Ang 50 Ω Tanong: Impedance Pagtutugma sa Disenyo ng RF

Mga Real-Life RF Signals
Ang pagtutugma ng impedance ay isang pangunahing aspeto ng disenyo at pagsubok ng RF; ang mga pagmumuni-muni ng signal na dulot ng mga impedance na walang imik ay maaaring humantong sa mga malubhang problema.

Ang pagtutugma ay tila isang maliit na ehersisyo kapag nakikipag-ugnayan ka sa isang teoretikal na circuit na binubuo ng isang mainam na mapagkukunan, isang linya ng paghahatid, at isang pagkarga.

Ipalagay natin na naayos ang impedance ng pagkarga. Ang kailangan lang nating gawin ay kasama ang isang source impedance (ZS) na katumbas ng ZL at pagkatapos ay idisenyo ang linya ng paghahatid upang ang katangian nitong impedance (Z0) ay pantay din sa ZL.

Ngunit isaalang-alang natin sandali ang kahirapan ng pagpapatupad ng pamamaraan na ito sa buong isang komplikadong circuit ng RF na binubuo ng maraming mga passive na sangkap at integrated circuit. Ang proseso ng disenyo ng RF ay malubhang hindi magagawa kung kailangang baguhin ng mga inhinyero ang bawat sangkap at tukuyin ang mga sukat ng bawat microstrip ayon sa isang impedance na napili bilang batayan para sa lahat ng iba pa.

Gayundin, ipinapalagay na ang proyekto ay nakarating na sa yugto ng PCB. Paano kung nais nating subukan at makilala ang isang sistema gamit ang mga diskarte sa module, na may mga cable na off-the-shelf bilang mga magkakaugnay? Ang pagbabayad sa mga impedance na hindi sinasadya ay mas hindi praktikal sa ilalim ng mga sitwasyong ito.

Ang solusyon ay simple: pumili ng isang ulirang impedance na maaaring magamit sa maraming mga system ng RF, at tiyakin na ang mga sangkap at cable ay idinisenyo nang naaayon. Ang impedance na ito ay pinili; ang yunit ay ohms, at ang bilang ay 50.

Limampu Ohms
Ang unang bagay na maunawaan ay na walang intrinsically espesyal tungkol sa isang 50 Ω impedance. Ito ay hindi isang pangunahing pare-pareho ng uniberso, kahit na maaari mong makuha ang impression na ito ay kung gumastos ka ng sapat na oras sa paligid ng mga RF engineer. Ito ay hindi kahit na isang pangunahing pare-pareho ng electrical engineering - tandaan, halimbawa, na ang pagpapalit lamang ng mga pisikal na sukat ng isang coaxial cable ay magbabago sa katangian na impedance.

Gayunpaman, ang 50 Ω impedance ay napakahalaga, sapagkat ito ang impedance sa paligid kung saan ang karamihan sa mga RF system ay idinisenyo. Mahirap matukoy nang eksakto kung bakit 50 Ω ang naging pamantayang RF impedance, ngunit makatuwiran na ipalagay na ang 50 Ω ay natagpuan na isang mahusay na kompromiso sa konteksto ng mga naunang coaxial cables.

Ang mahalagang isyu, siyempre, ay hindi ang pinagmulan ng tiyak na halaga ngunit sa halip ang mga pakinabang ng pagkakaroon ng pamantayang pamantayan na ito. Ang pagkamit ng isang maayos na disenyo ng katugma ay malawak na mas simple dahil ang mga tagagawa ng mga IC, naayos na mga attenuators, antenna, at iba pa ay maaaring mabuo ang kanilang mga bahagi sa pag-iisip na ito. Gayundin, ang layout ng PCB ay nagiging mas diretso dahil napakaraming mga inhinyero na may parehong layunin, ibig sabihin, upang magdisenyo ng mga microstrips at striplines na may katangian na impedance na 50 Ω.

Ayon sa tala ng app na ito mula sa Analog Device, maaari kang lumikha ng isang 50 Ω microstrip tulad ng sumusunod: 1-onsa tanso, 20-mil-wide na bakas, 10 mil mil paghihiwalay sa pagitan ng bakas at eroplano ng lupa (sa pag-aakala ng FR-4 dielectric).
 
Bago tayo magpatuloy, maging malinaw na hindi lahat ng sistema ng mataas na dalas o bahagi ay dinisenyo para sa 50 Ω. Ang iba pang mga halaga ay maaaring mapili, at sa katunayan 75 Ω impedance ay pangkaraniwan pa rin. Ang katangian na impedance ng isang coaxial cable ay proporsyonal sa natural na log ng ratio ng panlabas na diameter (D2) sa panloob na diameter (D1).


 

Nangangahulugan ito na ang higit na paghihiwalay sa pagitan ng panloob na conductor at panlabas na conductor ay tumutugma sa isang mas mataas na impedance. Ang higit na paghihiwalay sa pagitan ng dalawang conductor ay humahantong din sa mas mababang kapasidad. 

Sa gayon, ang 75 Ω coax ay may mas mababang kapasidad kaysa sa 50 Ω coax, at ginagawang mas angkop ang 75 Ω cable para sa high-frequency digital signal, na nangangailangan ng mababang kapasidad upang maiwasan ang labis na pagpapalambing ng mataas na dalas na nilalaman na nauugnay sa mabilis na paglipat sa pagitan ng mababa ang lohika at mataas ang lohika.

Pagninilay ng Pagganyak
Isinasaalang-alang kung gaano kahalaga ang pagtutugma ng impedance sa disenyo ng RF, hindi tayo dapat magulat na malaman na mayroong isang tukoy na parameter na ginamit upang maipahayag ang kalidad ng isang tugma. Ito ay tinatawag na koepisyent ng salamin; ang simbolo ay Γ (ang gamitang kapital na letra ng gamma). Ito ang ratio ng masalimuot na amplitude ng naipakita na alon sa masalimuot na malawak ng alon ng insidente. 

Gayunpaman, ang ugnayan sa pagitan ng alon ng insidente at naaaninag na alon ay natutukoy ng pinagmulan (ZS) at mga impedance ng pag-load (ZL), at sa gayon posible na tukuyin ang koepisyent ng pagmuni-muni sa mga tuntunin ng mga impedansiyang ito:

 

Kung ang "mapagkukunan" sa kasong ito ay isang linya ng paghahatid, maaari nating baguhin ang ZS sa Z0.



Sa isang pangkaraniwang sistema, ang laki ng koepisyent ng salamin ay isang numero sa pagitan ng zero at isa. Tingnan natin ang tatlong mga matematiko na direktang sitwasyon upang matulungan kaming maunawaan kung paano tumutugma ang koepisyent ng salamin sa aktwal na pag-uugali ng circuit:

* Kung ang tugma ay perpekto (ZL = Z0), ang numerator ay zero, at sa gayon ang koepisyent ng salamin ay zero. Ito ay akma dahil ang perpektong resulta ng pagtutugma sa walang pagmuni-muni

* Kung ang impedance ng pag-load ay walang hanggan (ibig sabihin, isang bukas na circuit), ang koepisyent ng pagmuni-muni ay nagiging kawalang-hanggan na hinati ng kawalang-hanggan, na kung saan ay isa. Ang isang koepisyent ng salamin ng isa ay tumutugma sa buong pagmuni-muni, ibig sabihin, ang lahat ng lakas ng alon ay makikita. Nangangahulugan ito dahil ang isang linya ng paghahatid na konektado sa isang bukas na circuit ay tumutugma sa isang kumpletong pagkadiskubre (tingnan ang nakaraang pahina) - ang pag-load ay hindi maaaring sumipsip ng anumang enerhiya, kaya dapat itong masasalamin lahat.

* Kung ang impedance ng pag-load ay zero (ibig sabihin, isang maikling circuit), ang magnitude ng koepisyent ng pagmuni-muni ay nahahati sa Z0. Sa gayon mayroon kaming muli | Γ | = 0, na makatuwiran dahil ang isang maikling circuit ay tumutugma din sa isang kumpletong pagkadiskubre na hindi maaaring sumipsip ng anuman sa enerhiya ng insidente.

VSWR
Ang isa pang parameter na ginamit upang ilarawan ang pagtutugma ng impedance ay ang boltahe na nakatayo na ratio ng alon (VSWR). Ito ay tinukoy bilang mga sumusunod:

Lumapit ang VSWR sa pagtutugma ng impedance mula sa pananaw ng nagreresultang alon. Nagbibigay ito ng ratio ng pinakamataas na kalagitnaan ng alon na may taas na alon sa pinakamababang kalagitnaan ng alon na may taas. Ang video na ito ay maaaring makatulong sa iyo na mailarawan ang ugnayan sa pagitan ng impedance mismatch at ang mga katangian ng amplitude ng nakatayong alon, at ang sumusunod na diagram ay nagbibigay ng mga katangian na may malawak na alon para sa tatlong magkakaibang mga koepisyent ng pagmuni-muni.




Ang higit pang impedance mismatch ay humantong sa isang mas malaking pagkakaiba sa pagitan ng pinakamataas na amplitude at pinakamababang-lokasyon ng lokasyon sa kahabaan ng nakatayong alon. Ginamit ang imahe ng kagandahang-loob ng Interferometrist.
 
Ang VSWR ay karaniwang ipinahayag bilang isang ratio. Ang isang perpektong tugma ay 1: 1, na nangangahulugang ang tugatog na bilis ng signal ay palaging pareho (ibig sabihin, walang nakatayong alon). Ang isang ratio ng 2: 1 ay nagpapahiwatig na ang mga pagmuni-muni ay nagresulta sa isang nakatayo na alon na may isang maximum na malawak na dalawang beses kasing laki ng pinakamaliit na amplitude nito.

Buod
* Ang paggamit ng isang standardized impedance ay gumagawa ng disenyo ng RF na mas praktikal at mahusay.

* Karamihan sa mga RF system ay itinayo sa paligid ng 50 Ω impedance. Ang ilang mga system ay gumagamit ng 75 Ω; ang kahalagahan ng huli na ito ay mas angkop para sa mga high-speed digital signal.

* Ang kalidad ng isang impedance match ay maipahayag nang matematika ng koepisyent ng salamin (Γ). Ang isang perpektong tugma ay tumutugma sa Γ = 0, at isang kumpletong pagkadiskubre (kung saan ang lahat ng enerhiya ay naipakita) ay tumutugma sa Γ = 1.

* Ang isa pang paraan ng pagsukat ng kalidad ng isang pagtutugma ng impedance ay ang boltahe na nakatayo sa ratio ng alon (VSWR).

Mag-iwan ng mensahe 

Listahan ng Mensahe