คำถาม 50:: การจับคู่ความต้านทานในการออกแบบ RF

สัญญาณ RF แบบ Real-Life
การจับคู่ความต้านทานเป็นลักษณะพื้นฐานของการออกแบบและการทดสอบ RF; การสะท้อนสัญญาณที่เกิดจากความต้านทานที่ไม่ตรงกันสามารถนำไปสู่ปัญหาร้ายแรง

การจับคู่ดูเหมือนว่าเป็นการออกกำลังกายเล็กน้อยเมื่อคุณกำลังจัดการกับวงจรเชิงทฤษฎีที่ประกอบด้วยต้นกำเนิดในอุดมคติสายส่งและโหลด

สมมติว่าโหลดความต้านทานได้รับการแก้ไขแล้ว สิ่งที่เราต้องทำคือรวมอิมพีแดนซ์ต้นทาง (ZS) เท่ากับ ZL แล้วออกแบบสายส่งเพื่อให้อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ (Z0) เท่ากับ ZL

แต่ลองพิจารณาสักครู่ถึงความยากลำบากของการนำโครงร่างนี้ไปใช้ในวงจร RF ที่ซับซ้อนซึ่งประกอบไปด้วยส่วนประกอบแฝงและวงจรรวม กระบวนการออกแบบคลื่นความถี่วิทยุนั้นจะไม่ได้เกิดขึ้นอย่างจริงจังหากวิศวกรต้องปรับเปลี่ยนส่วนประกอบทั้งหมดและระบุขนาดของไมโครสตริปทุกอันตามอิมพีแดนซ์หนึ่งที่เลือกเป็นพื้นฐานสำหรับส่วนอื่น ๆ ทั้งหมด

นอกจากนี้สมมติว่าโครงการได้มาถึงขั้นตอน PCB แล้ว ถ้าเราต้องการทดสอบและกำหนดลักษณะของระบบโดยใช้โมดูลแยกด้วยสายเคเบิลที่ไม่เชื่อมต่อกับชั้นวางเป็นจุดเชื่อมต่อ? การชดเชยความต้านทานที่ไม่ตรงกันนั้นไม่สามารถทำได้ในสถานการณ์เหล่านี้

วิธีแก้ปัญหานั้นง่าย: เลือกอิมพิแดนซ์มาตรฐานที่สามารถใช้ในระบบ RF จำนวนมากและตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนประกอบและสายเคเบิลได้รับการออกแบบให้เหมาะสม อิมพีแดนซ์นี้ได้รับเลือก หน่วยเป็นโอห์มและจำนวนคือ 50

ห้าสิบโอห์ม
สิ่งแรกที่ต้องทำความเข้าใจคือไม่มีสิ่งใดเป็นพิเศษเกี่ยวกับความต้านทาน 50 XNUMX นี่ไม่ใช่ค่าคงที่พื้นฐานของจักรวาลแม้ว่าคุณจะได้รับความประทับใจว่าเป็นถ้าคุณใช้เวลามากพอกับวิศวกร RF มันไม่ได้เป็นค่าคงที่พื้นฐานของวิศวกรรมไฟฟ้าเช่นจำไว้ว่าการเปลี่ยนขนาดทางกายภาพของสายโคแอกเซียลจะเปลี่ยนความต้านทานลักษณะเฉพาะ

อย่างไรก็ตามความต้านทาน 50 is มีความสำคัญมากเพราะเป็นความต้านทานรอบ ๆ ซึ่งระบบ RF ส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบ เป็นการยากที่จะกำหนดว่าทำไม 50 Ωกลายเป็นความต้านทาน RF มาตรฐาน แต่ก็มีเหตุผลที่จะสมมติว่า 50 Ωพบว่ามีการประนีประนอมที่ดีในบริบทของสายโคแอกเซียลก่อน

แน่นอนว่าประเด็นที่สำคัญไม่ใช่ที่มาของคุณค่าที่เฉพาะเจาะจง แต่เป็นประโยชน์ของการมีอิมพิแดนซ์ที่เป็นมาตรฐานนี้ การได้รับการออกแบบที่เข้าคู่กันนั้นง่ายกว่ามากเพราะผู้ผลิต IC, ตัวลดทอนสัญญาณเสาอากาศและอื่น ๆ สามารถสร้างชิ้นส่วนได้ด้วยอิมพีแดนซ์ในใจ ยิ่งไปกว่านั้นเค้าโครง PCB กลายเป็นเรื่องตรงไปตรงมามากขึ้นเนื่องจากวิศวกรจำนวนมากมีเป้าหมายเดียวกันคือการออกแบบ microstrips และ striplines ที่มีอิมพีแดนซ์ลักษณะ 50 Ω

ตามหมายเหตุของแอพนี้จาก Analog Devices คุณสามารถสร้างไมโครสตริปขนาด 50 as ดังนี้: ทองแดง 1 ออนซ์, ความกว้าง 20 ล้านล้าน, การแยก 10 ไมล์ระหว่างระนาบและระนาบกราวน์ (สมมติว่าเป็น FR-4 อิเล็กทริก)
 
ก่อนที่เราจะก้าวต่อไปให้ชัดเจนว่าไม่ใช่ทุกระบบความถี่สูงหรือส่วนประกอบถูกออกแบบมาสำหรับ 50 Ω สามารถเลือกค่าอื่น ๆ และในความเป็นจริง 75 ed ความต้านทานยังคงเป็นเรื่องปกติ ความต้านทานลักษณะของสายเคเบิลโคแอกเซียลเป็นสัดส่วนกับบันทึกธรรมชาติของอัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (D2) ต่อเส้นผ่านศูนย์กลางด้านใน (D1)


 

ซึ่งหมายความว่าการแยกระหว่างตัวนำภายในและตัวนำด้านนอกมากขึ้นสอดคล้องกับความต้านทานที่สูงขึ้น การแยกกันระหว่างตัวนำทั้งสองยิ่งนำไปสู่การลดลงของความจุ 

ดังนั้น 75 Ω coax มีความจุต่ำกว่า 50 Ω coax และทำให้สาย 75 suitable เหมาะสำหรับสัญญาณดิจิตอลความถี่สูงซึ่งต้องการความจุต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการลดทอนของเนื้อหาความถี่สูงที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนอย่างรวดเร็วระหว่าง ตรรกะต่ำและตรรกะสูง

สัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับ
เมื่อพิจารณาถึงความสำคัญของการจับคู่อิมพิแดนซ์ในการออกแบบ RF เราไม่ควรแปลกใจที่พบว่ามีพารามิเตอร์เฉพาะที่ใช้เพื่อแสดงคุณภาพของการจับคู่ มันถูกเรียกว่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน สัญลักษณ์คือΓ (แกมมาตัวพิมพ์ใหญ่กรีก) มันคืออัตราส่วนของแอมพลิจูดคอมเพล็กซ์ของคลื่นสะท้อนต่อแอมพลิจูดที่ซับซ้อนของคลื่นตกกระทบ 

อย่างไรก็ตามความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อนถูกกำหนดโดยความต้านทานของแหล่งกำเนิด (ZS) และความต้านทานโหลด (ZL) ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนในแง่ของความต้านทานเหล่านี้:

 

หาก "แหล่งที่มา" ในกรณีนี้เป็นสายส่งเราสามารถเปลี่ยน ZS เป็น Z0



ในระบบทั่วไปขนาดของสัมประสิทธิ์การสะท้อนมีจำนวนระหว่างศูนย์ถึงหนึ่ง ลองดูสถานการณ์ทางคณิตศาสตร์ที่ตรงไปตรงมาสามสถานการณ์เพื่อช่วยให้เราเข้าใจว่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนนั้นสอดคล้องกับพฤติกรรมของวงจรจริงอย่างไร:

* หากการแข่งขันสมบูรณ์แบบ (ZL = Z0) ตัวเศษเป็นศูนย์และทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับเป็นศูนย์ สิ่งนี้สมเหตุสมผลเนื่องจากการจับคู่ที่สมบูรณ์แบบไม่มีผลสะท้อน

* ถ้าโหลดความต้านทานไม่มีที่สิ้นสุด (เช่นวงจรเปิด) สัมประสิทธิ์การสะท้อนจะกลายเป็นค่าอนันต์หารด้วยอินฟินิตี้ซึ่งเป็นหนึ่ง ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของหนึ่งสอดคล้องกับการสะท้อนเต็มคือพลังงานคลื่นทั้งหมดจะถูกสะท้อน เรื่องนี้สมเหตุสมผลเนื่องจากสายส่งที่เชื่อมต่อกับวงจรเปิดสอดคล้องกับความไม่ต่อเนื่องที่สมบูรณ์ (ดูหน้าก่อนหน้า) - โหลดไม่สามารถดูดซับพลังงานใด ๆ ดังนั้นมันจะต้องสะท้อนให้เห็นทั้งหมด

* ถ้าโหลดความต้านทานเป็นศูนย์ (เช่นลัดวงจร) ขนาดของสัมประสิทธิ์การสะท้อนจะกลายเป็น Z0 หารด้วย Z0 ดังนั้นเราจึงมี | Γ | = 1 ซึ่งสมเหตุสมผลเนื่องจากการลัดวงจรยังสอดคล้องกับความไม่ต่อเนื่องที่สมบูรณ์ซึ่งไม่สามารถดูดซับพลังงานคลื่นตกกระทบใด ๆ

VSWR
พารามิเตอร์อื่นที่ใช้อธิบายการจับคู่อิมพีแดนซ์คืออัตราส่วนของคลื่นนิ่งแรงดัน (VSWR) มันถูกกำหนดไว้ดังนี้:

VSWR เข้าใกล้การจับคู่ความต้านทานจากมุมมองของคลื่นนิ่งที่เกิดขึ้น มันสื่อถึงอัตราส่วนของแอมพลิจูดของคลื่นนิ่งที่มีค่าสูงสุดต่อแอมพลิจูดของคลื่นที่มีคลื่นต่ำสุด วิดีโอนี้สามารถช่วยให้คุณเห็นภาพความสัมพันธ์ระหว่างอิมพิแดนซ์ไม่ตรงกันและลักษณะแอมพลิจูดของคลื่นนิ่งและแผนภาพต่อไปนี้บ่งบอกลักษณะแอมพลิจูดคลื่นนิ่งยืนสำหรับค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนสามแบบ




ความต้านทานที่ไม่ตรงกันมากขึ้นนำไปสู่ความแตกต่างระหว่างตำแหน่งแอมพลิจูดสูงสุดและแอมพลิจูดต่ำสุดตามแนวคลื่นนิ่ง ภาพที่ได้รับความอนุเคราะห์จาก Interferometrist
 
VSWR มักแสดงเป็นอัตราส่วน การจับคู่ที่สมบูรณ์แบบจะเป็น 1: 1 ซึ่งหมายความว่าแอมพลิจูดสูงสุดของสัญญาณนั้นเหมือนกันเสมอ (กล่าวคือไม่มีคลื่นนิ่ง) อัตราส่วน 2: 1 บ่งชี้ว่าการสะท้อนกลับส่งผลให้เกิดคลื่นนิ่งที่แอมพลิจูดสูงสุดที่มีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของแอมพลิจูดขั้นต่ำ

สรุป
* การใช้ความต้านทานมาตรฐานทำให้การออกแบบ RF มีประโยชน์และมีประสิทธิภาพมากขึ้น

* ระบบ RF ส่วนใหญ่สร้างความต้านทานได้ประมาณ 50 ed บางระบบใช้ 75 Ω; ค่าหลังนี้มีความเหมาะสมมากกว่าสำหรับสัญญาณดิจิตอลความเร็วสูง

* คุณภาพของการจับคู่ความต้านทานสามารถแสดงทางคณิตศาสตร์โดยสัมประสิทธิ์การสะท้อน (Γ) การจับคู่ที่สมบูรณ์แบบสอดคล้องกับΓ = 0 และความไม่ต่อเนื่องที่สมบูรณ์ (ซึ่งพลังงานทั้งหมดสะท้อนให้เห็น) สอดคล้องกับΓ = 1

* อีกวิธีหนึ่งในการวัดคุณภาพของการจับคู่ความต้านทานคืออัตราส่วนของคลื่นนิ่งแรงดัน (VSWR)

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