שאלת 50:: התאמת עכבות בעיצוב RF

אותות RF אמיתיים
התאמת עכבות היא היבט בסיסי בתכנון ובדיקת RF; השתקפויות האות הנגרמות עקב עכבות שאינן מתאימות עלולות להוביל לבעיות חמורות.

ההתאמה נראית כמו תרגיל טריוויאלי כשאתה מתמודד עם מעגל תיאורטי המורכב ממקור אידיאלי, קו הילוכים ועומס.

נניח כי עכבת העומס קבועה. כל שעלינו לעשות הוא לכלול עכבת מקור (ZS) השווה ל- ZL ואז לתכנן את קו ההולכה כך שהמעכבות האופיינית לו (Z0) תהיה שווה גם ל- ZL.

אבל בואו נשקול לרגע את הקושי ליישם תכנית זו ברחבי מעגל RF מורכב המורכב ממספר רכיבים פסיביים ומעגלים משולבים. תהליך תכנון ה- RF יהיה קשה מאוד אם המהנדסים יצטרכו לשנות כל רכיב ולציין את הממדים של כל המיקרוסטרפ על פי עכבה אחת שנבחרה כבסיס לכל האחרים.

כמו כן, זה מניח שהפרויקט כבר הגיע לשלב ה- PCB. מה אם ברצוננו לבחון ולאפיין מערכת באמצעות מודולים נפרדים, עם כבלים מהמדף כקשרים זה בזה? פיצוי בגין עכבות שאינן מתאימות אינו מעשי עוד יותר בנסיבות אלה.

הפיתרון פשוט: בחר עכבה סטנדרטית שניתן להשתמש בה במערכות RF רבות, ולהבטיח כי רכיבים וכבלים מתוכננים בהתאם. עכבה זו נבחרה; היחידה אוהם, והמספר הוא 50.

חמישים אוהם
הדבר הראשון שיש להבין הוא שאין שום דבר מיוחד במהותה של עכבה של 50 Ω. זה לא קבוע מהותי של היקום, אם כי אתה עשוי להתרשם כאילו אתה מבלה מספיק זמן סביב מהנדסי RF. זה אפילו לא קבוע בסיסי בהנדסת חשמל - זכור, למשל, שפשטות שינוי הממדים הפיזיים של כבל קואקסיאלי תשנה את עכבתו האופיינית.

עם זאת, עכבה של 50 "חשובה מאוד, מכיוון שזו עכבה שסביבה מתוכננות מרבית מערכות ה- RF. קשה לקבוע במדויק מדוע 50 "הפכו לעכבת RF סטנדרטית, אך סביר להניח ש- 50" נמצאה כפשרה טובה בהקשר של כבלים קואקסיאליים מוקדמים.

הנושא החשוב הוא כמובן לא מקור הערך הספציפי אלא היתרונות של עכבה סטנדרטית זו. השגת עיצוב מותאם היטב היא פשוטה בהרבה מכיוון שיצרני מכשירי IC, מנחתים קבועים, אנטנות וכדומה יכולים לבנות את חלקיהם עם עכבה זו בחשבון. כמו כן, פריסת ה- PCB הופכת להיות פשוטה יותר מכיוון שכל כך הרבה מהנדסים מטרת אותה מטרה, היינו, לתכנן מיקרוסטריפים ורצועות שיש להן עכבה אופיינית של 50 Ω.

על פי הערת האפליקציה הזו ממכשירים אנלוגיים, באפשרותך ליצור מסלול מיקרוסטרזל 50 אינץ 'כדלקמן: קוטר נחושת, 1 מילימטרים ברוחב, 20 מיליליטר הפרדה בין מסלול ומישור קרקעי (בהנחה שדיאלקטרי FR-10).
 
לפני שנמשיך הלאה, בואו נהיה ברור שלא כל מערכת או רכיב בתדר גבוה מיועדים ל- 50 Ω. ניתן לבחור בערכים אחרים ולמעשה עכבה של 75 Ω היא עדיין שכיחה. עכבה אופיינית של כבל קואקס היא פרופורציונלית ליומן הטבעי של היחס בין הקוטר החיצוני (D2) לקוטר הפנימי (D1).


 

המשמעות היא שהפרדה רבה יותר בין המוליך הפנימי למוליך החיצוני תואמת עכבה גבוהה יותר. הפרדה רבה יותר בין שני המוליכים מובילה גם לקיבולת נמוכה יותר. 

לפיכך, לשדל 75 "יש קיבולת נמוכה יותר מאשר 50" לשדל, והדבר הופך את הכבל של 75 suitable למתאים יותר לאותות דיגיטליים בתדר גבוה, הדורשים קיבול נמוך על מנת להימנע מהנחתה מוגזמת של תוכן התדרים הגבוה הקשור למעברים המהירים בין היגיון נמוך והיגיון גבוה.

מקדם השתקפות
בהתחשב עד כמה חשוב התאמת עכבות בתכנון RF, אל לנו להיות מופתעים לגלות שיש פרמטר ספציפי המשמש לביטוי איכות ההתאמה. זה נקרא מקדם ההשתקפות; הסמל הוא Γ (האותיות היווניות גמא). זהו היחס בין המשרעת המורכבת של הגל המשתקף לבין המשרעת המורכבת של הגל האירוע. 

עם זאת, הקשר בין גל אירוע לגל המשתקף נקבע על ידי עכבות המקור (ZS) והעומס (ZL), וכך ניתן להגדיר את מקדם ההשתקפות במונחים של עכבות אלה:

 

אם "המקור" במקרה זה הוא קו הולכה, נוכל לשנות את ה- ZS ל- Z0.



במערכת טיפוסית, גודל מקדם ההשתקפות הוא מספר בין אפס לאחד. בואו נסתכל על שלושה מצבים ישירים מתמטיים כדי לעזור לנו להבין כיצד מקדם ההשתקפות מתאים להתנהגות המעגל בפועל:

* אם ההתאמה מושלמת (ZL = Z0), המונה הוא אפס, ולכן מקדם ההשתקפות הוא אפס. זה הגיוני מכיוון שהתאמה מושלמת גורמת ללא השתקפות.

* אם עכבת העומס היא אינסופית (כלומר מעגל פתוח), מקדם ההשתקפות הופך לאינסוף מחולק באינסוף, שהוא אחד. מקדם השתקפות של אחד מתאים להשתקפות מלאה, כלומר כל אנרגיית הגל משתקפת. זה הגיוני מכיוון שקו תמסורת המחובר למעגל פתוח תואם להפסקה מוחלטת (ראו בעמוד הקודם) - העומס אינו יכול לספוג אנרגיה כלשהי, ולכן הוא חייב להשתקף.

* אם עכבת העומס היא אפס (כלומר, קצר חשמלי), גודל מקדם ההשתקפות הופך ל- Z0 חלקי ZO. כך יש לנו שוב | Γ | = 0, וזה הגיוני מכיוון שקצר חשמלי תואם גם לרצף מוחלט שאינו מסוגל לקלוט אף אחד מאנרגיית הגל המקרית.

VSWR
פרמטר נוסף המשמש לתיאור התאמת עכבה הוא יחס גל העמידה במתח (VSWR). זה מוגדר כך:

VSWR מתקרב להתאמת עכבות מנקודת המבט של הגל העומד שהתקבל. זה מעביר את היחס בין משרעת הגל העמידה הגבוהה ביותר למשרעת הגל העמידה הנמוכה ביותר. סרטון זה יכול לעזור לכם לדמיין את הקשר בין אי התאמה של עכבה לבין מאפייני המשרעת של הגל העמידה, והתרשים הבא מעביר מאפייני משרעת של גל עמידה לשלושה מקדמי השתקפות שונים.




אי התאמה גבוהה יותר של עכבה מביאה להבדל גדול יותר בין מיקומם של המשרעת הגבוהה ביותר לבין המשרעת הנמוכה ביותר לאורך הגל העומד. תמונה המשמשת באדיבות האינטרפרומטריסט.
 
VSWR מתבטא בדרך כלל כיחס. התאמה מושלמת תהיה 1: 1, כלומר משרעת השיא של האות תמיד זהה (כלומר, אין גל עומד). יחס של 2: 1 מצביע על כך שהשתקפויות הביאו לגל עומד עם משרעת מקסימאלית שגדולה כפליים משרעת המינימום שלו.

<br> סיכום
* השימוש במכשור סטנדרטי הופך את עיצוב ה- RF להרבה יותר פרקטי ויעיל.

* מרבית מערכות ה- RF בנויות סביב עכבה של 50.. מערכות מסוימות משתמשות ב 75 Ω; ערך זה האחרון מתאים יותר לאותות דיגיטליים במהירות גבוהה.

* האיכות של התאמת עכבה יכולה לבוא לידי ביטוי מתמטי על ידי מקדם ההשתקפות (Γ). התאמה מושלמת תואמת Γ = 0, ורציפות רציפה מוחלטת (בה משתקפת כל האנרגיה) תואמת Γ = 1.

* דרך נוספת לכמת את איכות התאמת עכבה היא יחס גל העמידה במתח (VSWR).

השאר הודעה 

רשימת הודעות