Что называется током согласования
Обновлено: 01.06.2024
В главе 3 мы обсудили характеристическое сопротивление (импеданс), линии передачи и согласование импедансов. Мы знаем, что линии передачи обладают характеристическим импедансом, и мы знаем, что этот импеданс является важным показателем в радиочастотных схемах, поскольку импедансы должны быть согласованы для предотвращения появления стоячих волн и обеспечения эффективной передачи мощности от источника к нагрузке. И даже если нам не нужно рассматривать конкретный проводник в качестве линии передачи, у нас все еще есть импедансы источника и нагрузки, которые необходимо согласовать.
Также в главе 3 мы увидели, что согласование импеданса значительно упрощается за счет использования стандартизированных значений импеданса (наиболее распространенным является 50 Ом). Производители разрабатывают свои компоненты или соединители для 50-омных входов и выходов, и во многих случаях инженеру не нужно предпринимать никаких конкретных действий для достижения согласования импедансов.
Однако существуют ситуации, когда согласование импеданса требует дополнительных схем. Например, рассмотрим радиочастотный передатчик, состоящий из усилителя мощности (УМ или PA, power amplifier) и антенны. Производитель может разработать усилитель мощности для выходного импеданса 50 Ом, но импеданс антенны будет изменяться в зависимости от ее физических характеристик, а также характеристик окружающих материалов.
Кроме того, импеданс антенны является непостоянным относительно частоты сигнала. Таким образом, производитель может проектировать антенну с импедансом 50 Ом на одной конкретной частоте, но при использовании этой антенны с другой частотой может возникнуть сильное рассогласование. Следующий график взят из технического описания керамической антенны поверхностного монтажа, предназначенной для систем 2,4–2,5 ГГц. Кривая соответствует отношению отраженной мощности к падающей мощности. Вы можете видеть, что качество согласования быстро ухудшается, когда частота сигнала отходит от 2,45 ГГц.
График возвратных потерь керамической антенны поверхностного монтажа (взят из технического описания)
Согласующие цепи
Если ваша радиочастотная схема содержит компоненты, которые имеют несогласованные импедансы, у вас есть два варианта: изменить один из компонентов или добавить схему, которая исправит это рассогласование. В настоящее время первый вариант, как правило, нецелесообразен; было бы трудно действительно отрегулировать импеданс путем физической модификации интегральной микросхемы или заводского коаксиального кабеля. К счастью, второй вариант вполне адекватен. Дополнительная схема называется согласующей цепью или трансформатором сопротивления (импеданса). Оба названия полезны в понимании основной идеи: согласующая цепь обеспечивает правильное согласование импеданса путем трансформации импеданса между источником и нагрузкой.
Проектирование согласующих цепей не очень просто, и это не то, что мы будем подробно обсуждать в таком миниучебнике, как этот. Тем не менее, мы можем рассмотреть некоторые из основных принципов, а также небольшой пример. Вот некоторые важные моменты, которые следует учитывать:
L-цепь
Наиболее простая топология согласующей цепи называется L-цепью. Это относится к восьми различным L-образным схемам, состоящим из двух конденсаторов, двух индуктивностей или одного конденсатора и одной индуктивности. На следующем рисунки показаны восемь схем L-цепей:
L-цепь проста и эффективна, но не подходит для широкополосных приложений. Мы также должны иметь в виду, что индуктивности и конденсаторы показывают серьезное неидеальное поведение на высоких частотах (как было описано в четвертой статье главы 1), и, таким образом, поведение L-цепи будет менее предсказуемым по мере того, как частоты поднимаются в диапазон гигагерц.
Разумеется, важно понимать идеи, связанные с ручным расчетом значений согласующих цепей на основе импедансов источника и нагрузки, хотя это более академическое или интеллектуальное упражнение в век, когда специальные утилиты калькуляторов могут легко выполнить эту задачу. Мы не будем здесь приводить пример расчета, а будем использовать моделирование для изучения эффектов согласующей цепи.
Пример
Предположим, что у нас есть источник с импедансом 50 Ом и антенна с импедансом 200 Ом, и мы работаем на частоте 100 МГц. Мы будем использовать L-цепь, состоящую из индуктивности, за которой следует конденсатор:
Пример согласующей L-цепи
Значения компонентов для этих условий будут следующими: индуктивность 138 нГн и конденсатор 13,8 пФ. В LTspice наша согласующая цепь будет выглядеть так:
Пример согласующей L-цепи в LTspice
Чтобы оценить эффективность согласующей цепи, мы можем запустить симуляцию, а затем построить график напряжения на нагрузке, разделенного на ток, протекающий через нагрузку, которая равна входному импедансу (в этом случае ток, протекающий через нагрузку, равен току через индуктивность L1). Частотный анализ особенно полезен, потому что мы можем видеть, как эффект от согласующей цепи изменяется с частотой. Следующий график показывает моделирование в диапазоне частот от 10 МГц до 190 МГц (т.е. на 90 МГц выше и ниже частоты, для которой была разработана эта согласующая цепь) Вот результаты:
Зависимость входного импеданса согласующей цепи от частоты
Как вы можете видеть, на частоте 100 МГц нагрузка очень близка к импедансу источника 50 Ом, несмотря на то, что исходная нагрузка обладает импедансом 200 Ом. Однако, как мы сказали выше, L-цепь не является широкополосной топологией, и симуляция, безусловно, подтверждает это: входной импеданс быстро изменяется, когда частота сигнала отходит от 100 МГц.
Электрической цепью называется совокупность электротехнических устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. К электротехническим устройствам относятся:
- источники электромагнитной энергии (генераторы) или источники электрических сигналов (гальванические элементы, аккумуляторы);
- приемники или потребители;
- устройства передачи и преобразования электрической энергии (кабели, провода и трансформаторы).
Поддерживать в проводниках постоянный электрический ток можно лишь в том случае, если создана замкнутая цепь из проводников и в этой цепи есть источник тока, называемый генератором.
Условные обозначения источников электрической энергии и элементов цепей
| Условное обозначение | Элемент |
 | Идеальный источник ЭДС Е - электродвижущая сила, Е = const Ro = 0 - внутреннее сопротивление |
 | Идеальный источник тока I = const Rвн- внутреннее сопротивление источника тока, Rвн>>Rнаг |
 | Активное сопротивление R = const |
 | Индуктивность L = const |
 | Емкость С = const |
К химическим источникам тока относят гальванические элементы и аккумуляторы. В них заряды переносятся в результате химических реакций. При этом в гальваническом элементе реагенты расходуются необратимо, а в аккумуляторе они могут восстанавливаться путем пропускания через аккумулятор электрического тока противоположного направления от других источников.
Источники электрической энергии относятся к группе активных элементов электротехнических устройств. Если Rо=0 и электродвижущая сила (ЭДС) Е=const, то источник называется идеальным. Аккумуляторная батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС.
К группе пассивных элементов относятся: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С.
В электротехнических устройствах одновременно протекают три энергетических процесса:
1 В активном сопротивлении в соответствии с законом Джоуля - Ленца происходит преобразование электрической энергии в тепло.
Мощность, по определению равна отношению работы к промежутку времени, за который эта работа совершается. Следовательно, мощность тока для участка цепи
Полная мощность, вырабатываемая генератором, равна
где R- полное сопротивление замкнутой цепи, называемое омическим или активным;
Р, I - мощность и ток в цепи постоянного тока.
р, i, и - мгновенные значения активной мощности, тока и напряжения в цепи переменного тока,
g - активная проводимость или величина, обратная сопротивлению g=1/R измеряется в сименсах (См).
В соответствии с законом сохранения энергии работа есть мера изменения различных видов энергии. Так, в электродвигателе за счет работы тока возникает механическая энергия, протекают химические реакции и т. д. На резисторах происходит необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника.
Если в проводнике под действием тока не происходит химических реакций, то температура проводника должна измениться. Изменение внутренней энергии проводника (количество теплоты) Q равно работе А, которую совершает суммарное поле при перемещении зарядов:
Воспользовавшись законом Ома, получим два эквивалентных выражения:
Это и есть закон Джоуля - Ленца.
Если нужно сравнить два резистора по характеру тепловых процессов, происходящих в них, то нужно предварительно выяснить: протекает ли по ним одинаковый ток или они находятся под одинаковым напряжением?
Если по двум резисторам протекают одинаковые токи, то согласно формуле за одно и то же время больше возрастает внутренняя энергия резистора с большим сопротивлением. С таким случаем мы встречаемся, например, в цепи с последовательным соединением резисторов. Последнее обстоятельство следует учитывать при включении в сеть нагрузки (электроплиток, утюгов, электродвигателей и т. д.). Сопротивление подводящих проводов при этом должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки. При несоблюдении этого условия в проводах выделится большое количество теплоты, что может привести к их загоранию.
Если же оба резистора находятся под одинаковым напряжением, то согласно формуле быстрее будет нагреваться резистор с меньшим сопротивлением. Такой эффект, в частности, наблюдают при параллельном соединении резисторов.
Термин "сопротивление" применяется для условного обозначения элемента электрической цепи и для количественной оценки величины R.
Сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом - это сопротивление проводника, сила тока в котором равна 1 А, если на концах его поддерживается разность потенциалов 1 В:
Электрическое сопротивление R материалов с изменением температуры меняется. Сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой. У полупроводников и электролитов с увеличением температуры удельное сопротивление уменьшается, причем нелинейно.
Для сравнения проводников по степени зависимости их сопротивления от температуры t вводится величина a, называемая температурным коэффициентом сопротивления. Отсюда
Для практических расчетов в электрических цепях величину R можно принимать постоянной. В этом случае зависимость напряжения на сопротивлении R от силы тока (вольт-амперная характеристика) будет называться линейной. Электрические цепи, в которые включены постоянные по величине сопротивления, также будут линейными.
Энергия электромагнитного поля
Опыт показывает, что в контуре из двух электроламп, соленоида и реостата при отключении источника тока еще некоторое время течет электрический ток, причем сила тока со временем уменьшается от некоторого начального значения до нуля.
Одновременно с током, как известно, исчезает и магнитное поле тока. Так как никаких других источников энергии, которые поддерживали бы электрический ток в контуре, нет, то остается предположить, что энергией обладает само магнитное поле. Найдем начальную энергию W магнитного поля, считая, что она расходуется на индуцирование э. д. с. и тока самоиндукции в контуре, когда магнитный поток убывает от некоторого начального значения до нуля.
Бесконечно малое изменение энергии поля равно элементарной работе тока в контуре:
Но э. д. с. самоиндукции , а сила тока i=dQ/dt. Отсюда
Знак минус указывает, что энергия поля уменьшается. Интегрируя это выражение, находим
-потокосцепление;
- индуктивность или коэффициент пропорциональности между током и потокосцеплением;
- ток через катушку.
Потокосцеплением самоиндукции y цепи называется сумма произведений магнитных потоков, обусловленных только током в этой цепи, на число витков, с которыми они сцеплены.
Если все витки пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, то потокосцепление равно произведению магнитного потока на число витков y=Фw, а w = nI, где I-длина соленоида, n - густота обмотки.
В СИ потокосцепление измеряется в веберах, индуктивность - в генри.
Генри - это индуктивность соленоида, в котором при силе тока 1 А создается магнитный поток 1 Вб.
Зависимость потокосцепления от тока может быть постоянной (линейная зависимость) или нелинейной.
При изменении тока изменяется потокосцепление и в катушке наводится ЭДС самоиндукции:
Знак минус показывает, что ЭДС противодействует изменению тока в цепи.
Напряжение и мощность индуктивности равны:
Мощность может быть как положительной (при намагничивании), так и отрицательной (при размагничивании).
При нарастании тока , направления тока и напряжения совпадают, в индуктивности запасается энергия магнитного поля.
При убывании тока , направления тока и напряжения не совпадают, энергия магнитного поля в индуктивности убывает, возвращается обратно к источнику.
Явление самоиндукции можно наблюдать на опыте, собрав цепь с источником постоянного тока и двумя параллельными ветвями (смотри рисунок выше). Одна ветвь состоит из электролампы Л1 и реостата R, другая - из такой же электролампы Л2 и соленоида. С помощью реостата в обеих ветвях устанавливают одинаковую силу постоянного тока. После включения рубильника видно, что лампа Л2 начинает светиться позже, чем лампа Л1. Это объясняется тем, что в соленоиде индуцируется э. д. с. самоиндукции, препятствующая некоторое время нарастанию силы тока. У разных соленоидов время нарастания силы тока оказывается различным, так как вокруг каждого из них создаются разной величины магнитные потоки, которые индуцируют различные э. д. с. самоиндукции.
Энергия электрического поля
Рассмотрим систему из двух проводников, на которых распределены равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Опыт показывает, что разность потенциалов между этими проводниками пропорциональна модулю заряда: U=q/C, где С - постоянный коэффициент, определяемый в общем случае размерами проводников, их формой и расположением в пространстве, а также диэлектрической проницаемостью среды, в которую помещены проводники. Величину С, равную отношению заряда системы проводников к разности потенциалов между ними, называют электрической емкостью (короче - электроемкостью) данной системы проводников:
Единицей электроемкости является кулон на вольт (Кл/В). В честь М. Фарадея эта единица получила название фарад (Ф): 1 Ф = 1 Кл/В.
Систему из двух изолированных друг от друга металлических проводников, между которыми находится диэлектрик, называют конденсатором.
Накопление энергии в электрическом поле конденсатора
- заряд, Кл;
- напряжение, В;
- электрическая емкость конденсатора, Ф.
Если напряжение источника в цепи конденсатора изменяется, то происходит перераспределение зарядов на его пластинах, что приводит к возникновению тока в цепи:
Мощность конденсатора положительна при его заряде и отрицательна при разряде конденсатора.
Если напряжение возрастает, то i>0. Это значит, что ток и напряжение совпадают по направлению, энергия электрического поля в конденсаторе возрастает.
При убывании напряжения ток также уменьшается, энергия возвращается обратно к источнику.
Величины R(OM), L(Гн), С(Ф) зависят от свойств самого устройства, его конструкции и являются параметрами этого устройства.
Топологические понятия электрических цепей
Те или иные соединения элементов R, L, С называются электрической цепью, а графическое изображение цепи - электрической схемой.
Электрическая схема показывает, как осуществляется соединение элементов рассматриваемой цепи. В электрической схеме соединения элементов образуют ветви, узлы, контуры.
Участок электрической цепи, по которому проходит ток одного и того же значения и направления, называется ветвью. Замкнутая электрическая цепь, образованная одной или несколькими ветвями, называется контуром, а место соединения трех или более ветвей - узлом. На схеме узел изображается точкой. Графическое изображение цепи называется электрической схемой.
Электрические цепи классифицируются: по роду тока (постоянный и переменный); по характеру элементов (линейные и нелинейные); по схемам соединения (простые и сложные); по изображению (монтажные, принципиальные и замещения).
Законы электрических цепей
Закон Ома
Пусть имеется однородный участок цепи - им может служить кусок металла постоянного сечения, все точки которого имеют одинаковую температуру, и пусть на концах этого проводника поддерживается неизменная разность потенциалов U. Тогда, согласно закону Ома, в однородном участке цепи сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах участка:
U = IR, I = U/R, R = U/I
Существуют участки цепи, в которых зависимость силы тока от разности потенциалов на их концах нелинейна. В этом случае рассматривают среднее значение сопротивления:
Переходя к пределу при условии, что Di-> 0, получаем динамическое сопротивление:
Первый закон Кирхгофа - закон баланса токов в узле
Реальные электрические цепи включают в себя комбинации последовательно и параллельно соединенных нагрузок и генераторов. В рассчитывать разности потенциалов на всех участках цепи и силы токов в них, а также электродвижущие силы источников тока, входящих в данную цепь, можно с помощью закона Ома и закона сохранения заряда. Однако для упрощения расчетов Г. Кирхгофом были предложены два простых правила, нашедших широкое применение в электротехнике.
Первое из них относится к узлам разветвления цепи, в которых сходятся и из которых расходятся токи. Токи, подходящие к узлу, условились считать положительными, а токи, исходящие из узла - отрицательными. В этом случае в каждой точке разветвления проводов алгебраическая сумма всех сил токов равна нулю (первое правило Кирхгофа):
Электрический заряд в узле не накапливается.
Второй закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма ЭДС источников питания в любом контуре равна алгебраической сумме падений напряжения на элементах этого контура:
Второе закон, по существу, является следствием закона Ома для неоднородного участка цепи.
Закон Джоуля - Ленца
Количество теплоты, выделяемое проводником с током I на сопротивлении R, прямопропорционально произведению квадрата силы тока, на сопротивление и на время прохождения тока:
Режимы работы электрических цепей
Электрические цепи и их элементы могут работать в различных режимах в отношении величин напряжений, токов и мощностей. Наиболее характерными являются номинальный и согласованный, а также режимы холостого хода (х.х) и короткого замыкания (к.з).
Номинальным режимом работы элемента электрической цепи считается режим, при котором он работает с номинальными параметрами.
Согласованным является режим, при котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая приемником, имеет максимальное значение. Такое значение получается при определенном соотношении (согласовании) параметров электрической цепи.
Под режимом холостого хода понимается такой режим, при котором через источник или приемник не протекает электрический ток. При этом источник не отдает энергию во внешнюю часть цепи, а приемник не потребляет ее. Для двигателя это будет режим без механической нагрузки на валу.
Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой разноименных зажимов источника или пассивного элемента, а также участка электрической цепи, находящегося под напряжением.
Согласование (в электронике) Согласование электро- и радиотехнических цепей, схемно-конструктивное обеспечение передачи по ним электромагнитной энергии и сигналов с возможно минимальными отражениями, потерями и искажениями. С. сводится к правильному выбору сопротивлений генератора (источника), линии передачи и приёмника (нагрузки). Идеального С. между линией и нагрузкой можно достичь при равенстве волнового сопротивления линии r полному сопротивлению нагрузки Z h = R H + j Х Н , или при R H = r и X H = 0, где R H ‒ активная часть полного сопротивления, X H ‒ его реактивная часть. В этом случае в передающей линии устанавливается режим бегущих волн , и характеризующий их коэффициент стоячей волны (КСВ) равен 1. Для линии с пренебрежимо малыми потерями электрической энергии С. и, благодаря ему, максимально эффективная передача энергии из генератора в нагрузку достигаются при условии, что полные сопротивления генератора Z r и нагрузки Z H являются комплексно-сопряжёнными, т. е. Z r = Z * H , или R r = r = R Н = X r ‒ X H . В этом случае реактивное сопротивление цепи равно нулю, и соблюдаются условия резонанса , способствующие повышению эффективности работы радиотехнических систем (улучшается использование частотных диапазонов, повышается помехозащищенность, снижаются частотные искажения радиосигналов и т.п.).
Особенно важно С. в технике СВЧ (см. Сверхвысоких частот техника ), где для С. применяются: согласующие трансформаторы полных сопротивлений, например в виде штырей или диэлектрических втулок, располагаемых внутри линии передачи, либо отрезков линий передачи со специально подобранными волновым сопротивлением и длиной (см. Трансформатор СВЧ); различные согласующие устройства для компенсации реактивных составляющих полного сопротивления (штыри, фазовращатели , диафрагмы, помещаемые в линию передачи); поглощающие нагрузки ; направленные ответвители ; разнообразные конструктивные элементы для перехода с одного вида передачи на другой (коаксиально-волноводные переходы, симметрирующие устройства , гибкие и вращающиеся сочленения).
