Câu hỏi 50:: Kết hợp trở kháng trong thiết kế RF

Tín hiệu RF ngoài đời thực
Kết hợp trở kháng là một khía cạnh cơ bản của thiết kế và thử nghiệm RF; các phản xạ tín hiệu gây ra bởi trở kháng không khớp có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng.

Kết hợp có vẻ như là một bài tập tầm thường khi bạn xử lý một mạch lý thuyết bao gồm một nguồn lý tưởng, một đường truyền và tải.

Hãy giả sử rằng trở kháng tải là cố định. Tất cả những gì chúng ta cần làm là bao gồm trở kháng nguồn (ZS) bằng ZL và sau đó thiết kế đường truyền sao cho trở kháng đặc tính của nó (Z0) cũng bằng ZL.

Nhưng chúng ta hãy xem xét một chút khó khăn khi thực hiện sơ đồ này trong một mạch RF phức tạp bao gồm nhiều thành phần thụ động và mạch tích hợp. Quá trình thiết kế RF sẽ rất khó sử dụng nếu các kỹ sư phải sửa đổi mọi thành phần và chỉ định kích thước của mỗi microstrip theo một trở kháng được chọn làm cơ sở cho tất cả các thành phần khác.

Ngoài ra, điều này giả định rằng dự án đã đạt đến giai đoạn PCB. Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta muốn kiểm tra và mô tả hệ thống bằng cách sử dụng các mô-đun rời rạc, với các dây cáp ngoài luồng như các kết nối? Việc bù cho các trở kháng không khớp thậm chí còn không thực tế hơn trong những trường hợp này.

Giải pháp rất đơn giản: chọn trở kháng tiêu chuẩn có thể được sử dụng trong nhiều hệ thống RF và đảm bảo rằng các thành phần và cáp được thiết kế phù hợp. Trở kháng này đã được chọn; đơn vị là ohms, và số là 50.

Năm mươi Ohms
Điều đầu tiên cần hiểu là về bản chất không có gì đặc biệt về trở kháng 50 .. Đây không phải là hằng số cơ bản của vũ trụ, mặc dù bạn có thể có ấn tượng rằng đó là nếu bạn dành đủ thời gian xung quanh các kỹ sư RF. Nó thậm chí không phải là một hằng số cơ bản của kỹ thuật điện, ví dụ, chỉ cần thay đổi kích thước vật lý của cáp đồng trục sẽ làm thay đổi trở kháng đặc tính.

Tuy nhiên, trở kháng 50 is rất quan trọng, bởi vì nó là trở kháng xung quanh mà hầu hết các hệ thống RF được thiết kế. Thật khó để xác định chính xác lý do tại sao 50 Ω trở thành trở kháng RF được tiêu chuẩn hóa, nhưng thật hợp lý khi cho rằng 50 được coi là một sự thỏa hiệp tốt trong bối cảnh cáp đồng trục sớm.

Tất nhiên, vấn đề quan trọng không phải là nguồn gốc của giá trị cụ thể mà là lợi ích của việc có trở kháng tiêu chuẩn hóa này. Đạt được một thiết kế phù hợp đơn giản hơn rất nhiều vì các nhà sản xuất IC, bộ suy giảm cố định, ăng ten, vv có thể xây dựng các bộ phận của họ với trở kháng này. Ngoài ra, bố trí PCB trở nên đơn giản hơn vì rất nhiều kỹ sư có cùng mục tiêu, cụ thể là thiết kế các microstrips và các đường kẻ có trở kháng đặc trưng là 50.

Theo ghi chú của ứng dụng này từ Thiết bị analog, bạn có thể tạo một microstrip 50 as như sau: đồng 1 ounce, dấu vết rộng 20 triệu, tách 10 mil giữa dấu vết và mặt phẳng mặt đất (giả sử điện môi FR-4).
 
Trước khi chúng ta tiếp tục, hãy làm rõ rằng không phải mọi hệ thống hoặc thành phần tần số cao đều được thiết kế cho 50. Các giá trị khác có thể được chọn, và trên thực tế, trở kháng 75 vẫn còn phổ biến. Trở kháng đặc tính của cáp đồng trục tỷ lệ với log tự nhiên của tỷ lệ đường kính ngoài (D2) với đường kính trong (D1).


 

Điều này có nghĩa là sự tách biệt nhiều hơn giữa dây dẫn bên trong và dây dẫn bên ngoài tương ứng với trở kháng cao hơn. Sự tách biệt lớn hơn giữa hai dây dẫn cũng dẫn đến điện dung thấp hơn. 

Do đó, 75 50 dỗ có điện dung thấp hơn 75 Ω dỗ và điều này làm cho cáp XNUMX Ω phù hợp hơn với tín hiệu số tần số cao, yêu cầu điện dung thấp để tránh suy giảm quá mức nội dung tần số cao liên quan đến sự chuyển đổi nhanh giữa logic thấp và logic cao.

Hệ số phản xạ
Xem xét mức độ phù hợp của trở kháng quan trọng trong thiết kế RF, chúng ta không nên ngạc nhiên khi thấy rằng có một tham số cụ thể được sử dụng để thể hiện chất lượng của trận đấu. Nó được gọi là hệ số phản xạ; ký hiệu là Γ (chữ cái viết hoa chữ Hy Lạp). Nó là tỷ lệ của biên độ phức tạp của sóng phản xạ với biên độ phức tạp của sóng tới. 

Tuy nhiên, mối quan hệ giữa sóng tới và sóng phản xạ được xác định bởi các trở kháng nguồn (ZS) và tải (ZL), và do đó có thể xác định hệ số phản xạ theo các trở kháng này:

 

Nếu trong trường hợp này, nguồn dữ liệu trong một trường hợp là một đường truyền, chúng ta có thể thay đổi ZS thành Z0.



Trong một hệ thống điển hình, độ lớn của hệ số phản xạ là một số từ XNUMX đến XNUMX. Chúng ta hãy xem xét ba tình huống đơn giản về mặt toán học để giúp chúng ta hiểu hệ số phản xạ tương ứng với hành vi mạch thực tế như thế nào:

* Nếu khớp hoàn hảo (ZL = Z0), tử số bằng XNUMX và do đó hệ số phản xạ bằng không. Điều này có ý nghĩa bởi vì kết quả khớp hoàn hảo không có sự phản ánh.

* Nếu trở kháng tải là vô hạn (nghĩa là mạch hở), hệ số phản xạ trở thành vô cực chia cho vô cực, là một. Một hệ số phản xạ của một tương ứng với sự phản xạ đầy đủ, nghĩa là, tất cả năng lượng sóng được phản xạ. Điều này có ý nghĩa bởi vì một đường truyền được kết nối với mạch mở tương ứng với sự gián đoạn hoàn toàn (xem trang trước) Tải trọng không thể hấp thụ bất kỳ năng lượng nào, vì vậy tất cả phải được phản ánh.

* Nếu trở kháng tải bằng không (nghĩa là ngắn mạch), cường độ của hệ số phản xạ trở thành Z0 chia cho Z0. Do đó, chúng ta lại có | | = 1, điều này có ý nghĩa vì một mạch ngắn cũng tương ứng với sự gián đoạn hoàn toàn không thể hấp thụ bất kỳ năng lượng sóng tới.

VSWR
Một tham số khác được sử dụng để mô tả kết hợp trở kháng là tỷ lệ sóng điện áp đứng (VSWR). Nó được định nghĩa như sau:

VSWR tiếp cận kết hợp trở kháng theo quan điểm của sóng đứng. Nó truyền tỷ lệ của biên độ sóng đứng cao nhất với biên độ sóng đứng thấp nhất. Video này có thể giúp bạn hình dung mối quan hệ giữa sự không phù hợp trở kháng và đặc điểm biên độ của sóng đứng và sơ đồ sau đây truyền tải các đặc tính biên độ sóng đứng cho ba hệ số phản xạ khác nhau.




Sự không phù hợp trở kháng nhiều hơn dẫn đến sự khác biệt lớn hơn giữa các vị trí biên độ cao nhất và biên độ thấp nhất dọc theo sóng đứng. Hình ảnh được sử dụng lịch sự của Interferometrist.
 
VSWR thường được biểu thị dưới dạng tỷ lệ. Một kết hợp hoàn hảo sẽ là 1: 1, có nghĩa là biên độ cực đại của tín hiệu luôn giống nhau (nghĩa là không có sóng đứng). Tỷ lệ 2: 1 chỉ ra rằng các phản xạ đã dẫn đến một sóng đứng với biên độ cực đại lớn gấp đôi biên độ tối thiểu của nó.

Tổng kết
* Việc sử dụng trở kháng tiêu chuẩn hóa giúp thiết kế RF thực tế và hiệu quả hơn nhiều.

* Hầu hết các hệ thống RF được xây dựng khoảng 50 Ω trở kháng. Một số hệ thống sử dụng 75 Ω; giá trị sau này phù hợp hơn với tín hiệu số tốc độ cao.

* Chất lượng của một trận đấu trở kháng có thể được biểu thị bằng toán học bằng hệ số phản xạ (Γ). Một kết hợp hoàn hảo tương ứng với = 0 và sự gián đoạn hoàn toàn (trong đó tất cả năng lượng được phản xạ) tương ứng với = 1.

* Một cách khác để định lượng chất lượng của một trận đấu trở kháng là tỷ lệ sóng điện áp đứng (VSWR).

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn