Початківцям - нова інформація, досвідченим інженерам - просто освіжити пам'ять....

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру кабельних тестерів за посиланням наприкінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади для тестування кабельних та мережевих інфраструктур. Також рекомендуються статті для подальшої самоосвіти

Основи радіочастотного проектування: КСВ, зворотні втрати та втрати через неузгодженість

Дізнайтеся про коефіцієнт стоячої хвилі за напругою (КСВН), зворотні втрати та втрати через неузгодженість, які допомагають охарактеризувати відображення хвиль у радіочастотних (РЧ) конструкціях.

Електричні хвилі відбиваються, коли вони стикаються зі зміною імпедансу середовища, в якому вони рухаються. Ці відображення дуже небажані, коли ми прагнемо передати потужність від одного блоку до наступного сигнального ланцюга.

У цій статті ми дізнаємося про два параметри, а саме КСВН та зворотні втрати, які дозволяють нам характеризувати відображення хвиль у радіочастотній конструкції. Ми також обговоримо специфікацію втрати невідповідності, яка розраховує вплив відображень хвиль на передачу потужності.

Розрахунок формули КСВН

При короткозамкненій або розімкнутій лінії передачі відбувається повне відображення, а інтерференція падаючої та відбитої хвиль створює лінії передачі стоячі хвилі. Як приклад розглянемо схему, показану малюнку 1.

Малюнок 1. Приклад схеми.

Для синусоїдального вхідного сигналу відповідь також є синусоїдальним. При довжині d = 0,2 метра і короткозамкнутому навантаженні (ZL = 0) хвиля напруги вздовж лінії 36 різних моментів часу представлена малюнку 2.

Малюнок 2. Хвилі напруги у 36 різних випадках.

Наведена вище крива дає уявлення, як змінюється амплітуда хвилі напруги вздовж лінії. Ця зміна амплітуди найкраще показана наведеною вище графіків, що огинає, представленої на малюнку 3 нижче.

Малюнок 3. Графік зміни амплітуди.

Зверніть увагу, що мінімальне значення огинаючої становить нуль вольт. Ми можемо повторити ту ж саму процедуру для довільного навантаження, скажімо, навантаження з Γ = 0,5. Графіки хвилі напруги при цьому випадку в 36 різних моментів часу показано малюнку 4.

Малюнок 4. Інший приклад графіка показує хвилю напруги для 36 випадків.

Огинає цих кривих показано малюнку 5.

Малюнок 5. Приклад графіка залежності хвилі напруги від положення, що огинає.

Наведене вище обговорення показує, що коли відбувається повне відображення, мінімальне значення огинаючої становить нуль вольт Vmin = 0 (рис. 3). Однак при частковому відображенні Vmin наближається до пікового значення Vmax. В ідеальному випадку, коли відбиття немає, Vmax фактично стає рівним Vmin. Отже, відношення Vmax до Vmin, відоме як КСВ, пов'язане з величиною відображення, що виникає під час розриву імпедансу. Математичною мовою КСВ визначається як:

VSWR = Vmax/Vmin

Рівняння 1.

При повному відображенні КСВ нескінченний; для узгодженого навантаження КСР дорівнює 1; а в інших випадках КСВН знаходиться між цими двома крайніми значеннями. Наприклад, для огинаючої сигналу малюнку 5 КСВ дорівнює:

VSWR = Vmax/Vmin = 1./50.5 = 3

Можна легко показати, що КСВН пов'язаний з коефіцієнтом відображення навантаження Γ наступним рівнянням:

VSWR = 1 + |Γ|/1−|Γ|

Рівняння 2.

Це рівняння дозволяє нам виміряти КСВН та використовувати цю інформацію для визначення величини коефіцієнта відображення.

До речі, параметр КСВ, можливо, дещо втратив те значення, яке він мав колись. Сучасні високопродуктивні спрямовані відгалужувачі можуть фізично розділяти падаючі та відбиті хвилі, що дозволяє нам точно вимірювати коефіцієнт відображення.

У перші роки вимірювань на лініях передачі ці високопродуктивні спрямовані відгалужувачі були недоступні, рівняння 2 служило простим рішенням для вимірювання величини Γ. Для цього інженерам потрібно було лише виміряти мінімальну і максимальну напругу вздовж лінії за допомогою пристрою, званого щілинною лінією. Враховуючи доступність сучасного високопродуктивного вимірювального обладнання, КСВ іноді вважають параметром, що залишився з десятиліть тому. Однак радіочастотним інженерам необхідно повністю розуміти концепцію КСВН, оскільки вона все ще зазвичай вказується в таблицях даних.

Поворотні РЧ втрати

Розглянемо схему малюнку 6, де лінія передачі підключена до входу радіочастотного компонента. Падає потужність дорівнює Pi, а коефіцієнт відображення, що «дивиться» на вхід ВЧ-компонента, дорівнює Γ.

Малюнок 6. Схема, що показує радіочастотний компонент та лінію передачі.

Тут нас цікавить, яка частина падаючої потужності відбивається від радіочастотної складової (Pr). У той час як коефіцієнт відбиття Γ являє собою відношення відбитої напруги до падаючої напруги, |Γ|2|Γ|2 являє собою відношення відбитої потужності до падаючої потужності:

Pr = |Γ|2Pi

Рівняння 3.

Виразивши наведене вище рівняння у децибелах, отримаємо:

Pr|dB = Pi|dB + 10 log (|Γ|2)

Рівняння 4.

Наприклад, якщо |Γ|2 = 0.1|Γ|2 = 0.1, ми отримуємо: Pr|dB = Pi|dB−10dB

Це означає, що відбита потужність на 10 дБ нижче за падальну потужність. У цьому випадку ми можемо сказати, що частина сигналу, що подається, повертається, відчуває посилення -10 дБ або, що те ж саме, втрату +10 дБ. Іншими словами, «зворотні втрати» у цьому прикладі становлять 10 дБ.

Як альтернатива для вираження рівнянь 3 і 4 зазвичай використовується параметр зворотних втрат. Однак назва цього параметра спочатку може здатися трохи заплутаною. Зворотні втрати визначають втрати, які зазнає падаючого сигналу при поверненні або відображенні від розриву імпедансу.

Зверніть увагу, що для пасивних схем Γ обмежено значеннями від 0 до 1, і, отже, сигнал, що повертається, відчуває ослаблення або втрату, а не посилення. Поворотні втрати, які зазвичай позначаються RL, визначаються за формулою:

RL = − 20 log (|Γ|)

Рівняння 6.

Наприклад, якщо зворотні втрати в системі вказані рівними 40 дБ, ви відразу дізнаєтеся, що відбита потужність на 40 дБ нижче потужності, що падає. Отже, великі зворотні втрати відповідають кращому узгодженню між навантаженням та характеристичним опором лінії.

Три параметри Γ, КСВН та зворотні втрати - це різні способи визначення того, наскільки добре навантаження узгоджено з лінією передачі. Однак, на відміну від Γ, який має інформацію як про величину, так і про фазу, КСВН та зворотні втрати надають тільки величину і не містять інформації про фазу.

Втрати через неузгодженість

Давайте ще раз розглянемо конфігурацію, показану малюнку 6. Крім відбитої потужності, нас також цікавить характеристика впливу неузгодженості імпедансів кількість потужності, переданої на вихід Po. По-перше, припустимо, що коефіцієнт посилення радіочастотної складової дорівнює одиниці (G = 1). Іншими словами, на його виході з'являється та ж потужність, яка подається на вхід ВЧ-компоненти. Оскільки невідповідність імпедансів призводить до деякої відбитої потужності, воно зменшує потужність, що передається радіочастотну складову. При G = 1 вихідна потужність Po дорівнює різниці між падаючою та відбитою потужністю:

Po = Pi - Pr = Pi(1−|Γ|2)

Вираз наведеного вище рівняння децибелах призводить до:

Po|dB = Pi|dB + 10 log (1 − |Γ|2)

Продовжуючи приклад значення Γ|2 = 0,1|Γ|2 = 0,1, наведене вище рівняння дає:

Po|dB = Pi|dB + 10 log (0.9) = Pi|dB − 0.46 dB

Це означає, що вихідна потужність на 0,46 дБ нижче за падаючу потужність. Інакше кажучи, сигнал відчуває посилення -0,46 дБ чи, що еквівалентно, втрати +0,46 дБ. Цю втрату потужності називають "втратою неузгодженості", оскільки вона виникає просто через неузгодження імпедансів. Параметр втрат неузгодженості показує, як можна поліпшити посилення, забезпечивши ідеальне узгодження імпедансів. У наведеному вище прикладі досягнуте поліпшення посилення становить 0,46 дБ. На основі наведеного вище обговорення втрати через невідповідність, що позначаються ML, визначаються наступним рівнянням:

ML = − 10 log (1 − |Γ|2)

Рівняння 7.

З наведеного вище пояснення має бути ясно, що бажані невеликі втрати через неузгодженість, які відповідають кращому узгодженню між навантаженням та лінією.

Втрата через неузгодженість, коли обидва порти не узгоджені

На малюнку 6 ми неявно припустили, що імпеданс джерела сигналу (не показаний) узгоджено з характерним імпедансом лінії. Якщо це не так, Pr буде повторно відбиватися від розриву на кінці джерела і робитиме внесок у хвилю Pi, що падає. Така ситуація зустрічається, наприклад, коли ми підключаємо джерело до навантаження через лінію передачі (рис. 7(а)), а також інтерфейс між двома каскадними пристроями (рис. 7(б)).

Рисунок 7. Приклад схеми джерела, підключеного до навантаження через лінію передачі (а) та інтерфейс між двома каскадними пристроями (б).

У цьому випадку втрати через неузгодженість (у лінійних одиницях, а не в децибелах) визначаються рівнянням 8.

ML = |1 − Γ1Γ2|2 (1 − |Γ1|2) (1 − |Γ2|2)

Рівняння 8.

Наведене вище рівняння визначає частину вхідної потужності, яка коливається вперед і назад між вхідними та вихідними портами через відображення хвиль. Висновок цього рівняння можна знайти у розділі 2 книги Г. Гонсалеса «НВЧ-транзисторні підсилювачі». Наприклад, припустимо, що Γ1 та Γ2 рівні відповідно 0,1 та 0,2 на малюнку 7 (a). І тут ми маємо втрату невідповідності ML = 1,011. Виражені в дБ, ми маємо втрати 0,05 дБ через два розриви імпедансу.

Зверніть увагу, що має інформацію як про величину, так і про фазу, а фазовий кут може впливати на значення ML, отримане за рівнянням 8. Давайте повторимо наведений вище приклад з Γ1 = 0,1 і Γ2 = -0,2. У цьому випадку ML виходить 1095 або 039 дБ.

Невизначеність неузгодженості

Наведений вище приклад наголошує на серйозній проблемі в радіочастотних додатках. Оскільки втрати через неузгодженість у рівнянні 8 залежать від фазового кута коефіцієнтів відбиття і, враховуючи, що у багатьох практичних ситуаціях відома лише величина коефіцієнта відбиття, існує деяка невизначеність щодо того, яка потужність фактично передається від входу до виходу. . Наприклад, знаючи, що |Γ1| = 0,1 та |Γ2| = 0,2, втрати неузгодженості становлять десь між 0,05 дБ та 0,39 дБ. Діапазон, що визначається цими верхніми та нижніми межами, називається невизначеністю неузгодженості.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник Аналізаторів Спектру в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelne-pribory/analizatory-radiochastotnoho-spektra