Оценку качества С. производят, измеряя коэффициент отражения и КСВ. Практически С. считают оптимальным, если в рабочей полосе частот КСВ не превышает 1,2‒1,3 (в измерительных приборах 1,05). В отдельных случаях косвенными показателями С. могут служить реакции параметров генератора (частоты, мощности, уровня шумов) на изменение нагрузки, наличие электрических пробоев в линии, разогрев отдельных участков линии.
Лит.: Физические основы электротехники, под ред. К. М. Поливанова, М. ‒ Л., 1950; Валитов Р. А., Сретенский В. Н., Радиотехнические измерения, М., 1970; Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1, М., 1970; Гоноровский И. С., Радиотехнические цепи и сигналы, 2 изд., М., 1971.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
Полезное
Смотреть что такое "Согласование (в электронике)" в других словарях:
Драгоценные металлы — (Precious metals) Драгоценные металлы это редко встречающиеся металлы, которые отличаются блеском, красотой и стойкостью к коррозии История добычи драгоценных металлов, разновидности, свойства, применение, распространение в природе, сплавы… … Энциклопедия инвестора
Инновация — (Innoatsiya) Определение инноваций, инновационная деятельность Определение инноваций, инновационная деятельность, инновационная политика Содержание Содержание Общее определение новаций Инновация и др. похожие понятия Что такое новация Основы… … Энциклопедия инвестора
Болгария — (България) Народная Республика Болгария, НРБ (Народна република България). I. Общие сведения Б. государство в Юго Восточной Европе, в восточной части Балканского полуострова. На В. омывается Чёрным морем. Граничит на С.… … Большая советская энциклопедия
гетероструктура полупроводниковая — Термин гетероструктура полупроводниковая Термин на английском semiconductor heterostructure Синонимы Аббревиатуры Связанные термины гетероэпитаксия, квантовая проволока, квантовая яма, полупроводник, светодиод Определение искусственная структура … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Wi-Fi — Логотип Wi Fi Wi Fi торговая марка Wi Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Под аббревиатурой Wi Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «высокая точность… … Википедия
Лампа бегущей волны — … Википедия
Международная стандартизация — стандартизация, участие в которой открыто для соответствующих органов всех стран. Под стандартизацией понимается деятельность, направленная на достижение упорядочения в определенной области посредством установления положений для всеобщего и… … Википедия
ЛБВ — Лампа бегущей волны в корпусе Лампа бегущей волны (ЛБВ) электровакуумный прибор, в котором для генерирования и/или усиления электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие бегущей электромагнитной волны и электронного потока,… … Википедия
Высоковольтная линия постоянного тока — (HVDC) используется для передачи больших электрических мощностей по сравнению с системами переменного тока. При передаче электроэнергии на большие расстояния устройства системы HVDC менее дороги и имеют более низкие электрические потери. Даже при … Википедия
Теорема о максимуме отдаваемой мощности гласит: чтобы передать максимальную величину мощности от источника в нагрузку, импеданс нагрузки должен быть согласован с импедансом источника. В общем случае в схеме может быть источник как постоянного, так и переменного тока, а его внутреннее сопротивление Ri или выходной импеданс генератора Zg управляет сопротивлением нагрузки RL или импедансом ZL (см. рис. 1):
Рис. 1. Максимум мощности отдается от источника в нагрузку, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника
График зависимости мощности в нагрузке от сопротивления нагрузки показывает, что при согласовании импедансов нагрузки и источника достигается максимум мощности (см. рис. 2). Ключевым следствием данной теоремы является то, что когда нагрузка согласована с источником, величина мощности, передаваемой в нагрузку, равна мощности, рассеиваемой в источнике. Поэтому при отдаче максимальной мощности достигается эффективность всего 50%.
Источник должен быть способен рассеивать эту мощность. Чтобы отдавать максимальную мощность в нагрузку, генератор должен быть спроектирован так, чтобы его мощность в два раза превосходила требуемую выходную мощность.
Рис. 3. Согласованные импедансы обеспечивают передачу максимальной звуковой мощности от усилителя в динамик
Рис. 4. При согласовании импедансов в радиочастотных схемах следует учитывать индуктивную и емкостную составляющие полного сопротивления
Другим примером может служить передача мощности из одного каскада передатчика в другой (см. рис. 4). Комплексное входное сопротивление (R ± jX) усилителя B должно быть согласовано с комплексным выходным сопротивлением усилителя A. Важно, чтобы реактивные компоненты были взаимно скомпенсированы. Еще одним примером является передача максимальной мощности в антенну (см. рис. 5). В данном случае импеданс антенны согласован с выходным импедансом передатчика.
Рис. 5. Чтобы получить максимальную мощность, необходимо, чтобы импеданс антенны был равен выходному импедансу передатчика
Последний пример позволяет сосредоточить внимание на еще одной причине, по которой необходимо согласовывать импеданс. Выход передатчика обычно подключается к антенне через линию передачи, которая обычно представляет собой коаксиальный кабель. В других приложениях линией передачи может быть витая пара или какая-либо другая среда.
Кабель становится линий передачи, когда его длина превышает λ/8 на рабочей частоте, где λ = 300/fМГц. Например, длина волны на частоте 433 МГц будет равна: λ = 300/fМГц = 300/433 = 0,7 м.
Соединительный кабель является линией передачи, если его длина превышает 0,7/8 = 0,0875 м. Все линии передачи имеют характеристическое сопротивление ZO, которое представляет собой функцию индуктивности и емкости линии:
Чтобы достичь максимальной передаваемой по линии передачи мощности, импеданс линии должен быть согласован с импедансом источника и нагрузки (см. рис. 6). Без согласования импедансов нельзя передать максимальную мощность. Кроме того, вдоль линии будут распространяться стоячие волны. Это означает, что нагрузка не поглотит всю мощность, переданную по линии. Вследствие этого некоторая часть мощности отражается обратно и эффективность снижается. Отраженная мощность может даже вывести из строя источник. Стоячие волны представляют собой распределенный вдоль линии профиль напряжений и токов. Напряжение и ток постоянны в согласованной линии, но могут в значительной степени меняться, если импедансы не согласованы.
Рис. 6. Линия передачи имеет характеристическое сопротивление ZO, которое должно быть согласовано с нагрузкой, чтобы обеспечить максимальную мощность передачи и преодолеть потери из-за стоячих волн
Величина потерь мощности из-за отражений зависит от коэффициента отражения Γ и коэффициента стоячей волны SWR. Они определяются степенью рассогласования между импедансом источника и нагрузки.
SWR представляет собой функцию импеданса нагрузки ZL и линии ZO:
При идеальном согласовании SWR = 1. Предположим, что ZL = 75 Ом, а ZO = 50 Ом, тогда:
Коэффициент отражения Γ является еще одним показателем идеального согласования:
Γ = (ZL – ZO)/(ZL + ZO).
При идеальном согласовании Γ будет равен 0. Можно рассчитать коэффициент отражения Γ и по величине SWR:
Γ = (SWR – 1)/(SWR + 1).
Для примера, описанного выше, расчет дает:
Γ = (SWR – 1)/(SWR + 1) = (1,5 – 1)/(1,5 + 1) = 0,5/2,5 = 0,2.
Рассмотрев величину отраженной мощности для данного значения SWR (см. рис. 7), можно заметить, что коэффициент стоячей волны SWR, равный 2 и менее, отвечает требованиям многих приложений. SWR, равный 2, означает, что отраженная мощность составляет 10%. Поэтому 90% мощности достигнет нагрузки.
Не следует забывать, что все линии передачи, подобные коаксиальному кабелю, вносят потери порядка нескольких дБ на метр длины. Эти потери должны быть учтены в любом расчете мощности, которая достигает нагрузки. В документации на коаксиальный кабель представлены эти значения для различных частот.
Еще одним фактором, который нужно принимать во внимание, является то, что если импедансы линии и нагрузки согласованы, то длина линии не имеет значения. Однако когда импедансы линии и нагрузки не согласованы, генератор увидит комплексное значение импеданса, которое является функцией длины линии.
Отраженная мощность обычно выражается через обратные потери RL. Они рассчитываются из выражения:
где PIN представляет собой входную мощность линии, а PREF – отраженную мощность. Чем больше значение в дБ, тем меньше отраженная мощность и больше величина мощности, переданная в нагрузку.
Согласование импедансов
Общую проблему рассогласования импеданса нагрузки и источника можно скорректировать путем подключения устройства согласования импеданса между источником и нагрузкой (см. рис. 8). Устройством согласования может быть компонент, схема или часть оборудования. При таком способе возможен широкий спектр решений. Два простейших способа предполагают применение трансформатора и согласующей λ/4- (или четвертьволновой) секции.
Трансформатор обеспечивает согласование импедансов с помощью коэффициента трансформации N = NS/NP, где NS – число витков вторичной обмотки трансформатора, а NP – число витков первичной обмотки трансформатора (см. рис. 9).
Соотношение между импедансами рассчитывается следующим образом:
ZP представляет собой импеданс первичной цепи, который является выходным импедансом управляющего источника Zg. ZS – импеданс вторичной цепи или нагрузки ZL. Например, выходной импеданс источника, равный 300 Ом, преобразуется в 75 Ом посредством трансформатора для согласования 75-Ом нагрузки с помощью коэффициента трансформации, равного 2:1:
Высокоэффективный трансформатор обеспечивает широкую полосу пропускания. Современные трансформаторы с ферритовым сердечником имеют полосу пропускания до нескольких сот МГц.
Автотрансформатор с одной обмоткой и выводами также может с успехом использоваться для согласования импедансов. В зависимости от подключения импедансы могут быть либо увеличены (см. рис. 10а), либо уменьшены (см. рис. 10б). Для расчета используется та же формула, что и в случае обычных трансформаторов. Обмотка трансформатора находится в катушке и может даже быть частью резонансной цепи с конденсатором.
Рис. 10. Однообмоточный автотрансформатор с выводами может либо понижать (а), либо повышать (б) импедансы как обычный двухобмоточный трансформатор
Рис. 11. С помощью четвертьволновой Q-секции линии передачи можно согласовать нагрузку и генератор на одной частоте
Решение для согласования импедансов на основе линии передачи использует λ/4- (четвертьволновую) секцию линии передачи определенного импеданса (которая называется Q-секцией) для согласования нагрузки и источника (см. рис. 11):
где ZQ — характеристическое сопротивление Q-секции; ZO — характеристическое сопротивление входной от управляющего источника линии передачи, а ZL — импеданс нагрузки.
На рисунке 11 показана схема, в которой 36-Ом импеданс четвертьволновой вертикальной антенны с горизонтальными отражающими элементами согласован с 75-Ом выходным сопротивлением передатчика с помощью 52-Ом коаксиального кабеля. Сопротивление коаксиального кабеля рассчитывается следующим образом:
При рабочей частоте 50 МГц длина волны будет равна:
λ = 300/fМГц = 300/50 = 6 м,
λ/4 = 20/4 = 1,5 м.
При использовании, например, 52-Ом коаксиальной линии передачи типа RG-8/U с коэффициентом замедления 0,66:
λ/4 = 1,5 м (0,66) = 1 м.
Следует отметить, что существует несколько важных ограничений при использовании данного метода. Во-первых, нужно использовать кабель с требуемым характеристическим сопротивлением. Такой кабель не всегда доступен, поскольку большинство кабелей поставляются всего с несколькими базовыми сопротивлениями (50, 75, 93,125 Ом). Во-вторых, необходимо учитывать, что длина кабеля влияет на рабочую частоту, которая принимает участие в расчете длины волны и коэффициента замедления линии передачи.
Эти ограничения следует особенно принимать во внимание при работе на низкой частоте. Поэтому этот метод более просто реализовать в приложениях, работающих в УВЧ- и СВЧ-диапазонах при использовании микрополосковых линий передачи на печатной плате. В этом случае можно применять любую нужную величину характеристического сопротивления линии передачи.
Читайте также: