Czy dopasowanie impedancji implikuje, że jakikolwiek praktyczny nadajnik RF musi marnować> = 50% energii?

Zgodnie z twierdzeniem o maksymalnym przenoszeniu mocy, gdy podana jest stała impedancja źródła, impedancja obciążenia musi być dobrana tak, aby pasowała do impedancji źródła, aby osiągnąć maksymalne przeniesienie mocy.

Z drugiej strony, jeśli impedancja źródła nie jest poza zasięgiem projektantów, zamiast dopasowywania obciążenia do impedancji źródła, impedancję źródła można po prostu zminimalizować w celu osiągnięcia maksymalnej wydajności i transferu mocy, jest to powszechna praktyka w zasilaczach i wzmacniacze częstotliwości audio.

Jednak w obwodach RF, aby uniknąć problemów z integralnością sygnału, utraty odbicia i uszkodzeń wzmacniacza RF dużej mocy z powodu odbicia, należy zastosować dopasowanie impedancji, aby dopasować całą impedancję źródła, impedancję obciążenia, a także impedancję charakterystyczną linia transmisyjna i wreszcie antena.

Jeśli moje rozumowanie jest poprawne, dopasowane źródło i obciążenie (na przykład wyjście wzmacniacza RF i antena) tworzą dzielnik napięcia, z których każdy otrzymuje połowę napięcia. Przy stałej stałej impedancji oznacza to, że zawsze marnuje się 50% mocy na spalanie i ogrzewanie samego nadajnika RF.

Czy zatem można powiedzieć, że dopasowanie impedancji oznacza, że ​​wydajność jakiegokolwiek praktycznego nadajnika RF nie może być większa niż 50%? A czy jakikolwiek praktyczny nadajnik RF musi marnować co najmniej 50% energii?

Jeśli twoje źródło zasilania jest zerowym źródłem napięcia wyjściowego, a następnie rezystorem 50 omów, to tak, to, co uważasz za prawidłowe.

Jednak praktyczne wzmacniacze RF (przynajmniej te zaprojektowane z myślą o wydajności) nigdy nie są tak zbudowane. Zwykle mają wspólny emiter lub etap źródłowy o niskiej impedancji, po którym następuje dopasowanie impedancji reaktywnej, wszystkie zaprojektowane do pracy przy 50 omach.

Co ciekawe, jeśli kupujesz generator sygnału ogólnego przeznaczenia, wyjście jest zwykle budowane jako źródło napięcia, a następnie z prawdziwym rezystorem 50 omów, ponieważ wydajność nie jest problemem, a dokładna impedancja wyjściowa w bardzo szerokim zakresie częstotliwości jest główny cel projektu.

Wzmacniacze RF na ogół NIE mają impedancji wyjściowej zbliżonej do 50R ..... Są one jednak zaprojektowane do sterowania obciążeniem 50R!

Podobnie jak wzmacniacze audio, impedancja źródła jest zasadniczo daleka od impedancji obciążenia projektowego, ponieważ NIE chcesz maksymalnego transferu mocy, potrzebujesz czegoś bliższego maksymalnej wydajności!

W zależności od topologii elementy przybliżają źródła napięcia (niska impedancja wyjściowa) lub źródła prądu (wysoka impedancja wyjściowa).

Jeśli pomyślisz o np. HF, stopniu wyjściowym Push pull, urządzenia pracują z jakimś zaprojektowanym napięciem i prądem, stąd pewna „impedancja” (zwykle dość niska), która jest następnie przekształcana do standardu przemysłowego 50R.

Ta impedancja została ustawiona przez projektanta w celu wytworzenia pewnego napięcia na tym obciążeniu 50R, które dostarczy niezależnie od projektowanego poziomu mocy. Należy zauważyć, że te urządzenia wyjściowe mogą być w głębokiej klasie C lub nawet w klasie F i działać zasadniczo jako przełączniki rozpraszające prawie zerową moc, ale ja jako projektant wciąż muszę zdecydować, jakie napięcie i jaki prąd wybrać jako punkt pracy, a tym samym jaka transformacja Muszę dostać się do mocy docelowej na wyjściu.

Oczywiście, jeśli spróbujesz uruchomić taki wzmacniacz w obciążeniu dalekim od 50R, wówczas napięcia i prądy widziane przez urządzenia mocy będą inne niż zamierzone przez projektanta, a jeśli zajdziesz daleko, dym wydostaje się.

Kolejną komplikacją są filtry wyjściowe i (przy UHF i wyższych) możliwość zatrzymania cyrkulatora na wyjściu, który faktycznie sprawia, że ​​rzecz wygląda jak 50R patrząc wstecz na wejście.

Czy zatem można powiedzieć, że dopasowanie impedancji oznacza, że ​​wydajność jakiegokolwiek praktycznego nadajnika RF nie może być większa niż 50%? A czy jakikolwiek praktyczny nadajnik RF musi marnować co najmniej 50% energii?

Nie, to jest źle. Schemat w twoim poście nie ma istotnego elementu w tej dyskusji: samego wzmacniacza.

Wszystkie wzmacniacze można opisać zgodnie z ich współczynnikiem sprawności energetycznej (PAE).

PAE jest tutaj kluczowym parametrem, ponieważ wzmocnienie wzmacniacza prawdopodobnie będzie bardzo wysokie. Moc przekazywana do wzmacniacza przez generator, gdy zostaną dopasowane impedancje, będzie rzeczywiście wynosić tylko 50% maksymalnej mocy generatora. Ale jeśli zysk jest wystarczająco wysoki, to energia zmarnowana w impedancji wewnętrznej generatora będzie bardzo niska w porównaniu z mocą dostarczaną przez WZMACNIACZ do obciążenia. Zatem wpływ na całkowitą wydajność prawdopodobnie będzie niewielki.

$\eta = P_{out}/P_{supply}$ , który zależy od klasy wzmocnienia (A, B, AB, C, D, F itp.) I punkt pracy wzmacniacza.

Czy zatem można powiedzieć, że dopasowanie impedancji oznacza, że ​​wydajność jakiegokolwiek praktycznego nadajnika RF nie może być większa niż 50%? A czy jakikolwiek praktyczny nadajnik RF musi marnować co najmniej 50% energii?

Nie, nie można tak powiedzieć.

Podczas podłączania wzmacniacza do anteny za pomocą kabla (zwykle koncentrycznego) należy upewnić się, że nie występują znaczące odbicia mocy od obciążenia (anteny), które mogłyby uszkodzić wzmacniacz lub obniżyć jego skuteczność.

Jeśli impedancja anteny odpowiada impedancji charakterystycznej koncentrycznego, wzmacniacz może sterować końcem zasilającym koncentrycznego bez wymagania rezystancji szeregowej. Impedancja widoczna na końcu napędzanym będzie impedancją anteny, ponieważ odpowiada impedancji charakterystycznej kabla.

Impedancja składa się zarówno z części rzeczywistych (rezystancyjnych), jak i urojonych (reaktywnych). Tylko rzeczywista (rezystancyjna) część rozprasza moc. Teoretycznie można mieć czysto bierną impedancję o wartości 50 omów i nie rozpraszać w niej żadnej mocy.

Jednostkami impedancji są wolty na amper. Mówiąc o impedancji linii transmisyjnej, tak naprawdę mówimy o tym, ile prądu musiałoby zostać doprowadzone do linii, aby spowodować, że napięcie o określonej wielkości rozchodzi się wzdłuż linii. Oznacza stosunek napięcia i prądu.

Na przykład kabel CAT-5 ma prędkość propagacji około 0,64 * C. Ma również pojemność około 15pF na stopę (48pF na metr). Jego impedancja zależy przede wszystkim od pojemności między skręconymi parami (istnieją oczywiście pewne małe elementy indukcyjne i rezystancyjne).

Jeśli umieścimy sygnał 1 V na jednym końcu linii, sygnał rozchodzi się z prędkością 192 000 000 m / s, na każdy 1 metr pokonanego sygnału trzeba będzie naładować 48pF do 1V (czyli 48pC).

1 V * 48 pF / m / (180 M m / s) = 9,44 mA.

1 V / 9,44 mA = 105,9 omów (co jest bardzo zbliżone do nominalnej impedancji 100 omów).

To jest poprawne. „Praktyczny” wzmacniacz będzie musiał pasować do wyjścia składającego się ze złączy, kabli, anteny. Aby ostatecznie dostarczyć maksymalną moc do anteny,> = 50% zostanie zmarnowane gdzie indziej.