50 Ω küsimus: impedantsi sobitamine raadiosageduse kujundamisel

Reaalajas raadiosignaalid
Takistuse sobitamine on raadiosageduse kujundamise ja testimise põhiaspekt; sobimatutest takistustest põhjustatud signaali peegeldused võivad põhjustada tõsiseid probleeme.

Sobitamine näib olevat triviaalne harjutus, kui tegemist on ideaalsest allikast, ülekandeliinist ja koormusest koosneva teoreetilise vooluringiga.

Oletame, et koormuse takistus on fikseeritud. Peame vaid lisama allika impedantsi (ZS), mis on võrdne ZL-ga, ja kujundama ülekandeliin nii, et selle iseloomulik impedants (Z0) oleks samuti võrdne ZL-ga.

Kuid mõelgem korraks selle skeemi rakendamise keerukust kogu keerulises raadiosagedusahelas, mis koosneb paljudest passiivkomponentidest ja integreeritud vooluringidest. Raadiosagedusliku projekteerimise protsess oleks tõsiselt keeruline, kui insenerid peaksid kõiki komponente modifitseerima ja iga mikrolõigu mõõtmeid täpsustama vastavalt ühele takistusele, mis on valitud kõigi teiste aluseks.

Samuti eeldab see, et projekt on juba jõudnud PCB faasi. Mis saab siis, kui tahame testida ja iseloomustada diskreetseid mooduleid kasutavat süsteemi, mille ühendustena on müügil olevad kaablid? Sobimatute takistuste kompenseerimine on sellistes tingimustes veelgi ebapraktilisem.

Lahendus on lihtne: valige standardiseeritud takistus, mida saab kasutada paljudes raadiosageduslikes süsteemides, ja veenduge, et komponendid ja kaablid oleksid vastavalt projekteeritud. See takistus on valitud; ühik on oom ja number on 50.

Viiskümmend oomi
Esimese asjana tuleb aru saada, et 50 Ω takistuse korral pole midagi sisuliselt erilist. See ei ole universumi põhikonstant, kuigi võite jääda mulje, et veedate piisavalt aega raadiosagedusinseneride läheduses. See pole isegi elektrotehnika põhikonstant - pidage meeles näiteks, et lihtsalt koaksiaalkaabli füüsiliste mõõtmete muutmine muudab iseloomulikku impedantsi.

Sellegipoolest on 50 Ω takistus väga oluline, kuna enamus raadiosidesüsteeme on kavandatud takistuseks. Raske on täpselt kindlaks teha, miks sai 50 Ω raadiosageduse standardiseeritud impedantsiks, kuid on mõistlik eeldada, et 50 Ω leiti olevat hea kompromiss varajase koaksiaalkaabli puhul.

Oluline küsimus pole muidugi konkreetse väärtuse päritolu, vaid pigem selle standardiseeritud impedantsi eelised. Sobiva kujunduse saavutamine on tunduvalt lihtsam, kuna IC-de, fikseeritud summutite, antennide jms tootjad saavad oma osi seda takistust silmas pidades ehitada. Samuti muutub trükkplaatide paigutus sirgjoonelisemaks, kuna nii paljudel inseneridel on sama eesmärk, nimelt kavandada mikrolibasid ja ribajooni, mille iseloomulik impedants on 50 Ω.

Selle analoogseadmete rakenduse märkuse kohaselt saate luua 50 Ω mikrolinti järgmiselt: 1 untsi vask, 20-millimeetrine laius, 10-millimeetrine vahe jälje ja alusplaadi vahel (eeldusel, et dielektriline on FR-4).
 
Enne jätkamist olgem selge, et mitte kõik kõrgsageduslikud süsteemid või komponendid pole mõeldud 50 Ω. Valida võiks ka muid väärtusi ja tegelikult on 75 Ω takistus endiselt tavaline. Koaksiaalkaabli iseloomulik impedants on võrdeline välimise läbimõõdu (D2) ja siseläbimõõdu (D1) suhte loomuliku logiga.


 

See tähendab, et sisemise ja välimise juhi suurem eraldus vastab kõrgemale takistusele. Kahe juhi suurem eraldamine viib väiksema mahtuvuseni. 

Seega on 75 Ω koaksiaalvõimsus madalam kui 50 Ω koaksiaal ja see teeb 75 Ω kaabli sobivamaks kõrgsageduslike digitaalsignaalide jaoks, mis vajavad madalat mahtuvust, et vältida kõrgsagedusliku sisu liigset sumbumist, mis on seotud kiirete üleminekutega loogika madal ja loogika kõrge.

Peegeldustegur
Arvestades, kui oluline on impedantsi sobitamine raadiosageduse kujundamisel, ei tohiks me imestada, et leidub konkreetne parameeter, mida kasutatakse vaste kvaliteedi väljendamiseks. Seda nimetatakse peegeldusteguriks; sümbol on Γ (kreeka suurtäht gamma). See on peegeldunud laine keeruka amplituudi ja langeva laine keeruka amplituudi suhe. 

Saabuva laine ja peegeldunud laine vahelise seose määravad aga allika (ZS) ja koormuse (ZL) takistused, ning seega on võimalik määratleda peegeldustegur järgmiste takistuste järgi:

 

Kui "allikas" on sel juhul ülekandeliin, võime ZS-i muuta Z0-ks.



Tüüpilises süsteemis on peegelduskoefitsiendi suurus vahemikus null kuni üks. Vaatame kolme matemaatiliselt sirget olukorda, mis aitab meil mõista, kuidas peegeldustegur vastab vooluahela tegelikule käitumisele:

* Kui sobivus on täiuslik (ZL = Z0), on lugeja null ja seega on peegeldustegur null. See on mõistlik, kuna täiuslik sobitamine ei anna peegeldust.

* Kui koormustakistus on lõpmatu (st avatud vooluring), muutub peegeldustegur lõpmatuseks jagatuna lõpmatusega, mis on üks. Peegeldustegur üks vastab täielikule peegeldusele, st peegeldub kogu laineenergia. See on mõistlik, kuna avatud vooluringiga ühendatud ülekandeliin vastab täielikule katkematusele (vt eelmist lehekülge) - koormus ei suuda energiat absorbeerida, nii et see kõik peab kajastuma.

* Kui koormustakistus on null (st lühis), muutub peegeldusteguri suurus Z0 jagatuna Z0-ga. Seega on meil jälle | Γ | = 1, mis on mõttekas, kuna lühis vastab ka täielikule katkematusele, mis ei suuda absorbeerida ühtegi langeva laine energiat.

VSWR
Veel üks impedantsi sobitamise kirjeldamiseks kasutatav parameeter on pinge püsiva laine suhe (VSWR). See on määratletud järgmiselt:

VSWR läheneb impedantsi sobitamisele saadud seisulaine vaatenurgast. See edastab kõrgeima seisulaine amplituudi ja madalaima seisulaine amplituudi suhte. See video aitab teil visualiseerida impedantsi ebakõla ja seisva laine amplituudinäitajate vahelist suhet ning järgmine skeem edastab seisulaine amplituudinäitajaid kolme erineva peegeldusteguri korral.




Suurem impedantsi ebakõla toob kaasa suurema erinevuse kõrgeima amplituudi ja madalaima amplituudiga asukohtade vahel püsilaines. Pilt on kasutatud Interferometristi viisakalt.
 
VSWR väljendatakse tavaliselt suhtena. Täiuslik kokkulangevus oleks 1: 1, mis tähendab, et signaali maksimaalne amplituud on alati sama (st püsivat lainet pole). Suhe 2: 1 näitab, et peegeldused on andnud seisva laine, mille maksimaalne amplituud on kaks korda suurem kui selle minimaalne amplituud.

kokkuvõte
* Standardiseeritud impedantsi kasutamine muudab raadiosageduse kujundamise palju praktilisemaks ja tõhusamaks.

* Enamik raadiosidesüsteeme on ehitatud umbes 50 Ω takistusega. Mõnes süsteemis kasutatakse 75 Ω; see viimane väärtus on sobivam kiirete digitaalsignaalide jaoks.

* Itakistuse kokkulangevuse kvaliteeti saab matemaatiliselt väljendada peegeldusteguriga (Γ). Täiuslik kokkulangevus vastab Γ = 0 ja täielik katkevus (milles kogu energia kajastub) vastab Γ = 1.

* Veel üks viis impedantsi sobivuse määramiseks on pinge püsiva laine suhe (VSWR).

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri