- 임피던스 매칭이란 무엇입니까?
- 정재파 비율 – 임피던스 매칭 측정
- 임피던스 매칭 변압기
- 임피던스 매칭 변압기를 선택하는 방법
- 변압기 정합 회로-예
- 임피던스 균형을위한 자동 변압기 매칭
RF 설계 엔지니어이거나 무선 라디오와 함께 일한 사람이라면 " 임피던스 매칭 " 이라는 용어 가 두 번 이상 당신을 강타했을 것입니다. 이 용어는 전송 전력에 직접적인 영향을 미치므로 라디오 모듈의 범위에 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다. 이 기사는 기본에서 임피던스 매칭이 무엇인지 이해하는 데 도움이되며 가장 일반적인 방법 인 임피던스 매칭 트랜스포머를 사용하여 자신의 임피던스 매칭 회로를 설계하는 데 도움이됩니다. 자, 들어가 보겠습니다.
임피던스 매칭이란 무엇입니까?
요컨대 임피던스 매칭은 소스라고하는 한 단계 의 출력 임피던스가 부하라고하는 다음 단계의 입력 임피던스와 동일하다는 것을 확인합니다. 이 일치는 최대 전력 전송과 최소 손실을 허용합니다. 이 개념을 전원과 직렬로 연결된 전구로 생각하면 쉽게 이해할 수 있습니다. 첫 번째 전구는 1 단계 (예: 무선 송신기)에 대한 출력 임피던스이고 두 번째 전구는 부하 또는 즉, 두 번째 전구 (예: 안테나)의 입력 임피던스입니다. 우리는 가장 많은 전력이 부하에 전달되도록하고 싶습니다. 우리의 경우 가장 많은 전력이 공중으로 전송되어 더 멀리서 라디오 방송국을들을 수 있습니다. 이 최대 출력 임피던스가 부하보다 크면 소스에서 더 많은 전력이 손실되기 때문에 (첫 번째 전구가 더 밝게 빛납니다) 소스의 출력 임피던스가 부하의 입력 임피던스와 같을 때 전력 전송이 발생합니다.
정재파 비율 – 임피던스 매칭 측정
두 단계가 얼마나 잘 일치하는지 정의하는 데 사용되는 측정을 SWR (Standing Wave Ratio)이라고합니다. 더 작은 임피던스에 비해 더 큰 임피던스의 비율입니다. 200Ω 안테나에 50Ω 송신기는 4 개의 SWR을 제공하고, 75Ω 안테나는 NE612 믹서 (입력 임피던스는 1500Ω)에 직접 20의 SWR을 제공합니다. 완벽한 일치, 50Ω 안테나와 50Ω 수신기가 SWR 1을 제공한다고 가정 해 보겠습니다.
무선 송신기에서 1.5 미만의 SWR은 괜찮은 것으로 간주되며 SWR이 3을 초과 할 때 작동하면 전원 출력 단계 장치 (진공 튜브 또는 트랜지스터)의 과열로 인해 손상 될 수 있습니다. 수신 애플리케이션에서 높은 SWR은 손상을 일으키지 않지만 수신 신호가 불일치 및 결과적인 전력 손실로 인해 감쇠되기 때문에 수신기의 민감도를 떨어 뜨립니다.
대부분의 수신기는 어떤 형태의 입력 대역 통과 필터를 사용하기 때문에 입력 필터는 안테나를 수신기의 입력 단계에 일치 시키도록 설계 할 수 있습니다. 모든 무선 송신기에는 전력 출력 단계를 특정 임피던스 (일반적으로 50Ω)에 일치시키는 데 사용되는 출력 필터가 있습니다. 일부 송신기에는 안테나의 임피던스가 지정된 송신기의 출력 임피던스와 다른 경우 송신기를 안테나에 일치시키는 데 사용할 수있는 내장 안테나 튜너가 있습니다. 안테나 튜너가 없으면 외부 정합 회로를 사용해야합니다. 불일치로 인한 전력 손실은 계산하기 어렵 기 때문에 특수 계산기 또는 SWR 손실 테이블 이 사용됩니다. 일반적인 SWR 손실 표는 다음과 같습니다.
위의 SWR 표를 사용하여 전력 손실과 전압 손실을 계산할 수 있습니다. 부하 임피던스가 소스 임피던스보다 낮 으면 불일치로 인해 전압이 손실되고 부하 임피던스가 소스보다 높으면 전류가 손실됩니다.
4 SWR이있는 200Ω 안테나가있는 50Ω 송신기는 전력의 약 36 %를 잃게됩니다. 즉, 안테나에 50Ω 임피던스가있는 경우에 비해 36 % 적은 전력이 안테나로 전달됩니다. 손실 된 전력은 대부분 소스에서 소멸됩니다. 즉, 송신기가 100W를 제공하면 36W가 열로 추가로 소실됩니다. 50Ω 송신기가 60 % 효율적이라면 100W를 50Ω 안테나로 전송할 때 66W가 소모됩니다. 200Ω 안테나에 연결하면 추가로 36W가 소모되므로 송신기의 열로 인해 손실되는 총 전력은 102W가됩니다. 송신기에서 소모되는 전력의 증가는 안테나에서 최대 전력이 방출되지 않음을 의미 할뿐만 아니라 66W 대신 102W를 소모하기 때문에 송신기가 손상 될 위험이 있습니다.
NE612 IC의 1500Ω 입력을 공급하는 75Ω 안테나의 경우, 전력 손실이 열로 인한 것이 아니라 임피던스 매칭을 사용하여 얻을 수있는 증가 된 신호 레벨에 대해 걱정합니다. 안테나에서 13nW의 RF가 유도된다고 가정 해 보겠습니다. 75Ω 임피던스를 사용하는 13nW는 1mV를 제공합니다.이를 1500Ω 부하에 맞추고 싶습니다. 매칭 회로 이후의 출력 전압을 계산하려면 임피던스 비율 (이 경우 1500 Ω / 75 Ω = 20)을 알아야합니다. 전압비 (변압기의 권선비와 같음)는 임피던스 비율의 제곱근과 같으므로 √20≈8.7입니다. 즉, 출력 전압이 8.7 배 더 커져 8.7mV가됩니다. 매칭 회로는 변압기처럼 작동합니다.
정합 회로에 들어가는 전력과 나가는 전력이 동일하기 때문에 (손실 빼기) 출력 전류는 입력 전류보다 8.7 배 낮아 지지만 출력 전압은 더 커집니다. 높은 임피던스를 낮은 임피던스에 일치 시키면 전압은 낮아 지지만 전류는 높아집니다.
임피던스 매칭 변압기
임피던스 매칭 트랜스포머라고하는 특수 트랜스포머는 임피던스 매칭에 사용할 수 있습니다. 임피던스 매칭 장치로서 변압기 의 주요 장점 은 광대역이 있다는 것입니다. 즉, 광범위한 주파수에서 작동 할 수 있습니다. 튜브의 높은 임피던스를 스피커의 낮은 임피던스에 맞추기 위해 진공관 증폭기 회로에 사용되는 것과 같이 강판 코어를 사용하는 오디오 트랜스포머 는 20Hz ~ 20kHz의 대역폭을 가지며, 페라이트 또는 심지어 에어 코어를 사용하여 만든 RF 트랜스포머는 대역폭은 1MHz-30MHz입니다.
트랜스포머는 소스가 "보는"임피던스를 변경하는 권선비 때문에 임피던스 매칭 장치로 사용할 수 있습니다. 변압기를 완전히 처음 사용하는 경우 변압기 기사의 기본 사항을 확인할 수도 있습니다. 권선비가 1: 4 인 변압기가있는 경우 이는 1V AC가 1 차측에 적용되면 출력에 4V의 AC가 있음을 의미합니다. 출력에 4Ω 저항을 추가하면 1A의 전류가 2 차측으로 흐르고 1 차측의 전류는 2 차측 전류에 턴 비율을 곱한 값과 같습니다 (트랜스포머가 주전원과 같은 스텝 다운 유형 인 경우 나눠 짐). 변압기), 그래서 1A * 4 = 4A. 변압기가 회로에 제공하는 임피던스를 결정하기 위해 Ω의 법칙을 사용하면 1V / 4A = 0.25Ω이고 매칭 변압기 후에 4Ω 부하를 연결합니다. 임피던스 비율은 0.25Ω ~ 4Ω 또는 1:16. 이것으로도 계산할 수 있습니다.임피던스 비율 공식:
(n A / n B) ² = r i
여기서 n A 는 권선이 더 많은 권선의 1 차 권선 수이고, n B 는 권선이 더 적은 권선의 권선 수이며, r i 는 임피던스 비율입니다. 이것이 임피던스 매칭이 일어나는 방식입니다.
Ohms 법칙을 다시 사용했지만 이제 1 차측으로 흐르는 전력을 계산하기 위해 1V * 4A = 4W가되고 2 차측에서 4V * 1A = 4W가됩니다. 이것은 우리의 계산이 정확하고 변압기 및 기타 임피던스 매칭 회로 가 공급되는 것보다 더 많은 전력을 제공하지 않는다는 것을 의미합니다. 여기에는 자유 에너지가 없습니다.
임피던스 매칭 변압기를 선택하는 방법
트랜스포머 매칭 회로는 대역 통과 필터링이 필요할 때 사용할 수 있으며 사용 주파수에서 2 차 인덕턴스와 공진해야합니다. 임피던스 매칭 장치로서 변압기의 주요 매개 변수는 다음과 같습니다.
- 임피던스 비율 또는 일반적으로 언급되는 권선비 (n)
- 1 차 인덕턴스
- 2 차 인덕턴스
- 1 차 임피던스
- 2 차 임피던스
- 자기 공진 주파수
- 최소 작동 빈도
- 최대 작동 빈도
- 권선 구성
- 공극의 존재 및 최대. DC 전류
- 맥스. 힘
1 차 권선 수는 충분해야하므로 변압기의 1 차 권선은 최저 작동 주파수에서 소스의 출력 임피던스의 4 배의 리액턴스 (코일)를 갖습니다.
2 차 권선 수는 1 차 권선의 권선 수를 임피던스 비율의 제곱근으로 나눈 값과 같습니다.
우리는 또한 어떤 코어 유형과 크기를 사용할지 알아야합니다. 다른 코어는 다른 주파수에서 잘 작동하며, 그 밖의 경우에는 손실이 있습니다.
코어 크기는 코어를 통해 흐르는 전력에 따라 달라집니다. 각 코어는 손실을 나타내고 더 큰 코어는 이러한 손실을 더 잘 분산시킬 수 있으며 자기 포화 및 기타 원하지 않는 것들을 쉽게 나타내지 않을 수 있습니다.
사용 된 코어가 주 변압기와 같이 강철 적층으로 만들어진 경우 DC 전류가 변압기의 권선을 통해 흐를 때 공극이 필요합니다.
변압기 정합 회로-예
예를 들어, 수신기에서 3MHz ~ 30MHz의 주파수 범위에서 1500Ω 부하에 50Ω 소스를 일치시키는 변압기가 필요합니다. 수신기이기 때문에 변압기를 통해 매우 적은 전력이 흐르기 때문에 코어 크기가 작을 수 있으므로 먼저 필요한 코어를 알아야합니다. 이 응용 프로그램의 좋은 핵심은 FT50-75입니다. 제조업체에 따르면 광대역 변압기의 주파수 범위는 1MHz ~ 50MHz로이 애플리케이션에 충분합니다.
이제 1 차 권선을 계산해야합니다. 1 차 리액턴스가 소스 출력 임피던스보다 4 배 더 높으므로 200Ω이 필요합니다. 3MHz의 최소 작동 주파수에서 10.6uH의 인덕터는 200Ω의 리액턴스를 갖습니다. 온라인 계산기를 사용하여 10.6uH보다 약간 높은 16uH를 얻으려면 코어에 2 번의 와이어가 필요하다고 계산하지만이 경우에는 더 작은 것보다 큰 것이 좋습니다. 50Ω ~ 1500Ω은 임피던스 비율 30을 제공합니다. 권선비는 임피던스 비율의 제곱근이므로 약 5.5를 얻습니다. 따라서 각 1 차 턴에 대해 2 차측에서 1500Ω을 50Ω처럼 보이게하려면 5.5 2 차 권선이 필요합니다. 소스. 1 차에 2 턴이 있으므로 2 차에 2 * 5.5 턴, 즉 11 턴이 필요합니다. 와이어의 직경은 3A / 1mm 2를 따라야합니다. 규칙 (와이어 단면적의 제곱 밀리미터 당 최대 3A가 흐르고 있음).
트랜스포머 매칭은 종종 대역 통과 필터에서 사용되어 공진 회로를 안테나 및 믹서의 낮은 임피던스에 매칭 합니다. 회로에 부하를주는 임피던스가 높을수록 대역폭이 낮아지고 Q가 높아집니다. 공진 회로를 낮은 임피던스에 직접 연결하면 대역폭이 너무 커서 유용하지 않을 수 있습니다. 공진 회로는 L1의 2 차측과 첫 번째 220pF 커패시터와 L2의 1 차측 및 두 번째 220pF 커패시터로 구성됩니다.
위의 이미지는 PL841 튜브의 3000Ω 출력 임피던스를 4Ω 스피커에 일치시키기 위해 진공관 오디오 전력 증폭기에 사용되는 변압기 매칭을 보여줍니다. 1000pF C67은 더 높은 오디오 주파수에서 벨소리를 방지합니다.
임피던스 균형을위한 자동 변압기 매칭
단권 변압기 정합 회로의 변형 예이다 변압기 정합 회로 개의 권선이 서로 서로의 상부에 연결된다. IF 필터 인덕터 에서 일반적으로 베이스에 매칭되는 변압기와 함께 사용되며, 트랜지스터의 낮은 임피던스를 튜닝 회로에 덜 부하를주고 더 작은 대역폭을 허용하여 더 큰 선택성을 허용하는 높은 임피던스에 매칭하는 데 사용됩니다. 그것들을 설계하는 과정은 실질적으로 동일합니다. 1 차측의 턴 수는 코일의 탭에서 "콜드"또는 접지 된 끝까지의 턴 수와 같고 2 차측의 턴 수는 다음과 같습니다. 탭과 "핫"끝 또는 부하에 연결된 끝 사이의 회전 수.
위의 이미지는 자동 변압기 정합 회로를 보여줍니다. C는 사용되는 경우 선택 사항이며 사용 빈도에서 L의 인덕턴스와 공진해야합니다. 이런 식으로 회로는 필터링도 제공합니다.
이 이미지는 IF 변환기에 사용되는 자동 변압기 및 변압기 매칭을 보여줍니다. 자동 변압기의 높은 임피던스는 C17에 연결되며,이 커패시터는 전체 권선과 함께 공진 회로를 형성합니다. 이 커패시터는 자동 변압기의 고 임피던스 끝에 연결되기 때문에 튜닝 된 회로의 저항 부하가 더 높으므로 회로 Q가 더 크고 IF 대역폭이 감소하여 선택 성과 감도가 향상됩니다. 트랜스포머 매칭은 증폭 된 신호를 다이오드에 연결합니다.
트랜지스터 전력 증폭기에 사용되는 자동 변압기 매칭은 트랜지스터의 12Ω 출력 임피던스를 75Ω 안테나에 매칭합니다. C55는 자동 변압기의 하이 임피던스 끝에 병렬로 연결되어 고조파를 필터링하는 공진 회로를 형성합니다.