Verifica dell'adattamento di impedenza delle porte RF

Porte RF ben adattate sono un aspetto cruciale per qualsiasi sistema RF. Le porte adattate, ad esempio, proteggono le porte di uscita dell'amplificatore dal sovraccarico di potenza riflessa. Questa indesiderata potenza riflessa potrebbe distruggere l'intero amplificatore. Le porte adattate massimizzano anche la trasmissione di potenza, allungando la durata della batteria dei prodotti wireless come quelli realizzati per Internet delle cose (IoT).

Attività da eseguire

Nel mondo RF esistono due valori standard per l'impedenza caratteristica dei componenti single-ended:

50 Ω e 75 Ω. La maggior parte dei cavi, connettori e componenti RF sono adattati a uno di questi due valori di impedenza. 75 Ω è un valore che si trova frequentemente nelle applicazioni TV (via cavo) poiché è vicino a 77 Ω, che è il punto di minima attenuazione RF. 50 Ω è un compromesso tra la capacità di trasmissione di alta potenza (30 Ω) e la bassa attenuazione. È comunque importante che tutti i componenti siano adattati allo stesso valore di impedenza.

Adattamento di impedenza (ZL = Z0)
Adattamento di impedenza
Ingrandisci immagine

Raggiungere la massima trasmissione di potenza

Secondo il teorema del trasferimento di potenza, il componente chiave per ottenere il massimo trasferimento di potenza è quello di adattare l'impedenza della sorgente Z0 con l'impedenza del carico ZL. Nel caso di impedenza adattata, ZL è uguale a Z0.

Riduzione della riflessione della potenza RF

L'effetto dell'adattamento delle porte può essere espresso con tre diversi parametri:

1. Coefficiente di riflessione

La percentuale dell'onda riflessa rispetto all'onda incidente è indicata da Γ:

Coefficiente di riflessione

Un perfetto adattamento tra sorgente e carico corrisponde a Γ = 0, la riflessione completa corrisponde a |Γ| = 1.

2. Rapporto di onde stazionarie (ROS o VSWR)

In alternativa, la riflessione può essere osservata dal punto di vista del Rapporto di onde stazionarie (ROS):

Rapporto di onde stazionarie (ROS)

Il ROS è una misura dell'efficienza della trasmissione di potenza. ROS = 1 indica una trasmissione di potenza ottimale senza riflessione, valori più alti indicano spazio per miglioramenti dell'adattamento di impedenza. Più potenza riflessa significa meno potenza trasmessa, il che porta a un inutile consumo di energia della batteria. Può anche danneggiare la sorgente del segnale.

3. Perdita di ritorno

La riflessione può essere espressa anche come perdita di ritorno:

Perdita di ritorno
Cerchi di reattanza
Cerchi di reattanza
Ingrandisci immagine

È una misura di come le porte sono ben adattate. È auspicabile un'elevata perdita di ritorno. È la rappresentazione preferita rispetto al ROS grazie alla migliore risoluzione delle caratteristiche di buon adattamento.

È possibile visualizzare la misura di un carico adattato con la carta di Smith. Si tratta di uno strumento eccellente e collaudato per la visualizzazione delle caratteristiche di adattamento di impedenza. Mostra graficamente la parte resistiva dell'impedenza (cerchi di resistenza) e la parte reattiva (cerchi di reattanza), con la metà superiore di natura induttiva e la metà inferiore di natura capacitiva. Ogni punto del grafico identifica l'impedenza associata a una data frequenza. Questi valori sono rappresentati dal numero complesso Z = R ± jX. La sua parte resistiva è indicata dal termine reale R e la sua parte reattiva dal termine immaginario.

Cerchi di resistenza
Cerchi di resistenza
Ingrandisci immagine

In un carta di Smith tradizionale, la resistenza passa da 0 (lato più a sinistra del grafico) all'infinito (lato più a destra del grafico). La metà superiore del grafico mostra valori positivi di jX, designando così un comportamento induttivo dell'impedenza, mentre nella metà inferiore del grafico questi valori sono negativi e il comportamento è capacitivo. Si noti che la carta di Smith è normalizzata all'impedenza di riferimento (50 Ω o 75 Ω) a seconda dell'apparecchiatura utilizzata.

Soluzione Rohde & Schwarz

Un modo semplice per ottenere un buon adattamento di impedenza è la selezione di componenti adeguati e la verifica mediante misurazione. Questa misura è più facile da effettuare utilizzando un analizzatore di reti vettoriale (VNA) con una visualizzazione della carta di Smith. L'analizzatore R&S®FPC1500 offre un valore tre volte superiore. Non è solo un analizzatore di spettro eccellente ed economico con una sorgente di segnale indipendente. È anche un analizzatore di reti vettoriale a una porta con ponte ROS integrato. E le funzioni integrate del marcatore e della carta di Smith convertono automaticamente l'impedenza normalizzata in Ohm in base al sistema di impedenza selezionato.

La calibrazione sul piano di misura, cioè l'interfaccia fra la posizione della rete di accoppiamento e i cavi dell'analizzatore di rete, è un passo estremamente importante per compensare gli effetti dei cavi e dei connettori. La calibrazione manuale è soggetta a errori e richiede molto tempo quando gli standard di carico in aperto-in corto sono attivati manualmente. L'unità di calibrazione R&S®ZN-Z103 automatizza la commutazione degli standard. Ciò contribuisce a ridurre l'errore di connessione e riduce il tempo di calibrazione a pochi secondi.

Per prima cosa, impostare le condizioni di misura (campo di frequenza desiderato, larghezza di banda di risoluzione e numero di punti di misura). Quindi collegare il kit R&S®ZN-Z103 alla porta USB di R&S®FPC1500. Lo strumento riconosce automaticamente l'unità di calibrazione. Successivamente, collegare un'estremità del cavo coassiale alla porta di uscita dell'analizzatore R&S®FPC1500 e l'altra estremità all'unità di calibrazione. Premere "Calibrate → Full 1-port” (Calibra - 1 porta completa). Lo strumento è ora calibrato e pronto per esaminare il DUT.

Di seguito sono riportate schermate che mostrano esempi di risultati in termini di ROS (VSWR), perdita di ritorno e una carta di Smith all'interno della banda ISM a 2,4 GHz:

esempi dei risultati di misura del ROS
Mentre un ROS = 1 non è realizzabile nella realtà, un valore di circa 1,6 è accettabile. Come regola generale, il ROS dovrebbe essere < 1,5.
Esempi dei risultati di misura del ROS
Con il calcolo manuale o con la semplice pressione di un pulsante, la perdita di ritorno è di circa 12 dB.
Impedenza riportata sulla carta di Smith
Impedenza riportata sulla carta di Smith
Porta di misura FPC1500 su dispositivo RF
Porta di misura R&S®FPC1500 su dispositivo RF
Ingrandisci immagine

Riassunto

La verifica dell'adattamento delle porte RF è un elemento chiave per ridurre al minimo la potenza perduta o riflessa e massimizzare la durata della batteria. Inoltre impedisce che i componenti si surriscaldino o vengano danneggiati in modo permanente. L'analizzatore R&S®FPC1500 è un ottimo strumento, facile da usare e conveniente per effettuare questo tipo di verifica.

Soluzioni correlate