Pertanyaan 50:: Pencocokan Impedansi dalam Desain RF

Sinyal RF Kehidupan Nyata
Pencocokan impedansi adalah aspek mendasar dari desain dan pengujian RF; pantulan sinyal yang disebabkan oleh impedansi yang tidak cocok dapat menyebabkan masalah serius.

Mencocokkan tampaknya seperti latihan sepele ketika Anda berurusan dengan rangkaian teoretis yang terdiri dari sumber ideal, saluran transmisi, dan beban.

Mari kita asumsikan bahwa impedansi beban sudah diperbaiki. Yang perlu kita lakukan adalah memasukkan impedansi sumber (ZS) sama dengan ZL dan kemudian merancang saluran transmisi sehingga karakteristik impedansinya (Z0) juga sama dengan ZL.

Tapi mari kita pertimbangkan sejenak kesulitan menerapkan skema ini di seluruh rangkaian RF kompleks yang terdiri dari banyak komponen pasif dan sirkuit terintegrasi. Proses desain RF akan sangat sulit jika para insinyur harus memodifikasi setiap komponen dan menentukan dimensi setiap microstrip sesuai dengan satu impedansi yang dipilih sebagai dasar untuk semua yang lain.

Juga, ini mengasumsikan bahwa proyek tersebut telah mencapai tahap PCB. Bagaimana jika kita ingin menguji dan mengkarakterisasi suatu sistem menggunakan modul diskrit, dengan kabel yang tersedia sebagai interkoneksi? Kompensasi untuk impedansi yang tidak cocok bahkan lebih tidak praktis dalam kondisi ini.

Solusinya sederhana: pilih impedansi standar yang dapat digunakan di banyak sistem RF, dan pastikan komponen dan kabel dirancang dengan sesuai. Impedansi ini telah dipilih; unitnya ohm, dan jumlahnya 50.

Lima puluh ohm
Hal pertama yang harus dipahami adalah tidak ada yang intrinsik khusus tentang impedansi 50.. Ini bukan konstanta fundamental alam semesta, meskipun Anda mungkin mendapat kesan bahwa itu jika Anda menghabiskan cukup waktu di sekitar teknisi RF. Bahkan bukan konstanta fundamental dari teknik kelistrikan - ingat, misalnya, bahwa hanya mengubah dimensi fisik kabel koaksial akan mengubah impedansi karakteristik.

Namun demikian, impedansi 50 is sangat penting, karena itu adalah impedansi di mana sebagian besar sistem RF dirancang. Sulit untuk menentukan dengan tepat mengapa 50 Ω menjadi impedansi RF standar, tetapi masuk akal untuk menganggap bahwa 50 found ditemukan sebagai kompromi yang baik dalam konteks kabel koaksial awal.

Masalah yang penting, tentu saja, bukan asal dari nilai spesifik melainkan manfaat dari memiliki impedansi terstandarisasi ini. Mencapai desain yang cocok sangat jauh lebih sederhana karena produsen IC, attenuator tetap, antena, dan sebagainya dapat membangun bagian-bagian mereka dengan mempertimbangkan impedansi ini. Selain itu, tata letak PCB menjadi lebih mudah karena begitu banyak insinyur memiliki tujuan yang sama, yaitu, untuk mendesain strip mikro dan stripline yang memiliki impedansi karakteristik 50 Ω.

Menurut catatan aplikasi ini dari Perangkat Analog, Anda dapat membuat microstrip 50 as sebagai berikut: 1 ons tembaga, jejak 20-mil-lebar, pemisahan 10-mil antara jejak dan bidang tanah (dengan asumsi dielektrik FR-4).
 
Sebelum kita melanjutkan, mari kita perjelas bahwa tidak setiap sistem atau komponen frekuensi tinggi dirancang untuk 50 Ω. Nilai-nilai lain dapat dipilih, dan sebenarnya impedansi 75 is masih umum. Impedansi karakteristik kabel koaksial sebanding dengan log alami dari rasio diameter luar (D2) dengan diameter dalam (D1).


 

Ini berarti bahwa lebih banyak pemisahan antara konduktor dalam dan konduktor luar berhubungan dengan impedansi yang lebih tinggi. Pemisahan yang lebih besar antara kedua konduktor juga menyebabkan kapasitansi yang lebih rendah. 

Jadi, 75 "coax memiliki kapasitansi lebih rendah dari 50" coax, dan ini membuat kabel 75 "lebih cocok untuk sinyal digital frekuensi tinggi, yang membutuhkan kapasitansi rendah untuk menghindari pelemahan berlebihan dari konten frekuensi tinggi yang terkait dengan transisi cepat antara logika rendah dan logika tinggi.

Koefisien Refleksi
Mempertimbangkan betapa pentingnya pencocokan impedansi dalam desain RF, kita tidak perlu terkejut menemukan bahwa ada parameter khusus yang digunakan untuk mengekspresikan kualitas pertandingan. Ini disebut koefisien refleksi; simbolnya adalah Γ (huruf besar Yunani gamma). Ini adalah rasio amplitudo kompleks dari gelombang yang dipantulkan dengan amplitudo kompleks dari gelombang datang. 

Namun, hubungan antara gelombang datang dan gelombang pantul ditentukan oleh impedansi sumber (ZS) dan beban (ZL), dan dengan demikian dimungkinkan untuk menentukan koefisien refleksi dalam hal impedansi ini:

 

Jika "sumber" dalam hal ini adalah saluran transmisi, kita dapat mengubah ZS ke Z0.



Dalam sistem tipikal, besarnya koefisien refleksi adalah angka antara nol dan satu. Mari kita lihat tiga situasi langsung secara matematis untuk membantu kita memahami bagaimana koefisien refleksi sesuai dengan perilaku rangkaian aktual:

* Jika kecocokannya sempurna (ZL = Z0), pembilangnya adalah nol, dan dengan demikian koefisien pantulannya adalah nol. Ini masuk akal karena pencocokan sempurna menghasilkan tanpa refleksi.

* Jika impedansi beban tidak terbatas (yaitu, sirkuit terbuka), koefisien pantulan menjadi tak terhingga dibagi dengan tak terhingga, yaitu satu. Koefisien refleksi dari satu sesuai dengan refleksi penuh, yaitu, semua energi gelombang tercermin. Ini masuk akal karena saluran transmisi yang terhubung ke sirkuit terbuka berhubungan dengan diskontinuitas total (lihat halaman sebelumnya) —beban tidak dapat menyerap energi apa pun, sehingga semuanya harus tercermin.

* Jika impedansi beban adalah nol (yaitu, korsleting), besarnya koefisien refleksi menjadi Z0 dibagi dengan Z0. Jadi kita kembali memiliki | Γ | = 1, yang masuk akal karena korsleting juga berhubungan dengan diskontinuitas total yang tidak dapat menyerap energi gelombang datang.

VSWR
Parameter lain yang digunakan untuk menggambarkan pencocokan impedansi adalah rasio gelombang gelombang tegangan (VSWR). Ini didefinisikan sebagai berikut:

VSWR mendekati pencocokan impedansi dari perspektif gelombang berdiri yang dihasilkan. Ini menyampaikan rasio amplitudo gelombang berdiri tertinggi dengan amplitudo gelombang berdiri terendah. Video ini dapat membantu Anda memvisualisasikan hubungan antara ketidaksesuaian impedansi dan karakteristik amplitudo dari gelombang berdiri, dan diagram berikut menyampaikan karakteristik amplitudo gelombang berdiri untuk tiga koefisien refleksi yang berbeda.




Ketidakcocokan impedansi yang lebih mengarah ke perbedaan yang lebih besar antara lokasi amplitudo tertinggi dan amplitudo terendah di sepanjang gelombang berdiri. Gambar menggunakan milik Interferometrist.
 
VSWR umumnya dinyatakan sebagai rasio. Pencocokan sempurna adalah 1: 1, artinya amplitudo puncak sinyal selalu sama (yaitu, tidak ada gelombang berdiri). Rasio 2: 1 menunjukkan bahwa pantulan telah menghasilkan gelombang berdiri dengan amplitudo maksimum yang dua kali lebih besar dari amplitudo minimumnya.

Kesimpulan
* Penggunaan impedansi standar membuat desain RF jauh lebih praktis dan efisien.

* Sebagian besar sistem RF dibangun sekitar impedansi 50.. Beberapa sistem menggunakan 75 Ω; nilai terakhir ini lebih sesuai untuk sinyal digital berkecepatan tinggi.

* Kualitas kecocokan impedansi dapat dinyatakan secara matematis oleh koefisien refleksi (Γ). Pencocokan sempurna sesuai dengan Γ = 0, dan diskontinuitas lengkap (di mana semua energi dipantulkan) sesuai dengan Γ = 1.

* Cara lain untuk mengukur kualitas kecocokan impedans adalah rasio gelombang tegak tegangan (VSWR).

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan