50Ω 질문 : RF 설계의 임피던스 정합

실제 RF 신호
임피던스 매칭은 RF 설계 및 테스트의 기본 요소입니다. 일치하지 않는 임피던스로 인한 신호 반사로 인해 심각한 문제가 발생할 수 있습니다.

이상적인 소스, 전송 라인 및 부하로 구성된 이론적 회로를 다룰 때 매칭은 사소한 연습처럼 보입니다.

부하 임피던스가 고정되었다고 가정합니다. ZL과 동일한 소스 임피던스 (ZS)를 포함시키고 특성 임피던스 (Z0)도 ZL과 동일하도록 전송 라인을 설계하기 만하면됩니다.

그러나 수많은 패시브 구성 요소와 집적 회로로 구성된 복잡한 RF 회로 전체에서이 체계를 구현하기가 어렵다는 것을 잠시 생각해 보자. 엔지니어가 모든 구성 요소를 수정하고 모든 다른 스트립의 기초로 선택된 하나의 임피던스에 따라 모든 마이크로 스트립의 치수를 지정해야하는 경우 RF 설계 프로세스는 심각하지 않을 수 있습니다.

또한 이것은 프로젝트가 이미 PCB 단계에 도달했다고 가정합니다. 상용 케이블을 상호 연결로 사용하여 개별 모듈을 사용하여 시스템을 테스트하고 특성화하려면 어떻게해야합니까? 불일치 임피던스 보상은 이러한 상황에서 훨씬 더 비실용적입니다.

솔루션은 간단합니다. 수많은 RF 시스템에서 사용할 수있는 표준화 된 임피던스를 선택하고 그에 따라 구성 요소와 케이블을 설계하십시오. 이 임피던스는 선택되었습니다. 단위는 옴이고 숫자는 50입니다.

XNUMX 옴
가장 먼저 이해해야 할 것은 50Ω 임피던스에 본질적으로 특별한 것이 없다는 것입니다. 이것은 우주의 근본적인 상수는 아니지만 RF 엔지니어 주위에 충분한 시간을 보낸다면 인상을받을 수 있습니다. 전기 공학의 기본 상수조차도 아닙니다. 예를 들어 동축 케이블의 물리적 치수 만 변경하면 특성 임피던스가 변경 될 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 50Ω 임피던스는 대부분의 RF 시스템이 설계되는 임피던스이기 때문에 매우 중요합니다. 50Ω이 표준화 된 RF 임피던스가 된 이유를 정확하게 판단하기는 어렵지만 초기 동축 케이블의 맥락에서 50Ω이 좋은 절충안이라고 가정하는 것이 합리적입니다.

물론 중요한 문제는 특정 값의 기원이 아니라이 표준화 된 임피던스를 갖는 이점입니다. IC, 고정 감쇠기, 안테나 등의 제조업체는이 임피던스를 염두에두고 부품을 만들 수 있기 때문에 잘 일치하는 설계를 달성하는 것이 훨씬 간단합니다. 또한 많은 엔지니어들이 동일한 목표, 즉 50Ω의 특성 임피던스를 갖는 마이크로 스트립 및 스트립 라인을 설계하기 때문에 PCB 레이아웃이 더욱 간단 해집니다.

Analog Devices의이 애플리케이션 노트에 따르면 다음과 같이 50Ω 마이크로 스트립을 생성 할 수 있습니다. 1 온스 구리, 20mil 너비 트레이스, 트레이스와 접지면 사이의 10mil 분리 (FR-4 유전체 가정).
 
계속 진행하기 전에 모든 고주파 시스템이나 구성 요소가 50Ω 용으로 설계된 것은 아니라는 점을 분명히하자. 다른 값을 선택할 수 있으며 실제로 75Ω 임피던스가 여전히 일반적입니다. 동축 케이블의 특성 임피던스는 외경 (D2)과 내경 (D1)의 비의 자연 로그에 비례합니다.


 

이는 내부 도체와 외부 도체 사이의 간격이 많을수록 임피던스가 높아짐을 의미합니다. 두 도체 사이의 간격이 클수록 정전 용량이 낮아집니다. 

따라서 75Ω 동축은 50Ω 동축보다 정전 용량이 낮으므로 75Ω 케이블이 고주파 디지털 신호에 더 적합합니다. 이로 인해 사이의 빠른 전환과 관련된 고주파 성분의 과도한 감쇠를 피하기 위해 낮은 정전 용량이 필요합니다. 로직 로우 및 로직 하이.

반사 계수
RF 설계에서 임피던스 정합이 얼마나 중요한지 고려하면 정합의 품질을 표현하는 데 사용되는 특정 매개 변수가 있다는 사실에 놀랄 필요가 없습니다. 이것을 반사 계수라고합니다. 기호는 Γ (그리스 대문자 감마)입니다. 반사파의 복소 진폭과 입사 파의 복소 진폭의 비율입니다. 

그러나 입사 파와 반사파의 관계는 소스 (ZS) 및 부하 (ZL) 임피던스에 의해 결정되므로 다음 임피던스로 반사 계수를 정의 할 수 있습니다.

 

이 경우 "소스"가 전송 회선 인 경우 ZS를 Z0으로 변경할 수 있습니다.



전형적인 시스템에서, 반사 계수의 크기는 XNUMX과 XNUMX 사이의 숫자이다. 반사 계수가 실제 회로 동작과 어떻게 일치하는지 이해하는 데 도움이되는 수학적으로 간단한 세 가지 상황을 살펴 보겠습니다.

* 일치가 완벽하면 (ZL = Z0) 분자는 XNUMX이므로 반사 계수는 XNUMX입니다. 완벽하게 일치하면 결과가 반영되지 않기 때문에 이치에 맞습니다.

* 부하 임피던스가 무한한 경우 (즉, 개방 회로), 반사 계수는 무한대를 무한대 (XNUMX)로 나눈 값이됩니다. 하나의 반사 계수는 완전 반사에 해당하며, 즉 모든 파동 에너지가 반사된다. 개방 회로에 연결된 전송 라인은 완전한 불연속성 (이전 페이지 참조)에 해당하므로 부하가 에너지를 흡수 할 수 없으므로 모두 반영해야하기 때문에 이치에 맞습니다.

* 부하 임피던스가 0 인 경우 (즉, 단락) 반사 계수의 크기는 Z0을 Z1으로 나눈 값이됩니다. 따라서 우리는 다시 | Γ | 단락은 또한 입사 파 에너지를 흡수 할 수없는 완전한 불연속에 대응하기 때문에 의미가있다.

VSWR
임피던스 매칭을 설명하는 데 사용되는 다른 파라미터는 전압 정재파 비 (VSWR)입니다. 다음과 같이 정의됩니다.

VSWR은 결과 정재파의 관점에서 임피던스 정합에 접근합니다. 가장 높은 정재파 진폭과 가장 낮은 정재파 진폭의 비율을 전달합니다. 이 비디오는 임피던스 불일치와 정재파의 진폭 특성 사이의 관계를 시각화하는 데 도움이되며 다음 다이어그램은 세 가지 다른 반사 계수에 대한 정재파 진폭 특성을 전달합니다.




임피던스 불일치가 많을수록 정재파를 따라 최고 진폭과 최저 진폭 위치간에 더 큰 차이가 발생합니다. Interferometrist가 제공 한 이미지.
 
VSWR은 일반적으로 비율로 표시됩니다. 완벽하게 일치하는 것은 1 : 1이며, 신호의 피크 진폭은 항상 동일합니다 (즉, 정재파가 없음). 2 : 1의 비율은 반사로 인해 최대 진폭이 최소 진폭의 두 배인 정재파가 발생했음을 나타냅니다.

요약
* 표준화 된 임피던스를 사용하면 RF 설계가 훨씬 실용적이고 효율적으로됩니다.

* 대부분의 RF 시스템은 약 50Ω 임피던스로 제작됩니다. 일부 시스템은 75Ω을 사용합니다. 이 후자의 값은 고속 디지털 신호에 더 적합합니다.

* 임피던스 매칭의 품질은 반사 계수 (Γ)로 수학적으로 표현할 수 있습니다. 완벽한 일치는 Γ = 0에 해당하고 완전한 불연속 (모든 에너지가 반영되는)은 Γ = 1에 해당합니다.

* 임피던스 매칭의 품질을 측정하는 다른 방법은 전압 정재파 비 (VSWR)입니다.

메시지를 남겨주세요 

메시지 목록