Frågan om 50:: Impedansmatchning i RF-design

Real-Life RF-signaler
Impedansmatchning är en grundläggande aspekt av RF-design och testning; signalreflektionerna orsakade av felinställda impedanser kan leda till allvarliga problem.

Matchning verkar som en trivial övning när du har att göra med en teoretisk krets som består av en idealisk källa, en transmissionslinje och en belastning.

Låt oss anta att lastimpedansen är fixerad. Allt vi behöver göra är att inkludera en källimpedans (ZS) som är lika med ZL och sedan utforma transmissionslinjen så att dess karakteristiska impedans (Z0) också är lika med ZL.

Men låt oss överväga svårigheten att implementera detta schema genom en komplex RF-krets som består av många passiva komponenter och integrerade kretsar. RF-designprocessen skulle vara allvarligt besvärlig om ingenjörerna måste modifiera varje komponent och specificera måtten på varje mikrostrip enligt den ena impedansen som valts som bas för alla de andra.

Detta antar också att projektet redan har nått PCB-skedet. Vad händer om vi vill testa och karakterisera ett system med hjälp av diskreta moduler, med hyllkablar som sammankopplingar? Att kompensera för oförenliga impedanser är ännu mer opraktiskt under dessa omständigheter.

Lösningen är enkel: välj en standardiserad impedans som kan användas i många RF-system och se till att komponenter och kablar är utformade i enlighet därmed. Denna impedans har valts; enheten är ohm, och antalet är 50.

Femtio Ohms
Det första man ska förstå är att det inte finns något i sig speciellt med en 50 Ω-impedans. Detta är inte en grundläggande konstant i universum, även om du kanske får intrycket att det är om du tillbringar tillräckligt med tid runt RF-ingenjörer. Det är inte ens en grundkonstant inom elektroteknik - kom ihåg att till exempel att bara en fysisk dimension av en koaxialkabel förändrar den karakteristiska impedansen.

Ändå är 50 Ω-impedans mycket viktig, eftersom det är impedansen kring vilken de flesta RF-system är utformade. Det är svårt att avgöra exakt varför 50 Ω blev den standardiserade RF-impedansen, men det är rimligt att anta att 50 Ω befanns vara en bra kompromiss i samband med tidiga koaxialkablar.

Den viktiga frågan är naturligtvis inte ursprunget till det specifika värdet utan snarare fördelarna med att ha denna standardiserade impedans. Att uppnå en väl matchad design är mycket enklare eftersom tillverkare av IC: er, fasta dämpare, antenner och så vidare kan bygga sina delar med denna impedans i åtanke. Dessutom blir PCB-layouten enklare eftersom så många ingenjörer har samma mål, nämligen att designa mikrostrips och striplines som har en karakteristisk impedans på 50 Ω.

Enligt denna app-anmärkning från Analog Devices kan du skapa en 50 r mikrostrip enligt följande: 1-ounce koppar, 20 mil bred spår, 10 mil separering mellan spår och markplan (förutsatt att det är dielektriskt FR-4).
 
Innan vi går vidare, låt oss vara tydliga på att inte alla högfrekventa system eller komponenter är konstruerade för 50 Ω. Andra värden kan väljas och faktiskt 75 2 impedans är fortfarande vanligt. Den karakteristiska impedansen för en koaxialkabel är proportionell mot den naturliga stocken för förhållandet mellan ytterdiametern (D1) och den inre diametern (DXNUMX).


 

Detta innebär att mer åtskillnad mellan den inre ledaren och den yttre ledaren motsvarar en högre impedans. Större separering mellan de två ledarna leder också till lägre kapacitet. 

Således har 75 Ω koax lägre kapacitet än 50 Ω koax, och detta gör 75 Ω kabel mer lämplig för högfrekventa digitala signaler, som kräver låg kapacitans för att undvika överdriven dämpning av högfrekvensinnehållet förknippat med de snabba övergångarna mellan logik låg och logik hög.

Reflektionskoefficient
Med tanke på hur viktig impedansmatchning är i RF-design bör vi inte bli förvånade över att det finns en specifik parameter som används för att uttrycka kvaliteten på en matchning. Det kallas reflektionskoefficienten; symbolen är Γ (den grekiska stora bokstaven gamma). Det är förhållandet mellan den reflekterade vågens komplexa amplitud och den infallande vågens komplexa amplitud. 

Förhållandet mellan infallningsvåg och reflekterad våg bestäms emellertid av källan (ZS) och belastningen (ZL) impedanser, och det är således möjligt att definiera reflektionskoefficienten i termer av dessa impedanser:

 

Om "källan" i detta fall är en överföringslinje, kan vi ändra ZS till Z0.



I ett typiskt system är storleken på reflektionskoefficienten ett tal mellan noll och ett. Låt oss titta på tre matematiska enkla situationer för att hjälpa oss förstå hur reflektionskoefficienten motsvarar det faktiska kretsbeteendet:

* Om matchen är perfekt (ZL = Z0) är telleren noll och reflektionskoefficienten är därmed noll. Detta är meningsfullt eftersom perfekt matchning resulterar i reflektion.

* Om belastningsimpedansen är oändlig (dvs. en öppen krets) blir reflektionskoefficienten oändlighet dividerad med oändligheten, som är en. En reflektionskoefficient av en motsvarar full reflektion, dvs. all vågenergi reflekteras. Detta är meningsfullt eftersom en överföringsledning ansluten till en öppen krets motsvarar en fullständig diskontinuitet (se föregående sida) - lasten kan inte ta upp någon energi, så det måste allt reflekteras.

* Om lastimpedansen är noll (dvs. en kortslutning) blir reflektionskoefficientens storlek Z0 dividerat med Z0. Således har vi igen | Γ | = 1, vilket är meningsfullt eftersom en kortslutning också motsvarar en fullständig diskontinuitet som inte kan absorbera någon av den infallande vågenergin.

VSWR
En annan parameter som används för att beskriva matchning av impedans är spänningens stående vågförhållande (VSWR). Det definieras enligt följande:

VSWR närmar sig impedansmatchning ur perspektivet för den resulterande stående vågen. Den överför förhållandet mellan den högsta stående vågamplituden och den lägsta stående vågamplituden. Den här videon kan hjälpa dig att visualisera förhållandet mellan impedansmatchning och amplitudegenskaperna för den stående vågen, och följande diagram överför stående vågamplitudegenskaper för tre olika reflektionskoefficienter.




Mer impedansmatchning leder till en större skillnad mellan platser med högsta amplitud och lägsta amplitud längs den stående vågen. Bilden används med tillstånd av interferometristen.
 
VSWR uttrycks ofta som ett förhållande. En perfekt matchning skulle vara 1: 1, vilket betyder att signalens toppamplitud alltid är densamma (dvs. det finns ingen stående våg). Ett förhållande på 2: 1 indikerar att reflektioner har resulterat i en stående våg med en maximal amplitud som är dubbelt så stor som den minsta amplituden.

Sammanfattning
* Användningen av en standardiserad impedans gör RF-konstruktion mycket mer praktisk och effektiv.

* De flesta RF-system är byggda kring 50 Ω impedans. Vissa system använder 75 Ω; det senare värdet är mer lämpligt för höghastighets digitala signaler.

* Kvaliteten på en impedansmatchning kan uttryckas matematiskt med reflektionskoefficienten (Γ). En perfekt matchning motsvarar Γ = 0, och en fullständig diskontinuitet (där all energi reflekteras) motsvarar Γ = 1.

* Ett annat sätt att kvantifiera kvaliteten på en impedansmatchning är spänningens stående vågförhållande (VSWR).

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC