Понятие согласующих цепей

Рассмотрим, зачем используются согласующие цепи, и как они разрабатываются.

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.

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:

• Согласующая цепь подключается между источником и нагрузкой, и ее схема обычно разработана таким образом, что она передает почти всю мощность на нагрузку, представляя входной импеданс, который равен комплексному сопряжению выходного импеданса источника. С другой стороны, вы можете думать о согласующей цепи как о преобразователе выходного импеданса источника, так чтобы он был равен комплексному сопряжению импеданса нагрузки. (В реальных схемах импеданс источника не имеет мнимой части, и поэтому нам не нужно всегда ссылаться на комплексное сопряжение. Мы можем просто сказать, что импеданс нагрузки должен быть равен импедансу источника, поскольку разговор о комплексном сопряжении не уместен, когда импеданс является чисто действительным значением.)
• Типовые согласующие цепи (называемые цепями «без потерь») используют только реактивные компоненты, т.е. компоненты, которые накапливают энергию, а не рассеивают ее. Эта характеристика естественно вытекает из назначения согласующей цепи, а именно из обеспечения максимальной передачи мощности от источника к нагрузке. Если в согласующей цепи присутствуют компоненты, которые рассеивают энергию, она будет потреблять часть мощности, которую мы пытаемся доставить в нагрузку. Таким образом, в согласующих цепях используются конденсаторы и индуктивности, но не резисторы.
• Разработать широкополосную согласующую цепь трудно. Это будет неудивительно, когда мы вспомним, что согласующая цепь состоит из реактивных компонентов: импеданс индуктивностей и конденсаторов зависит от частоты; таким образом, изменение частоты сигналов, проходящих через согласующую цепь, может привести к уменьшению ее эффективности.

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:

Значения компонентов для этих условий будут следующими: индуктивность 138 нГн и конденсатор 13,8 пФ. В LTspice наша согласующая цепь будет выглядеть так:

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:

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.

Резюме

• Согласующая цепь, также называемая трансформатором сопротивления (импеданса), используется для создания согласованного импеданса между источником и нагрузкой (например, между усилителем мощности и антенной).
• Согласующие цепи без потерь состоят только из реактивных компонентов; резистивные компоненты избегаются, поскольку они будут рассеивать мощность, тогда как согласующая цепь предназначена для облегчения передачи мощности от источника к нагрузке.
• L-цепь – это простая, узкополосная топология согласующих цепей. Она состоит из двух реактивных компонентов.
• Для быстрого создания согласующей цепи на основе импеданса источника, импеданса нагрузки и частоты сигнала могут использоваться инструменты калькуляторов.

Теги