Liệu kết hợp trở kháng có ngụ ý bất kỳ máy phát RF thực tế nào phải lãng phí> = 50% năng lượng không?

Theo định lý truyền công suất tối đa, khi đưa ra trở kháng nguồn cố định, trở kháng tải phải được chọn để phù hợp với trở kháng nguồn để đạt được mức truyền công suất tối đa.

Mặt khác, nếu trở kháng nguồn không nằm ngoài tầm với của các nhà thiết kế, thay vì kết hợp tải với trở kháng nguồn, thì trở kháng nguồn có thể được giảm thiểu để đạt được hiệu quả tối đa và truyền năng lượng, đó là một cách phổ biến trong các bộ nguồn và bộ khuếch đại tần số âm thanh.

Tuy nhiên, trong các mạch RF, để tránh các vấn đề toàn vẹn tín hiệu, mất phản xạ và làm hỏng bộ khuếch đại RF công suất cao do phản xạ, phải sử dụng kết hợp trở kháng để phù hợp với tất cả trở kháng nguồn, trở kháng tải và cả trở kháng đặc tính của đường truyền, và cuối cùng là ăng ten.

Nếu sự hiểu biết của tôi là chính xác, một nguồn và tải phù hợp (ví dụ: đầu ra bộ khuếch đại RF và ăng ten), tạo thành một bộ chia điện áp, mỗi bộ nhận một nửa điện áp. Với tổng trở kháng cố định, điều đó có nghĩa là luôn có 50% năng lượng bị lãng phí khi đốt và đốt nóng bộ phát RF.

Vì vậy, có đúng không khi nói kết hợp trở kháng ngụ ý hiệu quả của bất kỳ máy phát RF thực tế nào có thể lớn hơn 50%? Và bất kỳ máy phát RF thực tế nào cũng phải lãng phí ít nhất 50% năng lượng?

Nếu nguồn điện của bạn là nguồn điện áp đầu ra 0 ohm, tiếp theo là điện trở 50 ohm, thì có, điều bạn nghĩ là chính xác.

Tuy nhiên, các bộ khuếch đại RF thực tế (ít nhất là các bộ khuếch đại được thiết kế để hoạt động hiệu quả) không bao giờ được chế tạo như vậy. Chúng có xu hướng có bộ phát chung hoặc nguồn phát trở kháng thấp, sau đó là kết hợp trở kháng phản kháng, tất cả được thiết kế để hoạt động thành 50 ohms.

Điều thú vị là, nếu bạn mua một máy phát tín hiệu mục đích chung, sản lượng được thường được xây dựng như một nguồn điện áp theo sau với một thực điện trở 50 ohm, như hiệu quả không phải là một vấn đề, và có một trở kháng đầu ra được xác định một cách chính xác hơn một dải tần rất rộng là mục tiêu thiết kế chính.

Các bộ khuếch đại RF nói chung KHÔNG có trở kháng đầu ra từ xa gần 50R ..... Tuy nhiên, chúng được thiết kế để truyền tải 50R!

Giống như các bộ khuếch đại âm thanh, trở kháng nguồn nói chung khác xa trở kháng tải thiết kế, bởi vì bạn KHÔNG muốn truyền công suất tối đa, bạn muốn một cái gì đó gần hơn với hiệu quả tối đa!

Tùy thuộc vào cấu trúc liên kết, những thứ gần đúng với nguồn điện áp (Trở kháng đầu ra thấp) hoặc nguồn hiện tại (Trở kháng đầu ra cao).

Nếu bạn nghĩ về một ví dụ, giai đoạn đầu ra kéo, HF, các thiết bị đang hoạt động ở một số điện áp và dòng điện được thiết kế, do đó một số 'trở kháng' (thường khá thấp), sau đó được chuyển đổi thành tiêu chuẩn 50R của ngành.

Trở kháng này được thiết kế bởi nhà thiết kế để dẫn đến một số điện áp trên tải 50R đó sẽ cung cấp bất cứ mức công suất thiết kế nào. Lưu ý rằng các thiết bị đầu ra đó có thể thuộc lớp C sâu hoặc thậm chí lớp F và hoạt động cơ bản như các công tắc tiêu tán gần nguồn điện bằng 0, nhưng tôi với tư cách là nhà thiết kế vẫn cần quyết định điện áp và dòng điện nào sẽ chọn làm điểm vận hành và từ đó biến đổi Tôi cần phải đạt được sức mạnh mục tiêu ở đầu ra.

Bây giờ rõ ràng nếu bạn cố chạy một bộ khuếch đại như vậy vào một tải cách xa 50R thì các điện áp và dòng điện mà các thiết bị điện nhìn thấy sẽ khác với nhà thiết kế, và nếu bạn đi xa thì khói sẽ bay ra.

Một điều phức tạp nữa là các bộ lọc đầu ra và (ở mức cao hơn là khả năng của một trình tuần hoàn bị chấm dứt ở đầu ra, điều này thực sự khiến cho mọi thứ trông giống như 50R nhìn lại đầu vào.

Vì vậy, có đúng không khi nói kết hợp trở kháng ngụ ý hiệu quả của bất kỳ máy phát RF thực tế nào có thể lớn hơn 50%? Và bất kỳ máy phát RF thực tế nào cũng phải lãng phí ít nhất 50% năng lượng?

Không có đó là sai. Sơ đồ trong bài viết của bạn thiếu khối xây dựng thiết yếu trong cuộc thảo luận này: chính bộ khuếch đại.

Tất cả các bộ khuếch đại có thể được mô tả theo PAE (Hiệu suất bổ sung năng lượng) của chúng.

PAE là thông số chính ở đây, vì mức tăng của bộ khuếch đại có thể sẽ rất cao. Công suất được chuyển đến AMPLFORMER bởi máy phát, khi các trở kháng được khớp, sẽ chỉ bằng 50% công suất máy phát tối đa thực sự. Nhưng nếu mức tăng đủ cao thì năng lượng bị lãng phí trong trở kháng bên trong của máy phát sẽ rất thấp so với công suất được cung cấp bởi THE AMPLFORMER cho phụ tải. Do đó, tác động trong tổng hiệu quả có thể sẽ thấp.

$\eta = P_{out}/P_{supply}$

Vì vậy, có đúng không khi nói kết hợp trở kháng ngụ ý hiệu quả của bất kỳ máy phát RF thực tế nào có thể lớn hơn 50%? Và bất kỳ máy phát RF thực tế nào cũng phải lãng phí ít nhất 50% năng lượng?

Không, nó không đúng để nói điều đó.

Điều bạn phải đảm bảo khi kết nối bộ khuếch đại với ăng-ten qua cáp (thường là dỗ) là không có sự phản xạ công suất đáng kể từ tải (ăng-ten) có thể làm hỏng bộ khuếch đại hoặc làm cho nó kém hiệu quả hơn.

Nếu trở kháng anten khớp với trở kháng đặc tính của dỗ thì bộ khuếch đại có thể điều khiển đầu cấp nguồn của dỗ mà không yêu cầu bất kỳ điện trở nguồn nào. Trở kháng nhìn thấy ở đầu được điều khiển sẽ là trở kháng ăng ten vì nó phù hợp với trở kháng đặc trưng của cáp.

Trở kháng bao gồm cả phần thực (điện trở) và phần ảo (phản ứng). Chỉ có phần thực (điện trở) làm tiêu tan sức mạnh. Về mặt lý thuyết, người ta có thể có trở kháng phản ứng thuần túy với cường độ 50 ohms và không tiêu tan bất kỳ sức mạnh nào trong đó.

Đơn vị của trở kháng là Volts trên Ampe. Khi nói về trở kháng của đường truyền, chúng ta thực sự đang nói về việc cần phải cung cấp bao nhiêu dòng điện vào đường dây để tạo ra điện áp có cường độ nhất định để truyền dọc theo đường dây. Có nghĩa là tỷ lệ của điện áp và hiện tại.

Ví dụ, cáp CAT-5 có tốc độ lan truyền khoảng 0,64 * C. Nó cũng có điện dung khoảng 15pF mỗi foot (48pF mỗi mét). Trở kháng của nó chủ yếu được xác định bởi điện dung giữa các cặp xoắn (tất nhiên có một số thành phần cảm ứng và điện trở nhỏ).

Nếu chúng ta đặt tín hiệu 1V vào một đầu của đường dây, tín hiệu sẽ lan truyền với tốc độ 192.000.000 m / s, cứ sau 1 mét tín hiệu truyền đi, nó sẽ cần phải sạc 48pF đến 1V (vì vậy 48pC).

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

1V / 9,44mA = 105,9 ohms (rất gần với trở kháng danh nghĩa 100 ohm).

Chính xác. Bộ khuếch đại "thực tế" sẽ phải phù hợp với đầu ra bao gồm đầu nối, dây cáp, ăng ten. Để cung cấp năng lượng tối đa cuối cùng cho ăng-ten,> = 50% sẽ bị lãng phí ở nơi khác.