Latest News

הקטנה עד למינימום של אי תיאום עכבות בעזרת מנחתים קבועים

מנחתים קבועים הם התקנים יקרי ערך שפותרים בעיות למתכננים ברמת המעגל ולמתכננים ברמת המערכת. בנוסף לשליטה על רמות המשרעת (אמפליטודה), מנחתים קבועים יכולים לשפר את תיאום העכבות בין התקנים שיש להם רגישות לעכבה (אימפדאנס), כגון מגברים ומסננים ולספק את הבידוד הנדרש לייצוב מתנדים.
לרוע המזל, לא כל רכיבי ת”ר (RF) וקווי התמסורת נוצרים שווים. על אף שרוב הרכיבים מוגדרים באופן נומינלי כבעלי עכבה של 50 אוהם (ובמקרה של מערכות טלוויזיה בכבלים או מערכות CATV, העכבה היא 75 אוהם), העכבות שלהם מורכבות מחלקים מרוכבים, היגביים (ריאקטיביים), שיכולים לגדול ולקטון בתנאים שונים של מופעים (פאזה). בתנאים אידיאליים, כאשר העומס נמצא בתיאום מושלם עם המקור, ההספק המרבי הזמין מאותו מקור מועבר לעומס. בתנאים אידיאליים אלו, אין החזרות ומקדם ההחזרה הוא אפס. אבל כאשר תנאי הפעולה הם פחות מאידיאליים (כמו בכל היישומים של העולם הממשי), לא כל ההספק מהמקור נקלט על ידי העומס; ההספק שנותר מוחזר אל המקור. כאשר העומס הוא מעגל פתוח או מקוצר, כל ההספק מוחזר אל המקור והמתח המוחזר זהה למתח המועבר כשהתוצאה היא מקדם החזרה שווה לאחד. במושגים פשוטים, כאשר עכבת העומס של ההתקן שונה מהעכבה האופיינית של מערכת או של התקן אחר, המתח בין שתי היחידות יתנודד.
את מקדם ההחזרה אפשר לבטא במונחים של עכבת העומס והעכבה האופיינית בביטוי:

ρ= (Zload– Z0)/(Zload+ Z0)

את היחס בין מתח השיא לבין המתח המזערי, הידוע כיחס המתח של גלים עומדים (יג”ע – VSWR) אפשר לבטא במונחים של עכבת העומס והעכבה האופיינית בביטוי הבא:

VSWR = [1 + |(Zload– Z0)/(Zload+ Z0)|]/[1 – |(Zload– Z0)/(Zload+ Z0)|]

היג”ע הוא ספרת גורם האיכות (figure of merit) של תיאום העכבות (או של חוסר התיאום). במנחת, היג”ע הוא מידת הסטייה מ-50 אוהם או מ-75 אוהם בעכבות של הכניסה והיציאה של הרכיב. תיאום מושלם מיוצג על ידי יג”ע של 1.0:1 בזמן שחוסר תיאום במקרה הגרוע ביותר מיוצג על ידי יג”ע של אינסוף – . יג”ע, שהוא גבוה יותר במעט מ-1.0:1 מייצג חוסר תיאום קל מהתיאום האידיאלי, והוא בדרך כלל היעד שאליו שואפים בהוספת מנחתים לתכנון עם רכיבים מרובים או למערכת בדיקה.

טבלה 1. ההשפעות שיש למצבי חוסר תיאום עכבות על ערך היג"ע המרבי * טבלה 1 נוצרה בעזרת תוכנה שימושית מבוססת Windows בשם VSWR Calculator, שפרטיה מצוינים על ידי המחבר סטיב האגמן [Steve Hageman] מחברת Agilent Technologies (שבסנטה רוסה, קליפורניה) במאמרו שעוסק בתוכנית לחיזוי ערכי חוסר הוודאות בת"ר של חוסר תיאום יג"ע (Program predicts VSWR-mismatch RF uncertainties), שהופיע בגיליון 1 בפברואר 2001 של EDN.

טבלה 1. ההשפעות שיש למצבי חוסר תיאום עכבות על ערך היג”ע המרבי
* טבלה 1 נוצרה בעזרת תוכנה שימושית מבוססת Windows בשם VSWR Calculator, שפרטיה מצוינים על ידי המחבר סטיב האגמן [Steve Hageman] מחברת Agilent Technologies (שבסנטה רוסה, קליפורניה) במאמרו שעוסק בתוכנית לחיזוי ערכי חוסר הוודאות בת”ר של חוסר תיאום יג”ע
(Program predicts VSWR-mismatch RF uncertainties), שהופיע בגיליון 1 בפברואר 2001 של EDN.

מנחת קבוע יכול לעזור בהקטנת היג”ע של רכיבים משורשרים (מסודרים בקסקדה), על ידי כך שהוא מספק בידוד בין עכבות, ובאופן מעשי ממסך את חוסר התיאום בין העכבות. חשוב לציין שבמקרה של מקלט, מנחת ימלא גם תפקיד בספרת הרעש של המערכת, מאחר שאפשר להתייחס אל ערך ההנחתה של היחידה כספרת הרעש שלה. לדוגמה, מנחת קבוע של 3dB שנוסף לפני מגבר בעל רעש נמוך (LNA) בחלק הקדמי של מקלט, למעשה יקבע את ספרת הרעש של המקלט לערך מזערי של 3dB. עם זאת, ההשפעות המשורשרות של ספרות הרעש וההפסדים של הרכיבים בהמשך לאותו המנחת, לרבות מגבר LNA, יגדילו את ספרת הרעש באופן משמעותי מעבר ל-3dB.
באופן דומה, שימוש במנחתים במערכת בדיקה, למשל עם נתח ספקטרום, ישפיע על הטווח הדינמי של מערכת הבדיקה. מאחר שהטווח הדינמי בעיקרו הוא ההפרש בין האות ברמה הגבוהה ביותר לבין האות המזערי שבו אפשר להבחין, הטווח הדינמי יקטן במידה השווה לסך כל ההנחתה שנוספה.
במערכי בדיקה, גם מנחתים בערך המזערי, כמו למשל יחידות של 1dB, יכולים לעזור בהקטנה למינימום של שגיאות חוסר תיאום. הבחירה במנחת תלויה ברגישות של ציוד המדידה, בסוג ההתקן שבבדיקה (DUT), וברמת האות המרבית המותרת בכניסות ציוד הבדיקה. אם בבדיקה נמצא התקן אקטיבי, כמו למשל מגבר, עם רמת מוצא מוגדרת של +27dBm, אבל ההגדרה של רמת הכניסה של נתח הספקטרום היא +25dBm, מנחת של 5dB יספק את ההגנה המתאימה לנתח, ובמקביל גם ישמש להקטנת אי הוודאות בחוסר התיאום עד למינימום. מובן שבהתבסס על השטיחות (flatness) בהנחתה של ההתקן, ייתכן שאפשר יהיה להגדיר מנחת בעל ערך נמוך יותר, בתנאי שהשינויים בהנחתה שלו (שטיחות ההנחתה) יימצאו בגבולות המתאימים. במקרה זה, מנחת של 4dB עם שטיחות הנחתה טובה יותר מ-(שמשמעותה היא שההנחתה שלו נמצאת בטווח שבין 3dB לבין 5dB) עדיין יספק הגנה מתאימה עבור ערבל הכניסה של נתח הספקטרום.
כמה סדרות של מנחתים קבועים בהתקנה משטחית (SMT) או קואקסיאליים זמינות מאת Mini-Circuits עם ערכי הנחתה מ-1 עד 40dB ועבור תדירויות ממתח ישר עד 40GHz. מנחתים אלו קיימים עבור מערכות של 50 אוהם וגם של 75 אוהם, עם שטיחות הנחתה של בטווח החל מ- ±0.2dB עבור מנחתים בערכים נמוכים עד הערך הצנוע למדי של ±0.6dB עבור מנחתים של 40dB. ערכי היג”ע המזעריים והמרביים נתונים עבור כל היחידות על מנת לאפשר את חיזוי ההשפעות של מנחת מסוים (מעבר להנחתה הבסיסית של האותות) במערכות תקשורת או במערכות בדיקה.
בעת ניסיון לקבוע את היג”ע הכולל שנוצר על ידי חיבור של שני רכיבים, בדרך כלל, די בטוח להניח ששני ערכי יג”ע יוכפלו זה בזה, ולא שהם יתווספו זה לזה. לדוגמה, בעת חיבור רכיב עם יג”ע של 3.0:1 עם רכיב אחר של יג”ע של 1.50:1, תוצאת היג”ע המרבי תהיה 4.50:1 עם הפסדי החזרה של 3.93dB. כתוצאה מכך, אפשר להקטין עד למינימום את ההשפעות של חוסר תיאום העכבות על ידי בחירה במנחת עם ערך היג”ע הנמוך ביותר האפשרי. בטבלה 1, שמופיעה בהמשך, מוצגות ההשפעות של שילוב שני רכיבים במונחים של ערך היג”ע המרבי שלהם ושל הפסדי ההחזרה שלהם. בתנאים אידיאליים, שבהם שני ערכי היג”ע הם 1.0:1 ואין החזרות, מתקבלים הפסדי החזרה אינסופיים. ואולם, ככל שיגדל ערך היג”ע של כל רכיב, יגדל ערך היג”ע המרבי כמכפלה של שני ערכי היג”ע הנפרדים.

Aharon Sagiv, Mini-Circuits

תגובות סגורות