السؤال 50:: مطابقة المعاوقة في تصميم الترددات اللاسلكية

إشارات التردد اللاسلكي الواقعية
مطابقة المعاوقة هي جانب أساسي من تصميم واختبار التردد اللاسلكي. يمكن أن تؤدي انعكاسات الإشارة الناتجة عن عدم تطابق الممانعات إلى مشكلات خطيرة.

تبدو المطابقة بمثابة تمرين تافه عندما تتعامل مع دائرة نظرية تتكون من مصدر مثالي وخط نقل وحمل.

لنفترض أن مقاومة الحمل ثابتة. كل ما نحتاجه هو تضمين ممانعة المصدر (ZS) تساوي ZL ثم تصميم خط النقل بحيث تكون معاوقتها المميزة (Z0) مساوية لـ ZL أيضًا.

ولكن دعونا ننظر للحظة في صعوبة تنفيذ هذا المخطط عبر دائرة RF معقدة تتكون من العديد من المكونات السلبية والدوائر المتكاملة. ستكون عملية تصميم الترددات اللاسلكية عملية صعبة للغاية إذا اضطر المهندسون إلى تعديل كل مكون وتحديد أبعاد كل مقطع دقيق وفقًا للممانعة المختارة كأساس لجميع العناصر الأخرى.

ويفترض هذا أيضًا أن المشروع قد وصل بالفعل إلى مرحلة ثنائي الفينيل متعدد الكلور. ماذا لو أردنا اختبار وتوصيف نظام باستخدام وحدات منفصلة مع كبلات جاهزة كوصلات؟ التعويض عن الممانعات غير المتطابقة أكثر عملية في ظل هذه الظروف.

الحل بسيط: اختر ممانعة قياسية يمكن استخدامها في العديد من أنظمة الترددات اللاسلكية ، وتأكد من تصميم المكونات والكابلات وفقًا لذلك. تم اختيار هذه المعاوقة. الوحدة أوم ، والرقم 50.

خمسون أوم
أول شيء يجب فهمه هو أنه لا يوجد شيء جوهري حول مقاومة 50 XNUMX. هذا ليس ثابتًا أساسيًا للكون ، على الرغم من أنك قد تحصل على الانطباع بأنه إذا قضيت وقتًا كافيًا حول مهندسي RF. حتى أنه ليس ثابتًا أساسيًا للهندسة الكهربائية - تذكر ، على سبيل المثال ، أن تغيير الأبعاد المادية للكابل المحوري سيغير الممانعة المميزة.

ومع ذلك ، فإن مقاومة 50 important مهمة للغاية ، لأنها المعاوقة التي يتم تصميم معظم أنظمة التردد اللاسلكي حولها. من الصعب تحديد سبب تحول 50 Ω إلى ممانعة RF اللاسلكية المعيارية ، ولكن من المعقول افتراض أن 50 Ω تم التوصل إلى حل وسط جيد في سياق الكابلات المحورية المبكرة.

القضية المهمة ، بالطبع ، ليست أصل القيمة المحددة ، بل فوائد الحصول على هذه المعاوقة الموحدة. إن تحقيق تصميم جيد المطابقة هو أبسط إلى حد كبير لأن مصنعي الدوائر المتكاملة والموهنات الثابتة والهوائيات وما إلى ذلك يمكنهم بناء أجزاءهم مع أخذ هذه المعاوقة في الاعتبار. أيضا ، يصبح تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور أكثر وضوحا لأن العديد من المهندسين لديهم نفس الهدف ، وهو تصميم مشابك مجهرية وخطوط ذات مقاومة مميزة تبلغ 50 درجة مئوية.

وفقًا لملاحظة التطبيق هذه من الأجهزة التناظرية ، يمكنك إنشاء 50 ميكروستريب على النحو التالي: 1 أونصة نحاسية ، تتبع بعرض 20 مل ، فصل 10 مل بين التتبع ومستوى الأرض (بافتراض FR-4 عازل).
 
قبل أن ننتقل ، لنكن واضحين أنه لم يتم تصميم كل نظام أو مكون عالي التردد لـ 50 درجة مئوية. يمكن اختيار قيم أخرى ، وفي الواقع لا تزال الممانعة 75 common شائعة. تتناسب المعاوقة المميزة للكابل المحوري مع السجل الطبيعي لنسبة القطر الخارجي (D2) إلى القطر الداخلي (D1).


 

هذا يعني أن المزيد من الفصل بين الموصل الداخلي والموصل الخارجي يتوافق مع مقاومة أعلى. يؤدي الفصل الأكبر بين الموصلين أيضًا إلى انخفاض السعة. 

وبالتالي ، فإن 75 Ω coax لديه سعة أقل من 50 Ω coax ، وهذا يجعل الكابل 75 more أكثر ملاءمة للإشارات الرقمية عالية التردد ، والتي تتطلب سعة منخفضة لتجنب التوهين المفرط لمحتوى التردد العالي المرتبط بالتحولات السريعة بين منطق منخفض ومنطق مرتفع.

معامل الانعكاس
بالنظر إلى أهمية مطابقة الممانعة في تصميم الترددات اللاسلكية ، لا ينبغي أن نفاجأ عندما نجد أن هناك معلمة محددة تُستخدم للتعبير عن جودة المطابقة. ويسمى معامل الانعكاس. الرمز هو Γ (حرف جاما اليوناني). وهي نسبة السعة المعقدة للموجة المنعكسة إلى السعة المعقدة للموجة الساقطة. 

ومع ذلك ، يتم تحديد العلاقة بين الموجة الساقطة والموجة المنعكسة من خلال ممانعات المصدر (ZS) والحمل (ZL) ، وبالتالي من الممكن تحديد معامل الانعكاس من حيث هذه الممانعات:

 

إذا كان "المصدر" في هذه الحالة هو خط نقل ، يمكننا تغيير ZS إلى Z0.



في نظام نموذجي ، يكون حجم معامل الانعكاس عبارة عن رقم بين صفر وواحد. دعونا نلقي نظرة على ثلاث حالات مباشرة من الناحية الرياضية لمساعدتنا على فهم كيف يتوافق معامل الانعكاس مع سلوك الدائرة الفعلي:

* إذا كانت المطابقة مثالية (ZL = Z0) ، فسيكون البسط صفرًا ، وبالتالي يكون معامل الانعكاس صفرًا. هذا أمر منطقي لأن المطابقة المثالية تؤدي إلى عدم التفكير.

* إذا كانت ممانعة الحمل لا نهائية (أي دائرة مفتوحة) ، فإن معامل الانعكاس يصبح لانهائي مقسومًا على اللانهاية ، وهو واحد. يتوافق معامل انعكاس واحد مع الانعكاس الكامل ، أي أن كل طاقة الموجة تنعكس. هذا منطقي لأن خط النقل المتصل بدائرة مفتوحة يتوافق مع الانقطاع التام (انظر الصفحة السابقة) - لا يمكن للحمل أن يمتص أي طاقة ، لذلك يجب أن ينعكس ذلك كله.

* إذا كانت ممانعة الحمل صفر (أي دارة قصيرة) ، يصبح حجم معامل الانعكاس Z0 مقسومًا على Z0. وهكذا لدينا مرة أخرى | Γ | = 1 ، وهو أمر منطقي لأن الدائرة القصيرة تقابل أيضًا انقطاع كامل لا يمكن أن يمتص أيًا من طاقة موجة الحادث.

VSWR
المعلمة الأخرى المستخدمة لوصف مطابقة الممانعة هي نسبة الموجة الدائمة للجهد (VSWR). يتم تعريفه على النحو التالي:

يقترب VSWR من مطابقة الممانعة من منظور الموجة الدائمة الناتجة. ينقل نسبة أعلى اتساع الموجة الدائمة إلى أدنى اتساع الموجة الدائمة. يمكن أن يساعدك هذا الفيديو في تصور العلاقة بين عدم تطابق المعاوقة وخصائص اتساع الموجة الواقفة ، ويوضح الرسم البياني التالي خصائص اتساع الموجة الواقفة لثلاثة معاملات انعكاس مختلفة.




يؤدي عدم تطابق أكبر في المعاوقة إلى اختلاف أكبر بين مواقع السعة الأعلى والسعة الدنيا على طول الموجة القائمة. الصورة مجاملة من Interferometrist.
 
يتم التعبير عن VSWR بشكل شائع كنسبة. ستكون المطابقة المثالية 1: 1 ، مما يعني أن ذروة سعة الإشارة هي نفسها دائمًا (أي لا توجد موجة قائمة). تشير نسبة 2: 1 إلى أن الانعكاسات أسفرت عن موجة دائمة بسعة قصوى ضعف ضعف السعة الدنيا.

نبذة عامة
* إن استخدام ممانعة معيارية يجعل تصميم الترددات اللاسلكية أكثر عملية وكفاءة.

* تم بناء معظم أنظمة التردد اللاسلكي حول مقاومة 50 Ω. تستخدم بعض الأنظمة 75 Ω ؛ هذه القيمة الأخيرة أكثر ملاءمة للإشارات الرقمية عالية السرعة.

* يمكن التعبير عن جودة مطابقة المعاوقة رياضياً بواسطة معامل الانعكاس (Γ). تتطابق المطابقة المثالية مع Γ = 0 ، ويقابل الانقطاع التام (الذي تنعكس فيه كل الطاقة) Γ = 1.

* طريقة أخرى لقياس جودة مباراة المعاوقة هي نسبة الموجة الدائمة للجهد (VSWR).

اترك رسالة 

قائمة الرسالة