Согласование в высокочастотных электронных устройствах (стр. 1 )

Согласование в высокочастотных электронных устройствах.  Краткий курс - очень кратко! avr123.nm. ru/soglasie. htm -

Многие электронщики хотят "беспроводно" передать-принять свою (а иногда и чужую!) бесценную информацию. т. е. возникает потребность работать с электронными устройствами средней, высокой, ультра высокой и сверх высокой частоты - СЧ, ВЧ, УВЧ, СВЧ (по аглицки: MF HF VHF UHF). 

В радиочастотных устройствах на первое место выходит задача передачи максимальной мощности от источника сигнала к приемнику - это возможно при согласованности приемника и передатчика. 

Приемник и передатчик я буду рассматривать в широком смысле: 

- приемник это то, что принимает сигнал (не обязательно из эфира, а например из кабеля от антенны, при этом сам кабель является приемником сигнала антенны, а антенна передатчиком сигнала для кабеля - а может и наоборот) 

- передатчик это то, что передает сигнал (например транзистор может быть передатчиком для следующего каскада усиления, который будет приемником для этого транзистора).

Согласованность - это 
комплексная сопряженность ИМПЕДАНСОВ источника и приемника сигнала.

Читатель:  - А без мата можно рассказывать?!

Не пугайтесь, импеданс это не великое, могучее русское слово :-) 

Импеданс - это  полное сопротивление т. е. его активная и реактивная составляющие. 

подробнее здесь:  что такое импеданс, индуктивность, емкость, линия передачи, колебательный контур.

КНИГИ  скачивайте  здесь !!!

Комплексная сопряженность - 
complex conjugate -

двух ИМПЕДАНСОВ означает: 

- их реальные части равны

- их мнимые части равны по значению
но имеют разные знаки.

Пример: 

Импедансы  Z1= 12 + j8  и  Z2 = 12 - j8 
комплексно сопряжены.

Вот расчет:

Пусть импеданс источника (передатчика) сигнала 
Zис = Rис + jXис 

к нему подключена нагрузка (приемник) с импедансом 
Zн = Rн + jXн. 

Источник создает комплексное напряжение - Uк 

Тогда ток I протекающий в цепи источник-нагрузка будет:

I = Uк / (Zист + Zн)  или: 

I = Uк / (Rн + Rис + j(Xис + Xн))

Так как напряжение Uк задано, а мощность выделяется лишь на активных сопротивлениях то очевидно, что максимальная мощность будет при отсутствии в знаменателе дроби реактивных сопротивлений.

Т. е. когда Xис = - Xн в знаменателе останутся только активные сопротивления. 

А про активные сопротивления ВСЕМ надеюсь известно, что максимальная мощность в нагрузке выделяется при равенстве сопротивления источника и нагрузки. 

Мощность P выделяемая в нагрузке по рисунку выше будет: 

P = (Uк)2 / (4*Rн)  (Вт) 

А если замерить Uд (действующее значение напряжения - оно равно амплитуде напряжения деленной на корень квадратный из двух) на нагрузке то:

P = (Uд)2 / Rн  (Вт) 

Эта формула дает возможность рассчитать действующие в радиоустройстве напряжения и основываясь на этом расчете осознано выбирать нужные компоненты.

Физический смысл прост:
Z1 это импеданс цепи из резистора 12 Ом и индуктивности с реактивным сопротивлением 8 Ом

Z2 это импеданс цепи из резистора 12 Ом и ёмкости с реактивным сопротивлением 8 Ом

Индуктивность и емкость с равными реактивными сопротивлениями образуют колебательный контур с резонансом на данной частоте.

Пусть индуктивность и емкость включены последовательно с резисторами:

тогда при соединении точек Z1 и Z2 образуется последовательный колебательный контур между  точкам А и Е. При равенстве значений реактивного сопротивления емкости и индуктивности в последовательном контуре будет резонанс токов - значит точки А и Е будут практически замкнуты!

Получаем схему в которой резистор 12 Ом соединен с резистором 12 Ом - их согласованность очевидна.

Прежде чем согласовать 
импедансы  - их нужно определить.  

Если вы используете какие-то устройства или компоненты то такую информацию нужно искать в документации на них либо запрашивать у производителя.

Вам нужен ДатаШит (ДШ - DataSheet) - паспорт электронного компонента, блока, устройства применяемого вами. 

прочитайте здесь: Как и Где найти импеданс транзистора, усилителя, устройства  в его ДШ.

 
В радиопередаче принята стандартная величина импеданса: 
Z = 50 + j0  или просто  50 ом.

Старайтесь согласовывать свои устройства к Z = 50 + j0 Ом - тогда вы сможете свободно соединять свои устройства с другими стандартными блоками стандартным 50 Омным кабелем.

Естественно при согласовании выхода транзистора с входом следующего транзистора смонтированных на одной плате можно забыть про 50 ом и просто согласовывать их импедансы - или же комплексно сопрягать их.

В телевидении принята стандартная величина импеданса: 
Z = 75 + j0  или просто  75 ом.

ВНИМАНИЕ!!!

Принцип  согласования: 

На диаграмме Smith Chart согласование сводится к соединению двух точек отображающих на ней  импедансы коплексно сопряженные согласуемым.

Понятно? 

возможно не очень. 

Разъясняю:

Если мы хотим согласовать импеданс А с импедансом В то на диаграмму нужно нанести точки обозначающие импедансы комплексно сопряженные с А и В.

т. е. импедансы А и В но с измененными знаками перед комплексной частью! (либо перед углами в полярных координатах если это коэф-ы отражения)

От одной точки мы двигаемся к другой точке с помощью включения последовательно или параллельно: 

- конденсаторов (ёмкостей), 
- индуктивностей, 
- линий передачи, 
- резисторов, 
- колебательных контуров. 

Мы не будем чертить на бумажной диаграмме как поступали наши американские деды, а используем программу Smith v2.02  которая позволяет проводить согласование даже не понимая как работают емкости, индуктивности, линии передачи и т. п. - просто родным и всегда работающим " методом тыка"! 

Для работы я рекомендую программы: Smith v2.02 (0.98 Mb) и Line (325 Kb - расчет линий передачи). 

Считаю что вам нужно обязательно иметь и использовать великолепную бесплатную программу для радиочастотных
расчетов AppCAD от Agilent

Согласование рассмотрим узкополосное - 
т. е. отношение минимальной  и максимальной
частот Fmax / Fmin < 1.1 

Для 434 МГц это полоса шириной около 40 МГц - более чем достаточно.

Примеры  согласования: 

Пример 1.  

Давайте ещё раз проверим утверждение, что согласованными являются комплексно сопряженные импедансы.

Для проверки воспользуемся примером согласования от компании Motorola - AN548 - примем его за абсолютную истину.

Там есть рисунок 3 - вот он, но несколько видоизмененный:

Между А и В находятся 3 элемента Cs Cp L1 - они образуют цепь согласования источника с нагрузкой. 

Абсолютно все равно что считать источником а что нагрузкой, квадратик с лева или справа!

Чтоб проверить то что нам надо, мы должны пойти от импеданса 
в точке А  ZA = 50 + j0 в право до точки B учитывая изменения текущего импеданса от добавления элементов цепи согласования, и в итоге получить в ней импеданс ZB = 1.3 - j1.5 - т. е. импеданс комплексно сопряженный с импедансом в точке D:  ZD = 1.3 + j1.5

Запустите (закачанную и установленную) 
программу Smith v2.02 

Внизу слева есть напоминание о том что диаграмма построена для Z0 = 50

1) кликните на DATAPOINT и теперь выберите способ ввода импеданса подлежащего согласованию, кликните "с клавиатуры" (Keyboard).

2) Заполните появившуюся форму. 
Введите импеданс ZA = 50 + j0 Ом и частоту 470 МГц:

Кликните "ОК" - теперь введенный импеданс появится в окне "Data Point" и в центре диаграммы Смита. В окне "Shematic" будет рисоваться схема цепи согласования:

 

Строить согласующую цепь мы будем добавляя какие-то компоненты с помощью средств Toolbox наблюдая за результатом на диаграмме. 

Напомню - диаграмма Smith Chart состоит из окружностей, и добавка любых компонентов в согласующую цепь будет продвигать нас по диаграмме по каким либо окружностям ее составляющим.

Кликнув на кнопках группы "SERIES" в левой части "Toolbox" мы добавляем выбранный элемент в согласующую цепь включая его последовательно - значит от точки схемы где мы находимся до его добавления в точку где окажемся после его добавления. 

Схема согласующей цепи сразу обновляется 
в окне "Shematic"

Клик на правой группе кнопок "SHUNT" добавляет выбранный элемент параллельно - значит от точки где мы находимся до добавления элемента на "землю". 

3) По схеме выше мы должны добавить последовательно емкость 4.08 пФ. Кликните на кнопку "конденсатор" в группе "SERIES" в левой части "Toolbox" - это сделает то, что  нужно. 

Обратите внимание! 

На диаграмме появляется траектория по которой мы можем двигаться меняя номинал добавляемого компонента!

Двигая мышью добейтесь показания приблизительно нужной емкости в окне "Shematic" - я получил 4.1 пФ

Чтоб получить точное значение клик-клик-ните по конденсатору и в открывшемся окне введите нужную емкость.