Introduksjon til impedansmatching og hvordan du bruker en impedansmatchingstransformator for ditt design

Hvis du er en RF-designingeniør eller noen som har jobbet med trådløse radioer, burde begrepet " Impedansmatching " ha slått deg mer enn en gang. Begrepet er avgjørende fordi det direkte påvirker overføringskraften og dermed rekkevidden til radiomodulene våre. Denne artikkelen tar sikte på å hjelpe deg med å forstå hva Impedance Matching er fra det grunnleggende, og vil også hjelpe deg med å designe dine egne impedansmatchingskretser ved å bruke en Impedance Matching Transformer som er den vanligste metoden. Så la oss dykke inn.

Hva er Impedans Matching?

Kort sagt sørger impedanstilpasning for at utgangsimpedansen til ett trinn, kalt kilden, er lik inngangsimpedansen til det følgende trinn, kalt belastning. Denne kampen gir maksimal kraftoverføring og minimalt tap. Du kan forstå dette konseptet enkelt ved å tenke på det som lyspærer i serie med en strømkilde. Den første lyspæren er utgangsimpedansen for trinn 1 (for eksempel en radiosender) og den andre lyspæren er belastningen, eller med andre ord inngangsimpedansen til den andre pæren (for eksempel en antenne). Vi ønsker å sørge for at mest strøm leveres til lasten, i vårt tilfelle vil dette bety at mest strøm overføres til luften slik at en radiostasjon kan høres lenger unna. Dette maksimumet kraftoverføring oppstår når utgangsimpedansen til kilden er lik inngangsimpedansen til lasten, fordi hvis utgangsimpedansen er større enn belastningen, går mer strøm i kilden (den første lyspæren lyser lysere).

Standing Wave Ratio - Mål på impedansmatching

En måling som brukes til å definere hvor godt to trinn matches, kalles SWR (Standing Wave Ratio). Det er forholdet mellom den større impedansen sammenlignet med den mindre, en 50 Ω sender til en 200 Ω antenne gir 4 SWR, en 75 Ω antenne som mater en NE612-mikser (inngangsimpedans er 1500 Ω) vil direkte ha en SWR på 20. A perfekt match, la oss si at en 50 Ω antenne og en 50 Ω mottaker gir en SWR på 1.

I radiosendere anses SWRer under 1,5 å være anstendig, og drift når SWR er over 3 kan føre til skade på grunn av overoppheting av effektutgangstrinnene (vakuumrør eller transistorer). Ved mottak av applikasjoner vil høy SWR ikke forårsake skade, men det vil gjøre mottakeren mindre følsom fordi det mottatte signalet blir dempet på grunn av feil samsvar og påfølgende strømtap.

Siden de fleste mottakere bruker en eller annen form for et inngangsbåndpassfilter, kan inngangsfilteret utformes for å matche antennen til mottakerens inngangstrinn. Alle radiosendere har utgangsfiltre som brukes til å matche utgangstrinnet til den spesifikke impedansen (vanligvis 50 Ω). Noen sendere har innebygde antennetunere som kan brukes til å matche senderen til antennen hvis antennens impedans er forskjellig fra den angitte senderens utgangsimpedans. Hvis det ikke er noen antennemottaker, må en ekstern matchingkrets brukes. Strømtapet på grunn av uoverensstemmelse er vanskelig å beregne, så det brukes spesielle kalkulatorer eller SWR-tapstabeller. En typisk SWR-tapstabell er vist nedenfor

Ved hjelp av SWR-tabellen ovenfor kan vi beregne strømtapet og også spenningstapet. Spenning går tapt på grunn av uoverensstemmelse når lastimpedansen er lavere enn kildeimpedans og strøm går tapt når lastimpedansen er høyere enn kilden.

Vår 50 Ω sender med en 200 Ω antenne med 4 SWR vil miste ca 36% av effekten, noe som betyr at 36% mindre strøm vil bli levert til antennen sammenlignet med hvis antennen hadde en 50 Ω impedans. Den tapte kraften vil for det meste bli spredt i kilden, noe som betyr at hvis senderen vår ga ut 100W, vil 36W i tillegg bli spredt i den som varme. Hvis 50 Ω-senderen vår var 60% effektiv, ville den spre 66 W når du sendte 100 W til en 50 Ω-antenne. Når den er koblet til 200 Ω-antennen, vil den spre ytterligere 36 W, slik at den totale effekten som går tapt som varme i senderen er 102 W. Økningen av strømmen som sendes ut i senderen betyr ikke bare at full effekt ikke sendes ut av antennen men også risikere skade på senderen vår fordi den forsvinner 102 W i stedet for 66 W, den var designet for å fungere med.

Når det gjelder en 75Ω-antenne, som mater 1500Ω-inngangen til NE612 IC, er vi ikke bekymret for at strømmen går tapt som varme, men om det økte signalnivået som kan oppnås ved bruk av impedansmatching. La oss si at 13nW RF induseres i antennen. Med en 75 Ω impedans gir 13nW 1 mV - vi ønsker å matche den til vår 1500 Ω belastning. For å beregne utgangsspenningen etter samsvarende krets, må vi vite forholdet mellom impedans, i vårt tilfelle 1500 Ω / 75 Ω = 20. Spenningsforholdet (som svingforhold i transformatorer) er lik kvadratroten til impedansforholdet, så √20≈8.7. Dette betyr at utgangsspenningen vil være 8,7 ganger større, så den vil være lik 8,7 mV. Matchende kretser fungerer som transformatorer.

Siden strømmen som går inn i den matchende kretsen og strømmen som går er den samme (minus tap), vil utgangsstrømmen være lavere enn inngangen en med en faktor på 8,7, men utgangsspenningen vil være større. Hvis vi matchet en høy impedans med en lav, ville vi få lavere spenning, men en høyere strøm.

Impedans Matching Transformers

Spesielle transformatorer kalt Impedance Matching Transformers kan brukes til å matche impedans. Hovedfordelen med transformatorer som impedansmatchende enheter er at de har bredbånd, noe som betyr at de kan jobbe med et bredt spekter av frekvenser. Lydtransformatorer som bruker stålplater, som de som brukes i vakuumrørsforsterkerkretser for å matche rørets høye impedans til høyttalerens lave impedans, har en båndbredde på 20Hz til 20kHz, RF-transformatorer laget med ferritt eller til og med luftkjerner kan har båndbredder på 1MHz-30MHz.

Transformatorer kan brukes som impedansmatchende enheter på grunn av svingforholdet som endrer impedansen som kilden “ser”. Du kan også sjekke dette grunnleggende i transformatorartikkelen hvis du er helt ny for transformatorer. Hvis vi har en transformator med 1: 4 svingforhold, betyr dette at hvis 1V AC ble brukt på primæren, ville vi ha 4V AC på utgangen. Hvis vi legger til en 4Ω motstand til utgangen, vil 1A strøm strømme i sekundæren, strømmen i primæren er lik den sekundære strømmen multiplisert med svingens forhold (delt hvis transformatoren var av en nedtrappende type, som strømnettet transformatorer), så 1A * 4 = 4A. Hvis vi bruker Ωs lov for å bestemme impedansen som transformatoren presenterer for kretsen, har vi 1V / 4A = 0,25Ω, mens vi koblet en 4Ω belastning etter den matchende transformatoren. Impedansforholdet er 0,25Ω til 4Ω eller også 1:16. Det kan også beregnes med detteImpedansforhold formel:

(n _A / n _B) ² = r _i

hvor n _A er antall primære svinger på viklingen med flere svinger, n _B er antall svinger på viklingen med færre svinger, og r _i er impedansforholdet. Slik skjer impedansmatching.

Hvis vi brukte Ohms lov igjen, men nå for å beregne kraften som strømmer inn i primæren, ville vi ha 1V * 4A = 4W, i sekundærområdet ville vi ha 4V * 1A = 4W. Dette betyr at beregningene våre er korrekte, at transformatorer og andre impedansmatchingskretser ikke gir mer kraft enn de blir matet. Ingen gratis energi her.

Hvordan velge en Impedance Matching Transformer

Transformator matchende krets kan brukes når båndpassfiltrering er nødvendig, og bør være resonans med induktansen til sekundær ved bruksfrekvensen. Hovedparametrene til transformatorer som impedansmatchende enheter er:

• Impedansforhold eller mer vanlig angitt svingforhold (n)
• Primær induktans
• Sekundær induktans
• Primær impedans
• Sekundær impedans
• Selvresonansfrekvens
• Minimum operasjonsfrekvens
• Maksimal driftsfrekvens
• Svingende konfigurasjon
• Tilstedeværelse av luftspalte og maks. DC-strøm
• Maks. makt

Det primære svingnummeret skal være nok, så transformatorens primære vikling har reaktans (det er en spole) fire ganger utgangsimpedansen til kilden ved den laveste driftsfrekvensen.

Sekundært svingnummer er lik antall svinger på primær, delt på kvadratroten til impedansforholdet.

Vi trenger også å vite hvilken kjernetype og størrelse vi skal bruke, forskjellige kjerner fungerer bra i forskjellige frekvenser, utenfor hvilke de viser tap.

Kjernestørrelse avhenger av kraften som strømmer gjennom kjernen, da hver kjerne utviser tap og større kjerner kan spre disse tapene bedre og ikke utvise magnetisk metning og andre uønskede ting så lett.

En luftspalte er nødvendig når en likestrøm vil strømme gjennom en hvilken som helst vikling på transformatoren hvis kjernen som brukes, er laget av stållaminer, som i en strømtransformator.

Transformer Matching Circuits - Eksempel

For eksempel trenger vi en transformator for å matche en 50 Ω kilde til en 1500 Ω belastning i frekvensområdet 3MHz til 30MHz i en mottaker. Vi må først vite hvilken kjerne vi trenger, siden det er en mottaker, veldig lite strøm vil strømme gjennom transformatoren, slik at kjernestørrelsen kan være liten. En god kjerne i denne applikasjonen vil være FT50-75. Ifølge produsenten er frekvensområdet som bredbåndstransformator 1MHz til 50MHz, godt nok for denne applikasjonen.

Nå må vi beregne de primære svingene, vi trenger den primære reaktansen til 4 ganger høyere enn kildeutgangsimpedansen, så 200 Ω. Ved en minimum driftsfrekvens på 3MHz har en induktor på 10,6uH 200 Ω reaktans. Ved hjelp av en online kalkulator beregner vi at vi trenger 2 omdreininger av ledningen på kjernen for å få 16uH, litt over 10,6uH, men i dette tilfellet er det bedre at den er større enn å være mindre. 50 Ω til 1500 Ω gir et impedansforhold på 30. Siden svingforholdet er kvadratroten til impedansforholdet, får vi rundt 5,5, så for hver primær sving trenger vi 5,5 sekundære svinger for å få 1500 Ω ved sekundærutseendet til 50 Ω til kilden. Siden vi har to svinger på primæren, trenger vi 2 * 5,5 svinger på sekundæren, det vil si 11 svinger. Ledningens diameter skal følge 3A / 1mm ² regel (maksimalt 3A strømmer per kvadratmillimeter ledningstverrsnittsareal).

Transformatortilpasning brukes ofte i båndpassfiltre, for å matche resonanskretser til lave impedanser fra antenner og miksere. Jo høyere impedansen som laster kretsen, jo lavere båndbredde og høyere Q. Hvis vi koblet en resonanskrets direkte til en lav impedans, ville båndbredden ofte være for stor til å være nyttig. Resonanskretsen består av den sekundære av L1 og den første 220 pF kondensatoren og den primære av L2 og den andre 220 pF kondensatoren.

Ovenstående bilde viser en transformatortilpasning som brukes i en vakuumrørs lydforsterker for å matche 3000 Ω utgangsimpedansen til PL841-røret til en 4 Ω høyttaler. 1000 pF C67 forhindrer ringing ved høyere lydfrekvenser.

Autotransformator matching for impedansbalanse

Autotransformatorens matchende krets er en variant av transformatorens matchende krets, der de to viklingene er koblet sammen oppå hverandre. Det blir ofte brukt i IF-filterinduktorer, sammen med transformatortilpasning til basen, der den brukes til å matche den nedre impedansen til transistoren til en høy impedans som laster innstillingskretsen mindre og gir mulighet for mindre båndbredde og dermed større selektivitet. Prosessen for å designe dem er praktisk talt den samme, hvor antall svinger på primæren er lik antall svinger fra kranen på spolen til den "kalde" eller jordede enden, og antall svinger på sekundæren er lik antall svinger mellom kranen og den "varme" enden eller enden som er koblet til lasten.

Ovenstående bilde viser en samsvarende krets for autotransformator. C er valgfri hvis den brukes, den skal være resonansfull med induktansen til L ved bruksfrekvensen. På denne måten gir kretsen også filtrering.

Dette bildet illustrerer en autotransformator og transformator matching som brukes i en IF transformator. Autotransformatorens høye impedans kobles til C17, denne kondensatoren danner en resonanskrets med hele viklingen. Siden denne kondensatoren kobles til den høye impedansenden av autotransformatoren, er motstanden som belastes den innstilte kretsen høyere, derfor er krets Q større og IF-båndbredden reduseres, noe som forbedrer selektiviteten og følsomheten. Transformatormatching kobler det forsterkede signalet til dioden.

</s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s>

Autotransformator matching som brukes i en transistor effektforsterker, den samsvarer med 12 Ω utgangsimpedansen til transistoren til 75 Ω antennen. C55 er koblet parallelt med den høye impedansenden av autotransformatoren, og danner en resonanskrets som filtrerer ut overtoner.