Spørgsmålet 50 Ω: Impedans-matching i RF-design

Real-Life RF-signaler
Impedans matching er et grundlæggende aspekt af RF design og test; signalreflektionerne forårsaget af uoverensstemmede impedanser kan føre til alvorlige problemer.

Matching virker som en triviel øvelse, når du beskæftiger dig med et teoretisk kredsløb sammensat af en ideel kilde, en transmissionslinje og en belastning.

Lad os antage, at belastningsimpedansen er fast. Alt hvad vi skal gøre er at inkludere en kildeimpedans (ZS) lig med ZL og derefter designe transmissionslinien, så dens karakteristiske impedans (Z0) også er lig med ZL.

Men lad os et øjeblik overveje vanskeligheden ved at implementere dette skema i et kompliceret RF-kredsløb bestående af adskillige passive komponenter og integrerede kredsløb. RF-designprocessen ville være alvorligt uhåndterlig, hvis ingeniører skulle ændre hver komponent og specificere dimensionerne på hver mikrostrip i henhold til den ene impedans, der er valgt som basis for alle de andre.

Dette antager også, at projektet allerede har nået PCB-fasen. Hvad hvis vi ønsker at teste og karakterisere et system ved hjælp af diskrete moduler med hyldekabler som sammenkoblinger? Kompensation for uoverensstemmende impedanser er endnu mere upraktisk under disse omstændigheder.

Løsningen er enkel: vælg en standardiseret impedans, der kan bruges i adskillige RF-systemer, og sørg for, at komponenter og kabler er designet i overensstemmelse hermed. Denne impedans er valgt; enheden er ohm, og antallet er 50.

Halvtreds Ohms
Den første ting, man skal forstå, er, at der ikke er noget særligt specielt ved en 50 Ω-impedans. Dette er ikke en grundlæggende konstant i universet, selvom du måske får indtryk af, at det er, hvis du bruger nok tid på RF-ingeniører. Det er ikke engang en grundlæggende konstant inden for elektroteknik - husk f.eks., At blot ændring af de fysiske dimensioner af et koaksialkabel vil ændre den karakteristiske impedans.

Ikke desto mindre er 50 Ω impedans meget vigtig, fordi det er impedansen, som de fleste RF-systemer er designet til. Det er vanskeligt at bestemme nøjagtigt, hvorfor 50 Ω blev den standardiserede RF-impedans, men det er rimeligt at antage, at 50 Ω blev fundet at være et godt kompromis i forbindelse med tidlige koaksiale kabler.

Det vigtige spørgsmål er naturligvis ikke oprindelsen af ​​den specifikke værdi, men snarere fordelene ved at have denne standardiserede impedans. At opnå et godt matchet design er meget enklere, fordi producenter af IC'er, faste dæmpere, antenner osv. Kan bygge deres dele med denne impedans i tankerne. PCB-layout bliver også mere ligetil, fordi så mange ingeniører har det samme mål, nemlig at designe mikrostrips og striplines, der har en karakteristisk impedans på 50 Ω.

I henhold til denne appnotat fra Analog Devices kan du oprette en 50 Ω mikrostrip som følger: 1-ounce kobber, 20 mil bred spor, 10 mil adskillelse mellem spor og jordplan (forudsat at det er dielektrisk FR-4).
 
Inden vi går videre, lad os være klar over, at ikke alle højfrekvente systemer eller komponenter er designet til 50 Ω. Andre værdier kunne vælges, og faktisk er 75 Ω impedans stadig almindelig. Den karakteristiske impedans for et koaksialkabel er proportional med den naturlige log af forholdet mellem den ydre diameter (D2) og den indvendige diameter (D1).


 

Dette betyder, at mere adskillelse mellem den indre leder og den ydre leder svarer til en højere impedans. Større adskillelse mellem de to ledere fører også til lavere kapacitet. 

75 Ω koaks har således lavere kapacitans end 50 Ω koaks, og dette gør 75 Ω kabel mere egnet til højfrekvente digitale signaler, som kræver lav kapacitet for at undgå overdreven dæmpning af højfrekvensindholdet, der er forbundet med de hurtige overgange mellem logik lav og logik høj.

Reflektionskoefficient
I betragtning af hvor vigtig matchning af impedans er i RF-design, bør vi ikke være overraskede over at finde, at der er en bestemt parameter, der bruges til at udtrykke en matchs kvalitet. Det kaldes reflektionskoefficienten; symbolet er Γ (det græske store bogstavsgam). Det er forholdet mellem den komplekse amplitude af den reflekterede bølge og den komplekse amplitude af den indfaldende bølge. 

Forholdet mellem hændelsesbølge og reflekteret bølge bestemmes imidlertid af kilde (ZS) og belastning (ZL) impedanser, og det er således muligt at definere reflektionskoefficienten i form af disse impedanser:

 

Hvis "kilden" i dette tilfælde er en transmissionslinie, kan vi ændre ZS til Z0.



I et typisk system er størrelsen af ​​refleksionskoefficienten et tal mellem nul og en. Lad os se på tre matematisk ligetil situationer for at hjælpe os med at forstå, hvordan refleksionskoefficienten svarer til den faktiske kredsløbsadfærd:

* Hvis matchen er perfekt (ZL = Z0), er tælleren nul, og reflektionskoefficienten er derfor nul. Dette giver mening, fordi perfekt matching ikke resulterer i refleksion.

* Hvis belastningsimpedansen er uendelig (dvs. et åbent kredsløb), bliver reflektionskoefficienten uendelig divideret med uendelig, hvilket er en. En reflektionskoefficient på en svarer til fuld reflektion, dvs. al bølgenergien reflekteres. Dette giver mening, fordi en transmissionslinie, der er tilsluttet et åbent kredsløb, svarer til en fuldstændig diskontinuitet (se forrige side) - belastningen kan ikke absorbere nogen energi, så den skal alle reflekteres.

* Hvis belastningsimpedansen er nul (dvs. en kortslutning), bliver størrelsen af ​​reflektionskoefficienten Z0 divideret med Z0. Således har vi igen | Γ | = 1, hvilket giver mening, fordi en kortslutning også svarer til en fuldstændig diskontinuitet, der ikke kan absorbere nogen af ​​den hændende bølgeenergi.

VSWR
En anden parameter, der bruges til at beskrive impedans matching, er spændingsstandsbølgeforholdet (VSWR). Det defineres som følger:

VSWR nærmer sig impedans matching fra perspektivet på den resulterende stående bølge. Den formidler forholdet mellem den højeste stående-bølge-amplitude og den laveste stående-bølge-amplitude. Denne video kan hjælpe dig med at visualisere forholdet mellem impedansforhold og amplitudekarakteristika for den stående bølge, og det følgende diagram formidler stående-bølge-amplitudeegenskaber til tre forskellige reflektionskoefficienter.




Mere impedansmismatch fører til en større forskel mellem placeringer med højeste amplitude og laveste amplitude langs den stående bølge. Billedet blev brugt med tilladelse fra interferometristen.
 
VSWR udtrykkes ofte som et forhold. En perfekt match ville være 1: 1, hvilket betyder, at signalets topamplitude altid er den samme (dvs. der er ingen stående bølge). Et forhold på 2: 1 indikerer, at reflektioner har resulteret i en stående bølge med en maksimal amplitude, der er dobbelt så stor som dens minimumsamplitude.

Resumé
* Brug af en standardiseret impedans gør RF-design meget mere praktisk og effektiv.

* De fleste RF-systemer er bygget omkring 50 Ω impedans. Nogle systemer bruger 75 Ω; denne sidstnævnte værdi er mere passende til højhastigheds digitale signaler.

* Kvaliteten af ​​et impedansmatch kan udtrykkes matematisk ved hjælp af reflektionskoefficienten (Γ). En perfekt match svarer til Γ = 0, og en fuldstændig diskontinuitet (hvor al energi reflekteres) svarer til Γ = 1.

* En anden måde at kvantificere kvaliteten af ​​et impedansmatch er spændingsstandsbølgeforholdet (VSWR).

Læg en besked 

Message List