50 Ω Otázka: Impedanční párování v RF designu

Real-Life RF signály
Impedanční párování je základním aspektem návrhu a testování RF; odrazy signálu způsobené neshodnými impedancemi mohou vést k vážným problémům.

Shoda se jeví jako triviální cvičení, když se zabýváte teoretickým obvodem složeným z ideálního zdroje, přenosové linky a zátěže.

Předpokládejme, že impedance zátěže je pevná. Vše, co musíme udělat, je zahrnout impedanci zdroje (ZS) rovnou ZL a poté navrhnout přenosové vedení tak, aby jeho charakteristická impedance (Z0) byla rovna ZL.

Podívejme se však na chvilku na obtíž při implementaci tohoto schématu v komplexním vysokofrekvenčním obvodu, který se skládá z mnoha pasivních komponent a integrovaných obvodů. Proces návrhu RF by byl vážně nepraktický, pokud by inženýři museli modifikovat každou součást a specifikovat rozměry každého mikropásku podle jedné impedance vybrané jako základ pro všechny ostatní.

To také předpokládá, že projekt již dosáhl fáze PCB. Co když chceme testovat a charakterizovat systém pomocí diskrétních modulů, s propojovacími kabely jako kabelmi? Kompenzace neshodných impedancí je za těchto okolností ještě nepraktičtější.

Řešení je jednoduché: zvolte standardizovanou impedanci, kterou lze použít v mnoha RF systémech, a zajistěte, aby komponenty a kabely byly odpovídajícím způsobem navrženy. Tato impedance byla zvolena; jednotka je ohmová a číslo je 50.

Padesát Ohmů
První věc, kterou je třeba pochopit, je, že na impedanci 50 Ω není nic zvláštního. Toto není základní konstanta vesmíru, i když můžete mít dojem, že to je, pokud trávíte dost času kolem RF techniků. Nejde ani o základní konstantu elektrotechniky - pamatujte například na to, že pouhá změna fyzických rozměrů koaxiálního kabelu změní charakteristickou impedanci.

Přesto je impedance 50 Ω velmi důležitá, protože je to impedance, kolem které je navržena většina RF systémů. Je obtížné přesně určit, proč se 50 Ω stala standardizovanou RF impedancí, ale je rozumné předpokládat, že 50 Ω bylo shledáno dobrým kompromisem v kontextu časných koaxiálních kabelů.

Důležitým problémem samozřejmě není původ konkrétní hodnoty, ale spíše výhody plynoucí z této standardizované impedance. Dosažení dobře sladěného designu je výrazně jednodušší, protože výrobci integrovaných obvodů, pevné tlumiče, antény atd. Si mohou s ohledem na tuto impedanci stavět své součásti. Rovněž rozvržení desky plošných spojů je jednodušší, protože tolik inženýrů má stejný cíl, jmenovitě navrhnout mikropásky a páskové vedení, které mají charakteristickou impedanci 50 Ω.

Podle této poznámky k aplikaci od Analog Devices můžete vytvořit 50 Ω mikropásku takto: 1 unce mědi, 20 mil mil široká stopa, 10 mil mil vzdálenost mezi stopou a základní rovinou (za předpokladu dielektrika FR-4).
 
Než se vydáme dál, je třeba si uvědomit, že ne každý vysokofrekvenční systém nebo součást je navržena pro 50 Ω. Mohly by být zvoleny jiné hodnoty a ve skutečnosti je impedance 75 Ω stále běžná. Charakteristická impedance koaxiálního kabelu je úměrná přirozenému logu poměru vnějšího průměru (D2) k vnitřnímu průměru (D1).


 

To znamená, že větší oddělení vnitřního vodiče od vnějšího vodiče odpovídá vyšší impedanci. Větší oddělení mezi dvěma vodiči také vede k nižší kapacitě. 

Proto má koaxiální kabel 75 Ω nižší kapacitu než koaxiální kabel 50 Ω, a proto je kabel 75 Ω vhodnější pro vysokofrekvenční digitální signály, které vyžadují nízkou kapacitu, aby se zabránilo nadměrnému útlumu vysokofrekvenčního obsahu spojeného s rychlými přechody mezi logika nízká a logická vysoká.

Koeficient odrazu
Vzhledem k tomu, jak důležitá je impedanční shoda v RF designu, neměli bychom být překvapeni, když zjistíme, že existuje určitý parametr používaný k vyjádření kvality shody. Říká se tomu koeficient odrazu; symbolem je Γ (řecké velké písmeno gama). Je to poměr komplexní amplitudy odražené vlny k komplexní amplitudě dopadající vlny. 

Vztah mezi dopadající vlnou a odraženou vlnou je však určen impedancemi zdroje (ZS) a zátěže (ZL), a je tedy možné definovat koeficient odrazu z hlediska těchto impedancí:

 

Pokud je v tomto případě „zdrojem“ přenosové vedení, můžeme změnit ZS na Z0.



V typickém systému je velikost koeficientu odrazu číslo mezi nulou a jedním. Podívejme se na tři matematicky jednoduché situace, které nám pomohou pochopit, jak koeficient odrazu odpovídá skutečnému chování obvodu:

* Pokud je shoda perfektní (ZL = Z0), čitatel je nula, a koeficient odrazu je tedy nula. To dává smysl, protože perfektní párování nemá žádný odraz.

* Pokud je impedance zátěže nekonečná (tj. Otevřený obvod), koeficient odrazu se stává nekonečno děleno nekonečnem, což je jedna. Koeficient odrazu jeden odpovídá úplnému odrazu, tj. Odráží se veškerá vlnová energie. To má smysl, protože přenosové vedení připojené k otevřenému obvodu odpovídá úplné diskontinuitě (viz předchozí stránka) - zátěž nemůže absorbovat žádnou energii, takže se musí odrážet všechny.

* Pokud je impedance zátěže nulová (tj. Zkrat), velikost koeficientu odrazu se Z0 dělí Z0. Takže opět máme | Γ | = 1, což dává smysl, protože zkrat také odpovídá úplné diskontinuitě, která nemůže absorbovat žádnou energii dopadající vlny.

PSV
Dalším parametrem používaným k popisu impedančního přizpůsobení je poměr napěťové stojaté vlny (VSWR). Definuje se takto:

VSWR přistupuje k impedančnímu přizpůsobení z pohledu výsledné stojaté vlny. Představuje poměr nejvyšší amplitudy stojaté vlny k nejnižší amplitudě stojaté vlny. Toto video vám může pomoci vizualizovat vztah mezi nesouladem impedance a amplitudovými charakteristikami stojaté vlny. Následující diagram ukazuje amplitudové charakteristiky stojaté vlny pro tři různé koeficienty odrazu.




Větší nesoulad impedance vede k většímu rozdílu mezi umístěními s největší amplitudou a nejnižší amplitudou podél stojaté vlny. Obrázek byl použit s laskavým svolením interferometristy.
 
VSWR se obvykle vyjadřuje jako poměr. Dokonalá shoda by byla 1: 1, což znamená, že maximální amplituda signálu je vždy stejná (tj. Není zde žádná stojatá vlna). Poměr 2: 1 ukazuje, že odrazy vedly k stálé vlně s maximální amplitudou, která je dvakrát větší než její minimální amplituda.

Shrnutí
* Díky použití standardizované impedance je RF design mnohem praktičtější a efektivnější.

* Většina systémů RF je postavena na impedanci 50 Ω. Některé systémy používají 75 Ω; tato druhá hodnota je vhodnější pro vysokorychlostní digitální signály.

* Kvalita impedanční shody může být vyjádřena matematicky pomocí koeficientu odrazu (Γ). Dokonalá shoda odpovídá Γ = 0 a úplná diskontinuita (ve které se odráží veškerá energie) odpovídá Γ = 1.

* Dalším způsobem kvantifikace kvality impedanční shody je poměr napětí stojaté vlny (VSWR).

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv