Introduktion till impedansmatchning och hur man använder en impedansmatchningstransformator för din design

Om du är en RF-designingenjör eller någon som har arbetat med trådlösa radioapparater, borde termen " Impedansmatchning " ha slagit dig mer än en gång. Termen är avgörande eftersom den direkt påverkar sändningseffekten och därmed räckvidden för våra radiomoduler. Den här artikeln syftar till att hjälpa dig att förstå vad Impedance Matching är från grunderna och kommer också att hjälpa dig att designa dina egna impedansmatchningskretsar med hjälp av en Impedance Matching Transformer som är den vanligaste metoden. Så, låt oss dyka in.

Vad är impedansmatchningen?

Kort sagt säkerställer impedansmatchning att utgångsimpedansen för ett steg, kallad källan, är lika med ingångsimpedansen för följande steg, kallad belastningen. Denna match möjliggör maximal kraftöverföring och minimalt förlust. Du kan lätt förstå detta koncept genom att tänka på det som glödlampor i serie med en strömkälla. Den första glödlampan är utgångsimpedansen för steg ett (till exempel en radiosändare) och den andra glödlampan är belastningen, eller med andra ord ingångsimpedansen för den andra glödlampan (till exempel en antenn). Vi vill se till att mest kraft levereras till lasten, i vårt fall skulle detta innebära att mest kraft överförs till luften så att en radiostation kan höras längre bort. Detta maximala effektöverföring sker när källans utgångsimpedans är lika med belastningens ingångsimpedans, för om utgångsimpedansen är större än belastningen förloras mer kraft i källan (den första glödlampan lyser ljusare).

Standing Wave Ratio - Mått på impedansmatchning

En mätning som används för att definiera hur väl två steg matchas kallas SWR (Standing Wave Ratio). Det är förhållandet mellan den större impedansen jämfört med den mindre, en 50 Ω-sändare till en 200 Ω-antenn ger 4 SWR, en 75 Ω-antenn som matar en NE612-mixer (ingångsimpedansen är 1500 Ω) kommer direkt att en SWR på 20. A perfekt match, låt oss säga att en 50 Ω-antenn och en 50 Ω-mottagare ger en SWR på 1.

I radiosändare anses SWR under 1,5 anses anständigt och drift när SWR är över 3 kan leda till skada på grund av överhettning av effektutgångsstegsenheterna (vakuumrör eller transistorer). Vid mottagande av applikationer kommer hög SWR inte att orsaka skada men det kommer att göra mottagaren mindre känslig eftersom den mottagna signalen dämpas på grund av felaktighet och därmed strömförlust.

Eftersom de flesta mottagare använder någon form av ett ingångsbandpassfilter kan ingångsfiltret utformas för att matcha antennen till mottagarens ingångssteg. Alla radiosändare har utgångsfilter som används för att matcha uteffektsteget till den specifika impedansen (vanligtvis 50 Ω). Vissa sändare har inbyggda antennmottagare som kan användas för att matcha sändaren till antennen om antennens impedans skiljer sig från den angivna sändarens utgångsimpedans. Om det inte finns någon antenntuner måste en extern matchningskrets användas. Effektförlusten på grund av felaktig matchning är svår att beräkna, så speciella räknare eller SWR-förlusttabeller används. En typisk SWR-förlusttabell visas nedan

Med hjälp av SWR-tabellen ovan kan vi beräkna effektförlust och även spänningsförlust. Spänningen går förlorad på grund av bristande överensstämmelse när lastimpedansen är lägre än källimpedansen och strömmen går förlorad när lastimpedansen är högre än källan.

Vår 50 Ω-sändare med en 200 Ω-antenn med 4 SWR kommer att förlora cirka 36% av sin effekt, vilket innebär att 36% mindre effekt kommer att levereras till antennen jämfört med om antennen hade en 50 Ω-impedans. Den förlorade effekten kommer för det mesta att försvinna i källan, vilket betyder att om vår sändare gav ut 100W kommer 36W dessutom att försvinna i den som värme. Om vår 50 Ω-sändare var 60% effektiv skulle den skingra 66 W när 100 W sänds till en 50 Ω-antenn. När den är ansluten till 200 Ω-antennen kommer den att leda ytterligare 36 W så att den totala effekten som går förlorad som värme i sändaren är 102 W. Ökningen av strömmen som släpps ut i sändaren betyder inte bara att antennen inte släpper ut full effekt. men riskerar också att vår sändare skadas eftersom den försvinner 102 W istället för 66 W, den var designad för att fungera med.

När det gäller en 75Ω-antenn, som matar 1500Ω-ingången till NE612 IC, är vi inte oroliga för att strömmen går förlorad som värme, utan om den ökade signalnivån som kan uppnås genom användning av impedansmatchning. Låt oss säga att 13nW RF induceras i antennen. Med en 75 Ω impedans ger 13nW 1 mV - vi vill matcha det till vår 1500 Ω belastning. För att beräkna utspänningen efter matchningskretsen måste vi veta förhållandet mellan impedans, i vårt fall 1500 Ω / 75 Ω = 20. Spänningsförhållandet (som varvförhållande i transformatorer) är lika med kvadratroten av impedansförhållandet, så √20.78.7. Detta innebär att utspänningen blir 8,7 gånger större, så den blir lika med 8,7 mV. De matchande kretsarna fungerar som transformatorer.

Eftersom strömmen som går in i matchningskretsen och den effekt som lämnar är densamma (minus förlust) kommer utströmmen att vara lägre än ingången en med en faktor på 8,7, men utspänningen blir större. Om vi ​​matchade en hög impedans till en låg skulle vi få lägre spänning men en högre ström.

Impedansmatchande transformatorer

Speciella transformatorer som kallas Impedance Matching Transformers kan användas för att matcha impedans. Den största fördelen med transformatorer som impedansmatchande enheter är att de har bredband, vilket innebär att de kan arbeta med ett brett spektrum av frekvenser. Ljudtransformatorer som använder plåtkärnor, som de som används i vakuumrörförstärkarkretsar för att matcha rörets höga impedans till högtalarens låga impedans, har en bandbredd på 20Hz till 20kHz, RF-transformatorer tillverkade med ferrit eller till och med luftkärnor har bandbredder på 1MHz-30MHz.

Transformatorer kan användas som impedansmatchande enheter på grund av deras svängningsförhållande som ändrar impedansen som källan "ser". Du kan också kontrollera detta grundläggande i transformatorartikeln om du är helt ny på transformatorerna. Om vi ​​har en transformator med ett förhållande 1: 4 varv betyder det att om 1V växelström applicerades på den primära, skulle vi ha 4V växelström på utgången. Om vi ​​lägger till ett 4Ω motstånd till utgången, kommer 1A ström att strömma i sekundärströmmen, strömmen i primärvärdet är lika med sekundärströmmen multiplicerat med varvets förhållande (dividerat om transformatorn var av en nedgångstyp, som elnätet transformatorer), så 1A * 4 = 4A. Om vi ​​använder Ω: s lag för att bestämma impedansen som transformatorn presenterar för kretsen har vi 1V / 4A = 0,25Ω, medan vi kopplade en 4Ω belastning efter matchande transformator. Impedansförhållandet är 0,25Ω till 4Ω eller också 1:16. Det kan också beräknas med dettaImpedansförhållande formel:

(n _A / n _B) ² = r _i

där n _A är antalet primära varv på lindningen med fler varv, n _B är antalet varv på lindningen med mindre varv, och r _i är impedansförhållandet. Så här händer impedansmatchning.

Om vi ​​använde Ohms-lag igen, men nu för att beräkna effekten som strömmar in i primären skulle vi ha 1V * 4A = 4W, i sekundären skulle vi ha 4V * 1A = 4W. Det betyder att våra beräkningar är korrekta, att transformatorer och andra impedansmatchningskretsar inte ger mer kraft än de matas. Ingen fri energi här.

Hur man väljer en impedansmatchningstransformator

Transformatormatchningskrets kan användas när bandpassfiltrering behövs, bör vara resonans med induktansen hos sekundär vid användningsfrekvensen. De viktigaste parametrarna för transformatorer som impedansmatchande enheter är:

• Impedansförhållande eller vanligare angivna svängningsförhållande (n)
• Primär induktans
• Sekundär induktans
• Primär impedans
• Sekundär impedans
• Självresonansfrekvens
• Minsta driftsfrekvens
• Maximal driftfrekvens
• Slingrande konfiguration
• Förekomst av luftspalt och max. DC-ström
• Max. kraft

Primärvarvtalet bör vara tillräckligt, så transformatorns primärlindning har reaktans (det är en spole) fyra gånger utgångsimpedansen för källan vid den lägsta driftsfrekvensen.

Det sekundära varvtalet är lika med antalet varv på det primära, dividerat med kvadratroten av impedansförhållandet.

Vi måste också veta vilken kärntyp och storlek som ska användas, olika kärnor fungerar bra i olika frekvenser, utanför vilka de uppvisar förlust.

Kärnstorleken beror på kraften som strömmar genom kärnan, eftersom varje kärna uppvisar förluster och större kärnor kan sprida dessa förluster bättre och inte uppvisar magnetisk mättnad och andra oönskade saker lika lätt.

Ett luftspalt krävs när en likström kommer att strömma genom någon lindning på transformatorn om kärnan som används är tillverkad av stållameller, som i en transformator.

Transformator Matching Circuits - Exempel

Till exempel behöver vi en transformator för att matcha en 50 Ω-källa till en 1500 Ω-belastning i frekvensområdet 3MHz till 30MHz i en mottagare. Vi måste först veta vilken kärna vi skulle behöva eftersom det är en mottagare, mycket liten ström kommer att strömma genom transformatorn, så kärnstorleken kan vara liten. En bra kärna i denna applikation skulle vara FT50-75. Enligt tillverkaren är frekvensområdet som bredbandstransformator 1MHz till 50MHz, tillräckligt bra för den här applikationen.

Nu måste vi beräkna de primära varv, vi behöver den primära reaktansen till 4 gånger högre än källutgångsimpedansen, så 200 Ω. Vid den minsta driftsfrekvensen 3MHz har en induktor på 10,6uH 200 Ω reaktans. Med hjälp av en online-kalkylator beräknar vi att vi behöver 2 varv av tråd på kärnan för att få 16uH, lite över 10,6uH, men i det här fallet är det bättre att den är större än att vara mindre. 50 Ω till 1500 Ω ger ett impedansförhållande på 30. Eftersom varvförhållandet är kvadratroten av impedansförhållandet får vi cirka 5,5, så för varje primärvarv behöver vi 5,5 sekundära varv för att göra 1500Ω vid sekundärutseendet som 50Ω till källan. Eftersom vi har 2 varv på primären behöver vi 2 * 5,5 varv på sekundären, det vill säga 11 varv. Ledningens diameter ska följa 3A / 1mm ² regel (maximalt 3A strömmar per kvadratmillimeter trådtvärsnittsarea).

Transformatormatchning används ofta i bandpassfilter, för att matcha resonanskretsar till låga impedanser hos antenner och blandare. Ju högre impedans som laddar kretsen, desto lägre bandbredd och högre Q. Om vi ​​kopplar en resonanskrets direkt till en låg impedans skulle bandbredden ofta vara för stor för att vara användbar. Resonanskretsen består av den sekundära L1 och den första 220 pF kondensatorn och den primära av L2 och den andra 220 pF kondensatorn.

Ovanstående bild visar en transformatormatchning som används i en vakuumrörs ljudförstärkare för att matcha 3000 Ω utgångsimpedansen från PL841-röret till en 4 Ω högtalare. 1000 pF C67 förhindrar ringning vid högre ljudfrekvenser.

Autotransformatormatchning för impedansbalans

Autotransformator-matchningskretsen är en variant av transformatorns matchningskrets, där de två lindningarna är anslutna ovanpå varandra. Det används ofta i IF-filterinduktorer, tillsammans med transformatoranpassning till basen, där den används för att matcha transistorns lägre impedans till en hög impedans som laddar inställningskretsen mindre och möjliggör mindre bandbredd och därmed större selektivitet. Processen för att designa dem är praktiskt taget densamma, varvid antalet varv på primären är lika med antalet varv från kranen på spolen till den "kalla" eller jordade änden och antalet varv på sekundären är lika med antalet varv mellan kranen och den "heta" änden eller änden som är ansluten till lasten.

Bilden ovan visar en matchningskrets för autotransformator. C är valfritt om det används bör det vara i resonans med induktansen för L vid användningsfrekvensen. På detta sätt ger kretsen också filtrering.

Den här bilden illustrerar en autotransformator och transformatormatchning som används i en IF-transformator. Autotransformatorns höga impedans ansluts till C17, denna kondensator bildar en resonanskrets med hela lindningen. Eftersom denna kondensator ansluter till den höga impedansänden på autotransformatorn är motståndet som laddar den inställda kretsen högre, därför är kretsen Q större och IF-bandbredden reduceras, vilket förbättrar selektiviteten och känsligheten. Transformatormatchning kopplar den förstärkta signalen till dioden.

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

Autotransformatormatchning som används i en transistoreffektförstärkare, den matchar transistorns 12 Ω utgångsimpedans till 75 Ω-antennen. C55 är ansluten parallellt med den höga impedansänden på autotransformatorn bildar en resonanskrets som filtrerar bort övertoner.