Η ερώτηση 50 Ω: Αντιστοίχιση αντίστασης στο σχεδιασμό RF

Σήματα RF πραγματικής ζωής
Η αντιστάθμιση αντίστασης είναι μια θεμελιώδης πτυχή του σχεδιασμού και των δοκιμών RF. Οι αντανακλάσεις σήματος που προκαλούνται από αναντιστοιχίες αντίστασης μπορεί να οδηγήσουν σε σοβαρά προβλήματα.

Η αντιστοίχιση φαίνεται σαν μια ασήμαντη άσκηση όταν ασχολείστε με ένα θεωρητικό κύκλωμα που αποτελείται από μια ιδανική πηγή, μια γραμμή μετάδοσης και ένα φορτίο.

Ας υποθέσουμε ότι η αντίσταση φορτίου είναι σταθερή. Το μόνο που πρέπει να κάνουμε είναι να συμπεριλάβουμε μια σύνθετη αντίσταση (ZS) ίση με το ZL και στη συνέχεια να σχεδιάσουμε τη γραμμή μετάδοσης έτσι ώστε η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση (Z0) να είναι επίσης ίση με το ZL.

Αλλά ας εξετάσουμε για μια στιγμή τη δυσκολία εφαρμογής αυτού του σχήματος σε ένα περίπλοκο κύκλωμα RF που αποτελείται από πολλά παθητικά εξαρτήματα και ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η διαδικασία σχεδιασμού RF θα ήταν σοβαρά δυσκίνητη εάν οι μηχανικοί έπρεπε να τροποποιήσουν κάθε εξάρτημα και να καθορίσουν τις διαστάσεις κάθε μικροστάλας ανάλογα με τη σύνθετη αντίσταση που επιλέχθηκε ως βάση για όλες τις άλλες.

Επίσης, αυτό προϋποθέτει ότι το έργο έχει ήδη φτάσει στο στάδιο του PCB. Τι γίνεται αν θέλουμε να δοκιμάσουμε και να χαρακτηρίσουμε ένα σύστημα χρησιμοποιώντας ξεχωριστές μονάδες, με καλώδια εκτός σύνδεσης ως διασυνδέσεις; Η αντιστάθμιση για αναντιστοιχίες εμπέδησης είναι ακόμη πιο ανέφικτη υπό αυτές τις συνθήκες.

Η λύση είναι απλή: επιλέξτε μια τυποποιημένη σύνθετη αντίσταση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλά συστήματα RF και βεβαιωθείτε ότι τα εξαρτήματα και τα καλώδια έχουν σχεδιαστεί ανάλογα. Αυτή η σύνθετη αντίσταση έχει επιλεγεί. η μονάδα είναι ωμ και ο αριθμός είναι 50.

Πενήντα Ωμ
Το πρώτο πράγμα που πρέπει να καταλάβετε είναι ότι δεν υπάρχει τίποτα εγγενές για μια σύνθετη αντίσταση 50 Ω. Αυτή δεν είναι μια θεμελιώδης σταθερά του σύμπαντος, αν και μπορεί να έχετε την εντύπωση ότι είναι εάν περνάτε αρκετό χρόνο γύρω από τους μηχανικούς RF. Δεν είναι ούτε μια θεμελιώδης σταθερά της ηλεκτρολογίας - θυμηθείτε, για παράδειγμα, ότι η απλή αλλαγή των φυσικών διαστάσεων ενός ομοαξονικού καλωδίου θα αλλάξει τη χαρακτηριστική αντίσταση.

Ωστόσο, η αντίσταση 50 Ω είναι πολύ σημαντική, επειδή είναι η αντίσταση γύρω από την οποία σχεδιάζονται τα περισσότερα συστήματα RF. Είναι δύσκολο να προσδιοριστεί ακριβώς γιατί το 50 Ω έγινε η τυποποιημένη αντίσταση RF, αλλά είναι λογικό να υποθέσουμε ότι το 50 Ω βρέθηκε να είναι ένας καλός συμβιβασμός στο πλαίσιο των πρώιμων ομοαξονικών καλωδίων.

Το σημαντικό ζήτημα, φυσικά, δεν είναι η προέλευση της συγκεκριμένης τιμής, αλλά τα οφέλη από την ύπαρξη αυτής της τυποποιημένης σύνθετης αντίστασης. Η επίτευξη ενός ταιριασμένου σχεδιασμού είναι πολύ απλούστερη, επειδή οι κατασκευαστές IC, σταθερών εξασθενητών, κεραιών και ούτω καθεξής μπορούν να κατασκευάσουν τα μέρη τους λαμβάνοντας υπόψη αυτήν την αντίσταση. Επίσης, η διάταξη PCB γίνεται πιο απλή, επειδή τόσοι πολλοί μηχανικοί έχουν τον ίδιο στόχο, δηλαδή, να σχεδιάζουν μικροσυσκευές και ραβδώσεις που έχουν χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση 50 Ω.

Σύμφωνα με αυτό το σημείωμα εφαρμογής από τις Αναλογικές συσκευές, μπορείτε να δημιουργήσετε μια μικροπίστωση 50 Ω ως εξής: χαλκός 1 ουγγιάς, ίχνος πλάτους 20 mil, διαχωρισμός 10 mil μεταξύ ίχνους και επιπέδου γείωσης (υποθέτοντας διηλεκτρικό FR-4).
 
Πριν προχωρήσουμε, ας είμαστε σαφείς ότι δεν έχει σχεδιαστεί κάθε σύστημα ή στοιχείο υψηλής συχνότητας για 50 Ω. Θα μπορούσαν να επιλεγούν και άλλες τιμές, και στην πραγματικότητα η αντίσταση 75 Ω εξακολουθεί να είναι κοινή. Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση ενός ομοαξονικού καλωδίου είναι ανάλογη με το φυσικό λογότυπο της αναλογίας της εξωτερικής διαμέτρου (D2) προς την εσωτερική διάμετρο (D1).


 

Αυτό σημαίνει ότι περισσότερος διαχωρισμός μεταξύ του εσωτερικού αγωγού και του εξωτερικού αγωγού αντιστοιχεί σε μεγαλύτερη αντίσταση. Ο μεγαλύτερος διαχωρισμός μεταξύ των δύο αγωγών οδηγεί επίσης σε χαμηλότερη χωρητικότητα. 

Έτσι, το ομοαξονικό 75 Ω έχει χαμηλότερη χωρητικότητα από το ομοαξονικό 50 Ω, και αυτό καθιστά το καλώδιο 75 Ω πιο κατάλληλο για ψηφιακά σήματα υψηλής συχνότητας, τα οποία απαιτούν χαμηλή χωρητικότητα προκειμένου να αποφευχθεί η υπερβολική εξασθένηση του περιεχομένου υψηλής συχνότητας που σχετίζεται με τις γρήγορες μεταβάσεις μεταξύ χαμηλή λογική και υψηλή λογική.

Συντελεστής αντανάκλασης
Λαμβάνοντας υπόψη πόσο σημαντική είναι η αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης στη σχεδίαση RF, δεν πρέπει να εκπλαγούμε που διαπιστώνουμε ότι υπάρχει μια συγκεκριμένη παράμετρος που χρησιμοποιείται για να εκφράσει την ποιότητα ενός αγώνα. Ονομάζεται συντελεστής ανάκλασης. το σύμβολο είναι Γ (το ελληνικό κεφαλαίο γράμμα γάμμα). Είναι η αναλογία του σύνθετου πλάτους του ανακλώμενου κύματος προς το σύνθετο πλάτος του προσπίπτοντος κύματος. 

Ωστόσο, η σχέση μεταξύ περιστατικού κύματος και ανακλώμενου κύματος καθορίζεται από την αντίσταση πηγής (ZS) και φορτίου (ZL), και έτσι είναι δυνατό να οριστεί ο συντελεστής ανάκλασης ως προς αυτές τις σύνθετες αντιστάσεις:

 

Εάν η «πηγή» σε αυτήν την περίπτωση είναι μια γραμμή μετάδοσης, μπορούμε να αλλάξουμε το ZS σε Z0.



Σε ένα τυπικό σύστημα, το μέγεθος του συντελεστή ανάκλασης είναι ένας αριθμός μεταξύ μηδέν και ενός. Ας δούμε τρεις μαθηματικά απλές καταστάσεις για να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε πώς ο συντελεστής ανάκλασης αντιστοιχεί στην πραγματική συμπεριφορά κυκλώματος:

* Εάν ο αγώνας είναι τέλειος (ZL = Z0), ο αριθμητής είναι μηδέν και συνεπώς ο συντελεστής ανάκλασης είναι μηδέν. Αυτό έχει νόημα επειδή το τέλειο ταίριασμα δεν οδηγεί σε προβληματισμό.

* Εάν η σύνθετη αντίσταση φορτίου είναι άπειρη (δηλ. Ένα ανοιχτό κύκλωμα), ο συντελεστής ανάκλασης γίνεται άπειρο διαιρούμενος με το άπειρο, το οποίο είναι ένα. Ένας συντελεστής ανάκλασης αντιστοιχεί σε πλήρη ανάκλαση, δηλαδή, αντανακλάται όλη η ενέργεια των κυμάτων. Αυτό έχει νόημα επειδή μια γραμμή μετάδοσης που είναι συνδεδεμένη σε ένα ανοιχτό κύκλωμα αντιστοιχεί σε μια πλήρη ασυνέχεια (δείτε την προηγούμενη σελίδα) - το φορτίο δεν μπορεί να απορροφήσει καμία ενέργεια, οπότε όλα πρέπει να αντικατοπτρίζονται.

* Εάν η σύνθετη αντίσταση φορτίου είναι μηδέν (δηλαδή βραχυκύκλωμα), το μέγεθος του συντελεστή ανάκλασης γίνεται Z0 διαιρούμενο με Z0. Έτσι έχουμε και πάλι | Γ | = 1, το οποίο έχει νόημα επειδή ένα βραχυκύκλωμα αντιστοιχεί επίσης σε μια πλήρη ασυνέχεια που δεν μπορεί να απορροφήσει καμία από την ενέργεια κύματος που προσπίπτει.

VSWR
Μια άλλη παράμετρος που χρησιμοποιείται για την περιγραφή της αντιστάθμισης σύνθετης αντίστασης είναι ο λόγος κύματος μόνιμης τάσης (VSWR). Ορίζεται ως εξής:

Το VSWR προσεγγίζει την αντιστάθμιση αντίστασης από την προοπτική του προκύπτοντος κύματος. Μεταφέρει την αναλογία του υψηλότερου πλάτους κύματος στάσης προς το χαμηλότερο πλάτος κύματος όρθιας. Αυτό το βίντεο μπορεί να σας βοηθήσει να οπτικοποιήσετε τη σχέση μεταξύ της αναντιστοιχίας σύνθετης αντίστασης και των χαρακτηριστικών πλάτους του όρθιου κύματος και το παρακάτω διάγραμμα μεταδίδει χαρακτηριστικά πλάτους κύματος για τρεις διαφορετικούς συντελεστές ανάκλασης.




Η μεγαλύτερη αναντιστοιχία αντίστασης οδηγεί σε μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ των τοποθεσιών υψηλότερου πλάτους και χαμηλότερου πλάτους κατά μήκος του κύματος όρθιας. Η εικόνα χρησιμοποιείται με ευγένεια του Interferometrist.
 
Το VSWR εκφράζεται συνήθως ως αναλογία. Ένα τέλειο ταίριασμα θα ήταν 1: 1, που σημαίνει ότι το μέγιστο πλάτος του σήματος είναι πάντα το ίδιο (δηλ. Δεν υπάρχει κύμα μόνιμης). Μια αναλογία 2: 1 δείχνει ότι οι ανακλάσεις έχουν οδηγήσει σε ένα κύμα όρθιο με μέγιστο πλάτος που είναι διπλάσιο από το ελάχιστο πλάτος του.

Χαρακτηριστικά
* Η χρήση τυποποιημένης σύνθετης αντίστασης καθιστά το σχεδιασμό RF πολύ πιο πρακτικό και αποτελεσματικό.

* Τα περισσότερα συστήματα RF είναι κατασκευασμένα με αντίσταση 50 Ω. Ορισμένα συστήματα χρησιμοποιούν 75 Ω. Αυτή η τελευταία τιμή είναι πιο κατάλληλη για ψηφιακά σήματα υψηλής ταχύτητας.

* Η ποιότητα ενός συνδυασμού σύνθετης αντίστασης μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά με τον συντελεστή ανάκλασης (Γ). Ένα τέλειο ταίριασμα αντιστοιχεί στο Γ = 0 και μια πλήρης ασυνέχεια (στην οποία αντανακλάται όλη η ενέργεια) αντιστοιχεί στο Γ = 1.

* Ένας άλλος τρόπος ποσοτικοποίησης της ποιότητας αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης είναι ο λόγος κύματος μόνιμης τάσης (VSWR).

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων