50 Ω jautājums: pretestības saskaņošana RF dizainā

Reālās dzīves RF signāli
Pretestības saskaņošana ir RF dizaina un testēšanas būtisks aspekts; signāla atstarojumi, ko rada neatbilstīgi pretestības, var radīt nopietnas problēmas.

Sakritība šķiet kā triviāls vingrinājums, kad nodarbojas ar teorētisko ķēdi, kas sastāv no ideāla avota, pārvades līnijas un slodzes.

Pieņemsim, ka slodzes pretestība ir fiksēta. Viss, kas mums jādara, ir iekļaut avota pretestību (ZS), kas vienāda ar ZL, un pēc tam projektēt pārvades līniju tā, lai tās raksturīgā pretestība (Z0) arī būtu vienāda ar ZL.

Bet uz brīdi apsvērsim šīs shēmas ieviešanas grūtības visā sarežģītajā RF ķēdē, kas sastāv no daudziem pasīviem komponentiem un integrētajām shēmām. RF projektēšanas process būtu nopietni apgrūtināts, ja inženieriem būtu jāmaina katrs komponents un jānorāda katras mikroliedes izmēri saskaņā ar vienu pretestību, kas izvēlēta par pamatu visiem pārējiem.

Tas arī pieņem, ka projekts jau ir sasniedzis PCB posmu. Ko darīt, ja mēs vēlamies pārbaudīt un raksturot sistēmu, izmantojot diskrētus moduļus, ar savstarpēji savienotiem kabeļiem? Šajos apstākļos vēl nepraktiskāk ir kompensēt neatbilstīgus traucējumus.

Risinājums ir vienkāršs: izvēlieties standartizētu pretestību, ko var izmantot daudzās RF sistēmās, un pārliecinieties, ka komponenti un kabeļi ir atbilstoši izstrādāti. Šī pretestība ir izvēlēta; vienība ir omi, un skaitlis ir 50.

Piecdesmit omi
Pirmā lieta, kas jāsaprot, ir tāda, ka 50 Ω pretestība nav nekas īpašs. Šī nav visuma pamatkonstante, lai gan jums var rasties iespaids, ka tas ir tad, ja pavadāt pietiekami daudz laika ap RF inženieriem. Tā nav pat elektrotehnikas pamatkonstante - atcerieties, piemēram, ka vienkārši mainot koaksiālā kabeļa fiziskos izmērus, mainīsies raksturīgā pretestība.

Neskatoties uz to, 50 Ω pretestība ir ļoti svarīga, jo tā ir pretestība, ap kuru tiek veidota lielākā daļa RF sistēmu. Ir grūti precīzi noteikt, kāpēc 50 Ω kļuva par standartizētu RF pretestību, taču ir pamatoti uzskatīt, ka 50 Ω tika uzskatīts par labu kompromisu agrīnu koaksiālo kabeļu kontekstā.

Svarīgs jautājums, protams, nav īpašās vērtības izcelsme, bet drīzāk ieguvumi no šīs standartizētās pretestības. Labi saskaņota dizaina sasniegšana ir ievērojami vienkāršāka, jo IC, fiksēto vājinātāju, antenu un tā tālāk ražotāji var izgatavot savas detaļas, paturot prātā šo pretestību. Arī PCB izkārtojums kļūst skaidrāks, jo tik daudziem inženieriem ir viens un tas pats mērķis, proti, izstrādāt mikrolīnijas un sloksnes, kuru raksturīgā pretestība ir 50 Ω.

Saskaņā ar šo piezīmi no Analogām ierīcēm, jūs varat izveidot 50 Ω mikrostripu šādi: 1 unces varš, 20 mil plata pēda, 10 mil attālums starp pēdu un iezemēto plakni (pieņemot, ka dielektriķis ir FR-4).
 
Pirms mēs pārietam tālāk, būsim skaidrs, ka ne katra augstfrekvences sistēma vai komponents ir paredzēts 50 Ω. Varēja izvēlēties citas vērtības, un faktiski 75 Ω pretestība joprojām ir izplatīta. Koaksiālā kabeļa raksturīgā pretestība ir proporcionāla dabiskajam žurnālam, kas izteikts kā ārējā diametra (D2) un iekšējā diametra (D1) attiecība.


 

Tas nozīmē, ka lielāka atdalīšana starp iekšējo un ārējo vadītāju atbilst augstākajai pretestībai. Lielāka divu vadītāju atdalīšana noved pie arī zemākas kapacitātes. 

Tādējādi 75 Ω pierunai ir zemāka kapacitāte nekā 50 Ω pierunai, un tas padara 75 Ω kabeli piemērotāku augstfrekvences digitālajiem signāliem, kuriem nepieciešama zema kapacitāte, lai izvairītos no pārmērīgas augstas frekvences satura pavājināšanās, kas saistīta ar straujajām pārejām starp loģika zema un loģika augsta.

Pārdomu koeficients
Ņemot vērā to, cik svarīga impedances atbilstība ir RF dizainā, mums nevajadzētu pārsteigt, ja konstatējam, ka ir īpašs parametrs, ko izmanto mača kvalitātes izteikšanai. To sauc par refleksijas koeficientu; simbols ir Γ (grieķu lielais burts gamma). Tā ir atspoguļotā viļņa sarežģītās amplitūdas attiecība pret krītošā viļņa komplekso amplitūdu. 

Tomēr sakarību starp krītošo viļņu un atstaroto viļņu nosaka avota (ZS) un slodzes (ZL) pretestības, un tādējādi ir iespējams noteikt refleksijas koeficientu, ņemot vērā šādus traucējumus:

 

Ja “avots” šajā gadījumā ir pārvades līnija, mēs varam mainīt ZS uz Z0.



Tipiskā sistēmā atstarošanas koeficienta lielums ir skaitlis starp nulli un vienu. Apskatīsim trīs matemātiski vienkāršas situācijas, lai palīdzētu mums saprast, kā atstarojuma koeficients atbilst faktiskajai ķēdes uzvedībai:

* Ja sakritība ir nevainojama (ZL = Z0), skaitītājs ir nulle, un tādējādi atstarojuma koeficients ir nulle. Tam ir jēga, jo perfekta saskaņošana nerada pārdomas.

* Ja slodzes pretestība ir bezgalīga (ti, atvērta ķēde), atstarošanas koeficients kļūst par bezgalību, dalīts ar bezgalību, kas ir viena. Atstarošanas koeficients viens atbilst pilnīgai atstarošanai, tas ir, visa viļņa enerģija tiek atspoguļota. Tam ir jēga, jo pārvades līnija, kas savienota ar atvērtu ķēdi, atbilst pilnīgai pārtraukumam (skat. Iepriekšējo lapu) - slodze nevar absorbēt enerģiju, tāpēc tai ir jāatspoguļojas.

* Ja slodzes pretestība ir nulle (ti, īssavienojums), atstarojuma koeficienta lielums kļūst Z0, dalīts ar Z0. Tādējādi mums atkal ir | Γ | = 1, kas ir jēga, jo īssavienojums atbilst arī pilnīgai pārtraukumam, kas nevar absorbēt nevienu no krītošā viļņa enerģijām.

VSWR
Vēl viens parametrs, ko izmanto, lai aprakstītu pretestības saderību, ir sprieguma pastāvīgā viļņa attiecība (VSWR). To definē šādi:

VSWR tuvojas pretestības saskaņošanai no iegūtā stāvošā viļņa perspektīvas. Tas parāda lielākās stāvošā viļņa amplitūdas un zemākās stāvošā viļņa amplitūdas attiecību. Šis video var palīdzēt vizualizēt saistību starp pretestības neatbilstību un stāvošā viļņa amplitūdas raksturlielumiem, un šī diagramma atspoguļo stāvošā viļņa amplitūdas raksturlielumus trīs dažādiem refleksijas koeficientiem.




Vairāk pretestības neatbilstības rada lielāku atšķirību starp augstākās amplitūdas un zemākās amplitūdas vietām gar stāvošo viļņu. Attēlā izmantots interferometrists.
 
VSWR parasti izsaka kā attiecību. Ideāla sakritība būtu 1: 1, kas nozīmē, ka signāla maksimālā amplitūda vienmēr ir vienāda (ti, nav stāvoša viļņa). Attiecība 2: 1 norāda, ka atstarojumi ir radījuši stāvošu vilni ar maksimālo amplitūdu, kas ir divreiz lielāka par tā minimālo amplitūdu.

Kopsavilkums
* Standartizētas pretestības izmantošana padara RF dizainu daudz praktiskāku un efektīvāku.

* Lielākā daļa RF sistēmu ir veidotas ap 50 Ω pretestību. Dažas sistēmas izmanto 75 XNUMX; šī pēdējā vērtība ir piemērotāka ātrdarbīgiem digitāliem signāliem.

* Izturības pretestības kvalitāti matemātiski var izteikt ar pārdomu koeficientu (Γ). Perfekta atbilstība atbilst Γ = 0, un pilnīgs pārtraukums (kurā visa enerģija tiek atspoguļota) atbilst Γ = 1.

* Vēl viens pretestības spējas kvalitātes noteikšanas veids ir sprieguma pastāvīgā viļņa attiecība (VSWR).

Atstāj ziņu 

Message saraksts