Курс AVR123.nm.ru


 
Electronic Banner Exchange (ElBE)
 

 


 
         
         
   



Согласование высокочастотных электронных устройств.

 Краткий курс - очень кратко!

avr123.nm.ru/soglasie.htm
-

 

что такое:

- импеданс
- индуктивность
- емкость
- колебательный контур
- линия передачи

 

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

Обозначают импеданс буквой - Z  к ней иногда приставляются разные индексы для уточнения. 

записывается импеданс например так: 

Z = R + JXL    (Ом) - этот импеданс соответствует последовательному соединению  резистора сопротивлением R  Ом и индуктивности 
L = (2*pi*F)/(XL   (в Генри - Гн) 

XL - это реактивное сопротивление индуктивности в Ом. 

или вот так: 

Z = R - JXC    (Ом) - этот импеданс соответствует последовательному соединению резистора сопротивлением R  Ом и емкости  
С = 1/(2*pi*F*X
C   (в Фарадах - Ф) 

XC - это реактивное сопротивление емкости в Ом. 

F - это частота сигнала - Гц. 

pi - это число "пи" -  3,1415926535897932384626433832795...

 

Импеданс - это комплексная величина и соответственно выражается комплексным числом. 

Возможно поэтому (к великому сожалению) в большинстве учебников авторы соревнуются в этажности формул, что наводит реальную тоску на подзабывших высшую математику любителей электронщиков и у ребят опускаются руки, они падают духом...  

Грустно, девушки...

Ни в одном отечественном учебнике я не видел рассказа о существовании простейшего графического калькулятора для комплексных чисел! Это диаграмма Сита (SmithChart)  - 

Вот он-лайн апплет - SmithChart

На английском языке зато с примером согласования, вы можете прочитать в статье: 

"Impedance Matching and the 
Smith Chart: The Fundamentals
"

на сайте maxim-ic.com

Согласовать устройства можно распечатав диаграмму и сделав всего несколько не сложных построений. 

 

 

Активное сопротивление (идеальный резистор) - протекание тока A через него вызывает только рассеяние мощности N = A*A*R в виде тепла. В активном сопротивлении НЕ происходит накопление заряда или энергии магнитного поля. Ток протекающий через резистор по закону Ома равен разности потенциалов (или падению напряжения) на резисторе деленной на его сопротивление. 

 

 

Индуктивность  - это проводник, возможно навитый в виде катушки, возможно на сердечник. Протекание тока через идеальную индуктивность НЕ вызывает выделение тепла! Т.е. энергия не расходуется а запасается в виде энергии магнитного поля  
E
L = L*A*A/2 

A
- это ток через индуктивность. 

Суть индуктивности: 
- в ней не может мгновенно меняться ток, а напряжение на ней может меняться мгновенно. 

- индуктивность "противится" изменению протекающего через неё тока. 

- чем больше частота сигнала - тем более противится! 

- в индуктивности ток отстает по фазе от напряжения.

- ток через индуктивность отстает по фазе от напряжение на ней.

Внимание !   учтите что:
Индуктивность 1 см тонкого печатного проводника на плате составляет примерно 8 нГн !

 

Реклама недорогих радиодеталей почтой:

 

 

Ёмкость  - это конденсатор. Протекание тока через идеальный конденсатор НЕ вызывает выделение тепла! Энергия не расходуется  а запасается в виде энергии электрического поля  EC = С*V*V/2          V- это напряжение на конденсаторе. 

Суть ёмкости (конденсатора): 
- на нем не может мгновенно измениться напряжение, а ток через конденсатор может меняться мгновенно. 

- ёмкость конденсатора "противится" изменению напряжения на его обкладках (контактах, выводах конденсатора). 

- чем больше частота сигнала - тем меньшее сопротивление оказывает конденсатор прохождению сигнала.

- ток через конденсатор опережает по фазе напряжение на нем.

Внимание !   учтите что:
Емкость выводов компонентов составляет от долей до нескольких пФ. точней в ДШ на компонент.

 

 

Основные производители резисторов, конденсаторов и индуктивностей: 
coilcraft.com  
murata.com  
epcos.com

Где найти информацию и купить: 
mouser.com 
- каталоги удобные, в Россию почтой 12 $
rel.ru 
          - поисковая система для электронщиков
platan.ru 
- документация и продажа от 1000 руб, интернет маг по России
chip-dip.ru
- эл.компоненты в розницу и интернет маг по России

 

 

Колебательный контур - это индуктивность и конденсатор. В зависимости от того как они подключены контур называют последовательным или параллельным. 

Основные характеристики контура: 

- частота резонанса контура - F равна единице деленной на (произведение 2 на Пи на корень квадратный из произведения емкости на индуктивность) - в Гц.

- добротность контура Q - определяет остроту резонанса в контуре.

В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0 а напряжение максимально. 

В последовательном контуре наоборот - напряжение стремится к нулю а ток максимален.

 

Перечисленные выше пассивные элементы резистор, конденсатор и катушка индуктивности - называются сосредоточенными (англ. lumped), так как их линейные размеры обычно много меньше длины волны. 

 

А вот дальше я расскажу об элементе с распределенными параметрами (англ. distributed), так как его размер сопоставим с длиной волны. 

 

Вот мой вариант: программа расчета колебательных контуров и индуктивности самодельных "воздушных" однослойных катушек. там есть и примеры промеров параметров реальных катушек!

 

 

 

Линия передачи  - это два проводника по которым передается сигнал, расположенные относительно близко и геометрически упорядочено.  

Иногда называют "микро полосковая линия" или "полосковая линия" или просто "линия".  

В жизни мы используем линии передачи:

Симметричные линии: 
- телефонный провод - "лапша"   
- витая пара

Несимметричные линии: 
- коаксиальный телевизионный антенный кабель

 

Основной параметр линии передачи: 

Волновое сопротивление линии и обозначается  Zo  - также как импеданс, так как таковым и является. 

Величина Zo равна корню квадратному из отношения индуктивности отрезка линии к емкости этого отрезка. Единица измерения - Ом.

Линии передачи имеют огромное значение и широчайшее применение в высокочастотной электронике и особенно при согласовании и передаче сигналов.

 

Основные положения о линиях передачи:


1) Разомкнутая четвертьволновая (значит её электрическая длина равна четверти длины волны) линия - имеет нулевой входной импеданс - т.е. вход ее короткозамкнут! это эквивалент подключения последовательного колебательного контура в резонансе = максимум тока и минимум напряжения.

2) Замкнутая на конце четвертьволновая линия - имеет бесконечный входной импеданс. Это эквивалент подключения параллельного колебательного контура в резонансе = максимум напряжения и минимум тока.


3)
Линия длиной в полволны - полуволновой повторитель импеданса. Импеданс входа линии равен импедансу того что подключено к её выходу!

Т.е. вы можете соединить согласованные передатчик и приемник с помощью любого имеющегося под рукой кабеля, не обращая внимания на его импеданс! нужно только взять его отрезок кратный половине длины волны в кабеле. 

Для большинства коаксиальных кабелей скорость распространения волны в 1.5 раза (это коэф. укорочения длины волны по сравнению с длиной в вакууме равный корню из диэлектрической проницаемостью диэлектрика примененного в кабеле) меньше скорости света в вакууме - примерно 200000 км в сек.  

 

Дополнительные положения о линиях передачи:

4)  Разомкнутая на конце линия больше четверти и меньше половины - имеет индуктивное входное сопротивление. Аналогично подключению индуктивности.

5)  Разомкнутая на конце линия длиной меньше четверти длины волны сигнала - имеет емкостное входное сопротивление, эквивалентна подключению емкости.


6) Разомкнутая линия в пол-волны имеет бесконечное входное сопротивление. Эквивалентно подключению параллельного колебательного контура в резонансе = максимум напряжения и минимум тока.


7) Замкнутая на конце линия больше четверти и меньше половины - имеет емкостное входное сопротивление. Аналогично подключению емкости.

8)  Замкнутая на конце линия длиной меньше четверти длины волны - имеет индуктивное входное сопротивление, эквивалентна подключению индуктивности.


9) Замкнутая на конце линия в пол-волны имеет нулевое входное сопротивление. Эквивалентно подключению последовательного колебательного контура в резонансе = максимум тока и минимум напряжения.

Наконец:

ЧетвертьВолновый трансформатор - это линия в четверть волны с импедансом = корень из произведения двух согласуемых чисто активных импедансов.

Для расчета линий передачи - существует много программ, например Line (325 Kb - расчет линий передачи) или AppCAD от Agilent (16 Mb - расчет всякого ВЧ СВЧ добра). 

Линию передачи реально изготовить на печатной плате в домашних условиях применяя лазерно-утюжную технологию: 

Это скриншот из великолепной бесплатной программы для радиочастотных расчетов AppCAD от Agilent - советую скачать и использовать её.

 

Очень просто и довольно точно можно выполнить линию передачи в виде проводника круглого сечения над медной проводящей плоскостью платы соединенной с общим проводом устройства - землей.  

Вы легко можете измерить диаметр провода, воздуха равен 1, а высоту проводника можно установить используя подкладку нужной толщины.  

 


Если вы заказываете промышленное изготовление платы  - то очень разумно использовать линии там где это возможно. обычно стараются применить линии типа волновой канал вот такой конструкции:

Посредине конструкции - пролегает один проводник лини - сигнальный.

Второй проводник (он является "землей" = "общим проводом" устройства) состоит из двух медных плоскостей края которых видны по бокам первого проводника и нижнего медного слоя платы. Края двух проводящих плоскостей обильно усеивают метализироваными переходными отверстиями на нижний слой платы для лучшего контакта с ним. Эта конструкция обеспечивает минимальное излучение и приём электромагнитных колебаний и даёт наименьшее взаимное влияние линий. 

 

 

Линии можно плавно (и не очень) изгибать и прокладывать змейкой для сокращения занимаемого на плате места. 

Вот пример: усилитель на 70 Вт  940 МГц - питание на транзистор подается четвертьволновой линией L

 

Для экономии места на плате линия довольно безжалостно "упакована" в змейку.

 

 

На более низких частотах в качестве линий передачи широко применяют отрезки коаксиального кабеля нужной длины.

 

 

Перейти на страницу о согласовании в радиоэлектронике


Вот это еще почитайте:


AVR раз, два, три...   это просто!

Краткий Курс  
МикроКонтроллеры 

AVR Начинающим "с нуля" 

http://proavr.narod.ru
-

 

   

 

 

Сайт управляется системой uCoz