Verificação de impedância de porta de RF

Sua tarefa

No mundo da RF, existem dois valores padrão para a impedância característica de componentes com um fio:

50 Ω e 75 Ω. A maioria dos cabos, conectores e componentes de RF são compatíveis com um destes dois valores. 75 Ω é um valor frequentemente encontrado em aplicações de TV (a cabo), já que este está próximo a 77 Ω, que é o ponto de atenuação mínima de RF. 50 Ω é um compromisso entre alta capacidade de transmissão de energia (30 Ω) e baixa atenuação. É importante, porém, que todos os componentes tenham o mesmo valor de impedância.

Atingir a máxima transmissão de energia

De acordo com o teorema de transferência de energia, o componente chave para atingir a máxima transferência de energia é igualar a impedância de origem Z₀ e a impedância de carga Z_L. No caso de adaptação de impedâncias, Z_L se igual a Z₀.

Redução da reflexão de potência de RF

O efeito da adaptação de impedâncias de portas pode ser expresso em três parâmetros diferentes:

1. Coeficiente de reflexão

A porcentagem da onda refletida em relação à onda incidente é designada por Γ:

Uma correspondência perfeita entre fonte e carga corresponde a Γ = 0, reflexão total corresponde a |Γ| = 1.

2. Relação de ondas estacionárias de tensão (VSWR)

Alternativamente, a reflexão pode ser vista do ponto de vista da relação de ondas estacionárias de tensão (VSWR):

O VSWR é uma medida da eficiência da transmissão de energia. VSWR = 1 indica transmissão ótima de energia sem reflexão, valores mais altos indicam espaço para melhorias na adaptação de impedâncias. Energia mais refletida significa menos energia transmitida, o que leva ao consumo de energia desnecessário da bateria. Isso também pode danificar sua fonte de sinal.

3. Perda de retorno

A reflexão também pode ser expressa em perda de retorno:

É uma medida de como as portas são bem ajustadas. É desejável uma alta perda de retorno. É a representação preferida em relação à VSWR devido à melhor resolução das características de boa combinação.

Você pode visualizar a medição de uma adaptação de impedâncias de carga com o gráfico Smith. Esta é uma ferramente excelente e comprovada para a visualização de características de adaptação de impedâncias. Ela mostra graficamente a impedância da parte resistiva (círculos de resistência) e a reativa (círculos de reatância), sendo a metade superior de natureza indutiva e a metade inferior de natureza capacitiva. Cada ponto do gráfico identifica a impedância associada a uma determinada frequência. Esses valores são representados pelo número complexo Z = R ± jX. Sua parte resistiva é indicada pelo termo real R e sua parte reativa pelo termo imaginário.

Para um gráfico Smith tradicional, a resistência sobe de 0 (lado esquerdo do gráfico) para infinito (lado direito do gráfico). A metade superior do gráfico mostra valores positivos de jX, designando assim um comportamento indutivo da impedância, enquanto na metade inferior do gráfico esses valores são negativos e o comportamento é capacitivo. Observe que o gráfico Smith está normalizado para a impedância de referência (50 Ω ou 75 Ω), dependendo do equipamento utilizado.

A solução da Rohde & Schwarz

Uma maneira simples de alcançar boas características de impedância é selecionando os componentes adequados e verificando por medição. Esta medição é mais fácil de fazer usando um analisador de redes vetoriais (VNA) com exibição de um gráfico Smith. O R&S®FPC1500 oferece três vezes o valor. Não é apenas um grande analisador de espectro econômico, com uma fonte de sinal independente. É também um analisador de redes vetoriais de uma porta com ponte VSWR integrada. E as funções integradas de exibição de gráficos Smith e marcador convertem automaticamente a impedância normalizada para Ohms com base no sistema de impedância selecionado.

A calibração no plano de medição, ou seja, na interface entre a localização da rede de acoplamento e os cabos do analisador de redes, é um passo extremamente importante para compensar os efeitos dos cabos e conectores. A calibração manual é propensa a erros e demorada quando os padrões de carga aberta e curta são alternados manualmente. A unidade de calibração R&S®ZN-Z103 automatiza a troca dos padrões. Isto ajuda a reduzir o erro de conexão e reduz o tempo de calibração para alguns segundos.

Primeiro, definir as condições de medição (faixa de frequências desejada, resolução de largura de banda e número de pontos de medição). Em seguida, conectar a R&S®ZN-Z103 à porta USB do R&S®FPC1500. O instrumento reconhece automaticamente a unidade de calibração. Em seguida, conectar uma ponta do cabo coaxial à porta de saída do R&S®FPC1500 e a outra ponta à unidade de calibração. Pressionar "Calibrar → 1-porta completa". O instrumento está agora calibrado e pronto para examinar o dispositivo em teste.

Abaixo estão as capturas de tela mostrando exemplos de resultados em VSWR, perda de retorno e um gráfico Smith dentro da banda ISM de 2,4 GHz:

Resumo

A verificação das portas de RF é um componente chave para minimizar a energia perdida ou refletida e maximizar a vida útil da bateria. Ela também evita o sobreaquecimento ou danos permanentes aos componentes. R&S®FPC1500 é uma ótima ferramenta, fácil de usar e econômica para este tipo de verificação.