Kalēju diagrammu pamati un kā to izmantot pretestības pielāgošanai

RF inženierija ir viena no interesantākajām un izaicinošākajām elektrotehnikas daļām, jo ​​tā ir ļoti sarežģīta murgainos uzdevumos, piemēram, savstarpēji savienoto bloku pretestības pielāgošana, kas saistīta ar RF risinājumu praktisku ieviešanu. Mūsdienu laikmetā ar dažādiem programmatūras rīkiem viss ir nedaudz vieglāk, taču, ja jūs atgriezīsities periodos pirms datori kļuva tik spēcīgi, jūs sapratīsit, cik sarežģītas lietas bija. Šodienas apmācībai mēs aplūkosim vienu no toreiz izstrādātajiem rīkiem, ko inženieris joprojām izmanto RF dizaina izstrādājumos, skatiet Smita diagrammu. Mēs izpētīsim kalēja diagrammas veidus, to uzbūvi un to, kā izprast tajā glabātos datus.

Kas ir Smita diagramma?

Smita diagramma, kas nosaukta pēc tā izgudrotāja Filipa Smita, kas izstrādāta 1940. gados, būtībā ir patvaļīgas pretestības kompleksa atstarošanas koeficienta polārs.

Sākotnēji tas tika izstrādāts, lai to izmantotu sarežģītu matemātikas problēmu risināšanai ap pārvades līnijām un atbilstošām shēmām, kas tagad ir aizstāta ar datoru programmatūru. Tomēr Smita diagrammu datu attēlošanas metodei gadu gaitā ir izdevies saglabāt savu izvēli, un tā joprojām ir izvēlētā metode, lai parādītu, kā RF parametri izturas vienā vai vairākās frekvencēs, alternatīva ir informācijas tabulēšana.

Smita diagrammu var izmantot, lai parādītu vairākus parametrus, tostarp; vienlaikus gan impedances, gan uzņemšanas, atstarošanas koeficienti, izkliedes parametri, trokšņa skaitļa apļi, nemainīgas pastiprināšanas kontūras un reģioni beznosacījumu stabilitātei, gan mehānisko vibrāciju analīze. Rezultātā lielākā daļa RF analīzes programmatūras un vienkāršo pretestības mērinstrumentu displeja opcijās iekļauj kalēja diagrammas, kas padara to par nozīmīgu tēmu RF inženieriem.

Smita diagrammu veidi

Smita diagramma ir attēlota uz sarežģītās atstarošanas koeficienta plaknes divās dimensijās un tiek mērogota normalizētā pretestībā (visbiežāk), normalizētā uzņemšanā vai abos, izmantojot atšķirīgas krāsas, lai tās atšķirtu, un kalpojot kā līdzeklis to kategorizēšanai dažādos veidos. Pamatojoties uz šo mērogošanu, kalēja diagrammas var iedalīt trīs dažādos veidos;

1. Impedances Smita diagramma (Z diagrammas)
2. Uzņemšanas Smita diagramma (YCharts)
3. Imitances Smita diagramma. (YZ diagrammas)

Kaut arī impedances kalēju diagrammas ir vispopulārākās un pārējās reti tiek pieminētas, tām visām ir savas “lielvaras”, un tās var būt ļoti noderīgas, ja tās lieto savstarpēji. Viņiem pāriet vienu pēc otra;

1. Impedances Smita diagramma

Impedances kalēja diagrammas parasti sauc par parastajām kalēju diagrammām, jo ​​tās ir saistītas ar pretestību un ļoti labi darbojas ar slodzēm, kas sastāv no sērijas komponentiem, kas parasti ir galvenie pretestības pielāgošanas un citu saistīto RF inženiertehnisko uzdevumu elementi. Tie ir vispopulārākie, un visas atsauces uz kalēju diagrammām parasti norāda uz tām, un citi tiek uzskatīti par atvasinājumiem. Zemāk redzamajā attēlā parādīta impedances kalēja diagramma.

Šodienas raksts tiks koncentrēts uz viņiem, tāpēc, turpinot rakstu, tiks sniegta sīkāka informācija.

2. Uzņemšanas Smita diagramma

Impedances diagramma ir lieliska, ja tiek galā ar slodzi virknē, jo viss, kas jums jādara, ir vienkārši pieskaitīt pretestību uz augšu, bet matemātika kļūst patiešām grūts, strādājot ar paralēliem komponentiem (paralēliem induktoriem, kondensatoriem vai šunta pārvades līnijām). Lai atļautu to pašu vienkāršību, tika izstrādāta uzņemšanas diagramma. No elektrības pamatklasēm jūs atceraties, ka uzņemšana ir pretestība impedancijai kā tādai, uzņemšanas diagrammai ir jēga sarežģītajai paralēlajai situācijai, jo viss, kas jums jādara, ir pārbaudīt nevis antenas pretestību, bet gan antenas uzņemšanu un vienkārši pievienot tos uz augšu. Zemāk parādīts vienādojums, lai noteiktu saikni starp uzņemšanu un pretestību.

Y _L = 1 / Z _L = C + iS… (1)

Kur YL ir slodzes uzņemšana, ZL ir pretestība, C ir reālā uzņemšanas daļa, kas pazīstama kā vadītspēja, un S ir iedomātā daļa, kas pazīstama kā Susceptance. Patiesi viņu attiecībām, kuras aprakstītas iepriekšminētajās attiecībās, uzņemšanas kalēja diagrammai ir apgriezta orientācija pret impedances kalēja diagrammu.

Zemāk redzamajā attēlā redzama uzņemšanas Smita diagramma.

3. Imitances Smita diagramma

Kalēju diagrammas sarežģītība palielinās sarakstā. Kaut arī "kopējā" pretestības Smita diagramma ir ļoti noderīga, strādājot ar sērijas komponentiem, un uzņemšanas Smita diagramma ir lieliska paralēlajiem komponentiem, unikālas grūtības rodas, ja iestatīšanā ir iesaistītas gan sērijas, gan paralēlās sastāvdaļas. Lai to atrisinātu, tiek izmantota imitācijas kalēja diagramma. Tas ir burtiski efektīvs problēmas risinājums, jo tas tiek veidots, uzliekot gan pretestības, gan uzņemšanas kalēju diagrammas. Zemāk redzamajā attēlā parādīta tipiska Imitances Smita diagramma.

Tas ir tikpat noderīgi, kā apvienot gan ieejas, gan pretestības smita diagrammu iespējas. Veicot pretestības saskaņošanu, tas palīdz noteikt, kā paralēlais vai virknes komponents ietekmē impedanci ar mazāku piepūli.

Smita diagrammas pamati

Kā minēts ievadā, Smita diagrammā tiek parādīts kompleksais atstarošanas koeficients polārā formā konkrētai slodzes pretestībai. Atgriežoties pie pamata elektroenerģijas klasēm, jūs atceraties, ka pretestība ir pretestības un reaktivitātes summa un kā tāda biežāk ir komplekss skaitlis, kā rezultātā atstarošanas koeficients ir arī komplekss skaitlis, jo tas pilnībā nosaka pretestība ZL un "atsauces" pretestība Z0.

Pamatojoties uz to, atstarošanas koeficientu var iegūt ar vienādojumu;

Kur Zo ir raidītāja pretestība (vai jebkura cita, kas piegādā strāvu antenai), bet ZL ir slodzes pretestība.

Tādējādi Smita diagramma būtībā ir grafiska metode, kā parādīt antenas pretestību kā frekvences funkciju vai nu kā vienu punktu, vai punktu diapazonu.

Smita diagrammas komponenti

Tipiska kalēja diagramma ir biedējoša, aplūkojot līnijas, kas iet šeit un tur, taču kļūst vieglāk to novērtēt, kad esat sapratis, ko katra līnija apzīmē.

Impedances Smita diagramma

Smita pretestība Smita diagrammā ir divi galvenie elementi, kas ir divi apļi / loki, kas nosaka formu un datus, ko atspoguļo Smita diagramma. Šie apļi ir pazīstami kā;

1. Pastāvīgie R apļi
2. Pastāvīgie X apļi

1. Pastāvīgie R apļi

Pirmais līniju kopums, ko dēvē par nemainīgas pretestības līnijām, veido apļus, kuri visi pieskaras viens otram horizontālā diametra labajā pusē. Pastāvīgie R apļi būtībā ir tas, ko jūs saņemat, ja pretestības daļa pretestībā tiek turēta nemainīga, bet X vērtība mainās. Tādējādi visi punkti uz noteikta konstanta R apļa attēlo to pašu pretestības vērtību (fiksētā pretestība). Katra konstantā R apļa attēlotās pretestības vērtība ir atzīmēta uz horizontālās līnijas - vietā, kur aplis krustojas ar to. To parasti nosaka apļa diametrs.

Piemēram, ņemiet vērā normalizēto pretestību, ZL = R + iX, ja R bija vienāds ar vienu un X bija vienāds ar jebkuru reālu skaitli, piemēram, ZL = 1 + i0, ZL = 1 + i3 un ZL = 1 + i4, impedances diagramma kalēja diagrammā izskatīsies kā attēlā zemāk.

Atzīmējot vairākus nemainīgus R apļus, tiek iegūts attēls, kas līdzīgs zemāk redzamajam.

Tam vajadzētu dot priekšstatu par to, kā tiek ģenerēti milzu apļi kalēja diagrammā. Iekšējie un visattālākie nemainīgie R apļi attēlo kalēja diagrammas robežas. Iekšējais aplis (melns) tiek saukts par bezgalīgu pretestību, bet visattālākais - par nulles pretestību.

2. Konstantie X apļi

Konstantie X apļi ir vairāk loki nekā apļi, un tie visi pieskaras viens otram horizontālā diametra labajā malā. Tie rodas, ja pretestība ir fiksēts pretestība, bet mainīgu vērtību pretestību.

Augšējā pusē esošās līnijas attēlo pozitīvās reaktivitātes, bet apakšējās - negatīvās.

Piemēram, ņemsim vērā līkni, ko definē ZL = R + iY, ja Y = 1 un tiek turēts nemainīgs, kamēr R apzīmē reālu skaitli, mainās no 0 līdz bezgalībai ir attēlots uz iepriekš izveidotajiem nemainīgajiem R apļiem, tiek iegūts sižets, kas līdzīgs attēlā redzamajam attēlā.

Uzzīmējot vairākas ZL vērtības abām līknēm, mēs iegūstam kalēja diagrammu, kas līdzīga tai, kas parādīta zemāk esošajā attēlā.

Tādējādi pilnīgu Smita diagrammu iegūst, kad šie divi iepriekš aprakstītie apļi ir uzlikti viens otram.

Uzņemšanas Smita diagramma

Uzņemšanas Smita diagrammām ir pretējs gadījums. Uzņemšana attiecībā pret pretestību tiek dota ar iepriekšējo 1. vienādojumu kā tādu, uzņemšanu veido vadītspēja un succeptance, kas nozīmē, ka uzņemšanas smita diagrammas gadījumā mums ir pastāvīgas vadīšanas loks, nevis pastāvīgas pretestības loks. un nevis pastāvīga reaktīvas apli, mums ir Constant Succeptance apli.

Ņemiet vērā, ka uzņemšanas Smita diagramma joprojām attēlos atstarošanas koeficientu, bet grafika virziens un atrašanās vieta būs pretēja Impedances kalēja diagrammai, kā matemātiski noteikts zemāk esošajā vienādojumā

…… (3)

Lai to labāk izskaidrotu, ņemsim vērā normalizēto uzņemšanu Yl = G + i * SG = 4 (nemainīgs), un S ir jebkurš reāls skaitlis. Izveidojot kalēja nemainīgas vadītspējas diagrammu, izmantojot 3. vienādojumu, lai iegūtu atstarošanas koeficientu un uzzīmētu dažādas S vērtības, mēs iegūstam zemāk redzamo kalēja diagrammu.

Tas pats attiecas arī uz Pastāvīgās pieņemšanas līkni. Ja mainīgais S = 4 (nemainīgs) un G ir reāls skaitlis, uz nemainīgas vadītspējas līknes uzliktā nemainīgās uztveres līknes (sarkanā) diagramma izskatīsies kā zemāk redzamais attēls.

Tādējādi Admitances Smita diagramma būs apgrieztā pretestība smēdu diagrammai Impedance.

Smita diagrammā ir arī apkārtmērs mērogošana viļņu garumos un grādos. Viļņa garuma skalu izmanto sadalītu komponentu problēmās, un tā attēlo attālumu, kas izmērīts pa pārvades līniju, kas savienota starp ģeneratoru vai avotu, un slodzi līdz apskatāmajam punktam. Grādu skala apzīmē sprieguma atstarošanas koeficienta leņķi šajā punktā.

Smita diagrammu pielietojums

Smita diagrammas atrod lietojumus visās RF inženierijas jomās. Dažas no populārākajām lietojumprogrammām ietver;

• Jebkuras pārvades līnijas, jebkuras slodzes pretestības aprēķini.
• Pieļaujamības aprēķini jebkurai elektropārvades līnijai un jebkurai slodzei.
• Īssavienota elektropārvades līnijas gabala garuma aprēķins, lai nodrošinātu nepieciešamo kapacitatīvo vai induktīvo reaktivitāti.
• Impedances saskaņošana.
• VSWR noteikšana citu starpā.

Kā izmantot Smita diagrammas pretestības pielāgošanai

Lai izmantotu Smita diagrammu un interpretētu no tās iegūtos rezultātus, ir nepieciešama laba izpratne par maiņstrāvas ķēžu un pārvades līniju teorijām, kuras abas ir dabiskas priekšnoteikumi RF inženierijai. Kā piemēru tam, kā tiek izmantotas kalēju diagrammas, aplūkosim vienu no populārākajiem lietošanas gadījumiem, kas ir antenu un pārvades līniju pretestības pielāgošana.

Risinot problēmas, kas saistītas ar saskaņošanu, kalēja diagramma tiek izmantota, lai noteiktu tā komponenta (kondensatora vai induktora) vērtību, kas jāizmanto, lai nodrošinātu, ka līnija ir pilnīgi saskaņota, tas ir, nodrošinot atstarošanas koeficienta nulli.

Piemēram, pieņemsim, ka pretestība ir Z = 0,5 - 0,6j. Pirmais uzdevums būs atrast smēdeļa diagrammā 0,5 nemainīgas pretestības apli. Tā kā pretestībai ir negatīva kompleksa vērtība, kas nozīmē kapacitatīvo pretestību, jums būs jāpārvietojas pretēji pulksteņrādītāja virzienam pa 0,5 pretestības apli, lai atrastu punktu, kur tas sasniedz -0,6 nemainīgās reaktivitātes loka (ja tā būtu pozitīva kompleksa vērtība, tā būtu induktors, un jūs pārvietotos pulksteņrādītāja kustības virzienā). Tad tas dod priekšstatu par to komponentu vērtību, kas jāizmanto, lai slodzi saskaņotu ar līniju.

Normalizēta mērogošana ļauj Smita diagrammu izmantot problēmām, kas saistītas ar jebkuru raksturlielumu vai sistēmas pretestību, ko attēlo diagrammas centrs. Impedances kalēju diagrammās visbiežāk izmantotā normalizācijas pretestība ir 50 omi, un tas atver diagrammu, padarot impedances izsekošanu vieglāku. Kad atbilde ir iegūta, izmantojot iepriekš aprakstītās grafiskās konstrukcijas, ir vienkārši pārveidot starp normalizēto pretestību (vai normalizēto uzņemšanu) un atbilstošo nenormalizēto vērtību, reizinot ar raksturīgo pretestību (uzņemšanu). Pārdomu koeficientus var nolasīt tieši no diagrammas, jo tie ir parametri bez vienībām.

Arī pretestību un uzņemšanas vērtība mainās atkarībā no biežuma, un ar tām saistīto problēmu sarežģītība palielinās. Smita diagrammas tomēr var izmantot, lai atrisinātu šīs problēmas, vienu frekvenci vienlaikus vai vairākās frekvencēs.

Risinot problēmu manuāli ar vienu frekvenci vienlaikus, rezultātu parasti attēlo punkts diagrammā. Kaut arī dažreiz tie ir “pietiekami” šauras joslas platuma lietojumprogrammām, parasti ir sarežģīta pieeja lietošanai ar platjoslas platumu, kas ietver vairākas frekvences. Tā kalēja diagramma tiek lietota plašā frekvenču diapazonā, un rezultāts tiek attēlots kā Lokuss (savieno vairākus punktus), nevis vienu punktu, ja frekvences ir tuvu.

Šos punktu lokus, kas aptver smēka diagrammas frekvenču diapazonu, var izmantot, lai vizuāli attēlotu:

1. Cik kapacitīva vai induktīva ir slodze pārbaudītajā frekvenču diapazonā
2. Cik grūti saskaņošana, iespējams, būs dažādās frekvencēs
3. Cik labi saskaņots ir konkrētais komponents.

Smita diagrammas precizitāte ir samazināta problēmām, kas saistītas ar lielu pretestību vai pielaižu lokalizāciju, lai gan mērogošanu var palielināt atsevišķām zonām, lai tās pielāgotu.

Smita diagrammu var izmantot arī vienotu elementu saskaņošanas un analīzes problēmām.