfel este posibilă definirea coeficientului de reflecție în termenii acestor impedanțe:

 

Dacă „sursa” în acest caz este o linie de transmisie, putem schimba ZS în Z0.



Într-un sistem tipic, mărimea coeficientului de reflecție este un număr între zero și unu. Să analizăm trei situații simple din punct de vedere matematic pentru a ne ajuta să înțelegem cum coeficientul de reflecție corespunde comportamentului circuitului real:

* Dacă potrivirea este perfectă (ZL = Z0), numărătorul este zero, deci coeficientul de reflecție este zero. Acest lucru are sens, deoarece potrivirea perfectă nu duce la nicio reflecție.

* Dacă impedanța de încărcare este infinită (adică un circuit deschis), coeficientul de reflecție devine infinit împărțit la infinit, care este unul singur. Un coeficient de reflecție al unuia corespunde reflectării complete, adică toată energia undei este reflectată. Acest lucru are sens, deoarece o linie de transmisie conectată la un circuit deschis corespunde unei întreruperi complete (vezi pagina precedentă) - sarcina nu poate absorbi nicio energie, deci trebuie reflectată.

* Dacă impedanța de încărcare este zero (adică un scurtcircuit), mărimea coeficientului de reflecție devine Z0 împărțită la Z0. Astfel avem din nou | Γ | = 1, ceea ce are sens, deoarece un scurtcircuit corespunde, de asemenea, unei întreruperi complete care nu poate absorbi niciuna din energia undelor incidente.

VSWR
Un alt parametru utilizat pentru a descrie potrivirea impedanței este raportul de undă permanentă (VSWR). Este definit astfel:

VSWR abordează o potrivire a impedanțelor din perspectiva undei permanente rezultate. Acesta transmite raportul dintre cea mai mare amplitudine a undelor în picioare și cea mai mică amplitudine a undelor permanente. Acest videoclip vă poate ajuta să vizualizați relația dintre nepotrivirea impedanței și caracteristicile de amplitudine ale undei permanente, iar următoarea diagramă transmite caracteristicile amplitudinii undelor în picioare pentru trei coeficienți de reflecție diferiți.




Nepotrivirea mai mare a impedanței duce la o diferență mai mare între locațiile cu cea mai mare amplitudine și cea mai mică amplitudine de-a lungul valului permanent. Imagine folosită prin interferometrist.
 
VSWR este exprimat în mod obișnuit ca raport. O potrivire perfectă ar fi 1: 1, ceea ce înseamnă că amplitudinea maximă a semnalului este întotdeauna aceeași (adică nu există o undă în picioare). Un raport de 2: 1 indică faptul că reflecțiile au dus la o undă permanentă cu o amplitudine maximă care este de două ori mai mare decât amplitudinea sa minimă.

Rezumat
* Utilizarea unei impedanțe standard face ca designul RF să fie mult mai practic și mai eficient.

* Majoritatea sistemelor RF sunt construite în jurul unei impedanțe de 50 Ω. Unele sisteme folosesc 75 Ω; această din urmă valoare este mai potrivită pentru semnalele digitale de mare viteză.

* Calitatea unei potriviri de impedanță poate fi exprimată matematic prin coeficientul de reflecție (Γ). O potrivire perfectă corespunde cu Γ = 0, iar o întrerupere completă (în care se reflectă toată energia) corespunde cu Γ = 1.

* Un alt mod de cuantificare a calității unei potriviri de impedanță este raportul de undă permanentă (VSWR).

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje