射頻同軸線纜特征阻抗的選擇,主要取決于功率容量、衰減強度、可加工性等因素,然而最大功率容量和最小衰減性能對應(yīng)的特征阻抗是不同的。在射頻領(lǐng)域通常采用50 Ohm特征阻抗的原因,就是綜合考慮了以上因素。也就是說,50 Ohm特征阻抗對應(yīng)的功率容量和衰減性能都不是最佳的。單論衰減性能,75 Ohm特征阻抗要比50 Ohm低不少,但是其應(yīng)用領(lǐng)域比較專一,主要應(yīng)用于廣播、電視信號的信號傳輸。
本文就跟大家聊一聊75 Ohm系統(tǒng)下的信號測試,對于這種信號的測試,如果頻譜儀支持75 Ohm系統(tǒng)阻抗,可以直接進行測試。但是,絕大多數(shù)通用頻譜儀只有50 Ohm系統(tǒng)阻抗,如何進行準確的測試呢?
如果頻譜儀僅支持50 Ohm系統(tǒng)阻抗,直接測試諸如廣播、電視信號,那么測試的信號電平必然由于阻抗失配而存在較大的誤差。為了提高電平測試精度,必須要引入阻抗匹配電路。
直接串接25 Ohm的電阻能否改善電平測試精度?
當然,此處認為電阻可以覆蓋工作頻率范圍。如圖1(a)所示,當串接一個25 Ohm電阻時,在參考面Ref. 1處,阻抗是匹配的,而在參考面Ref.2處,阻抗嚴重失配,回波損耗達到-9.5 dB。相比之下,不使用任何匹配,直接將源連接于頻譜儀測試時,測試參考面處的回波損耗約-14 dB??梢?,直接串接25 Ohm的電阻,反而不如直接連接測試的情況好。這種局部匹配的方式并不能有效改善測試精度。
(a) 通過25 Ohm電阻實現(xiàn)阻抗匹配
(b) 通過一個匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)真正的阻抗匹配
圖1. 75 Ohm系統(tǒng)的測試需要阻抗匹配以提高電平測試精度
真正的阻抗匹配應(yīng)該像圖1(b)所示,無論是從哪個參考面看,阻抗都是匹配的,此時便可以實現(xiàn)高精度的電平測試。如何設(shè)計這種匹配電路呢?
匹配電路的設(shè)計有哪些考慮因素?
對于匹配電路的設(shè)計,需要從如下三個方面著手考慮:
(1) 匹配電路的帶寬是否足夠,是否具有平坦的幅頻響應(yīng);
(2) 匹配電路的損耗能否盡可能低,這對于弱信號的測試尤為重要;
(3) 是否可以實現(xiàn)完全匹配,只有完全匹配才可以實現(xiàn)高精度電平測試。
廣播、電視通常工作在VHF、UHF頻段,可以通過采用電感、電容構(gòu)成“L型”匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)50 Ohm與75 Ohm阻抗的變換,而且這種電抗性匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗非常低,但是其帶寬較窄,而且幅頻響應(yīng)平坦度不是很好,除非采用高階匹配電路,然而這又增加了匹配電路的設(shè)計難度和損耗。
有沒有更合適的匹配電路設(shè)計方法呢?
答案是肯定的,通過采用高頻電阻設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò),不僅可以實現(xiàn)完全匹配,而且具有平坦的寬帶幅頻響應(yīng),但缺點也是很明顯的——損耗大。對于這種匹配電路,可以將其理解為一個具有阻抗變換作用的衰減器,目前市面上的這種50-to-75 Ohm阻抗變換器基本都是采用這種設(shè)計方式。
損耗最小的電阻匹配網(wǎng)絡(luò)——MLP
采用高頻電阻設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)是很有講究的,電阻畢竟會損耗信號,匹配網(wǎng)絡(luò)中電阻太少起不到阻抗匹配的作用,電阻太多了損耗太大,會降低系統(tǒng)測試靈敏度。其實存在一種最低損耗的匹配網(wǎng)絡(luò),通過兩個電阻即可實現(xiàn),通常稱之為Minimum Loss PAD (MLP)。下面就介紹一下這種電阻匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,以及如何選擇電阻的阻值。
圖2. 由電阻構(gòu)建的Minimum Loss PAD
MLP阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)比較簡單,就是由兩個電阻構(gòu)建的“L型”網(wǎng)絡(luò),如圖2所示,如果要在左、右兩個參考面處得到期望的阻抗,兩個電阻值應(yīng)該如何選取呢?
電阻值的確定需要根據(jù)歐姆定律計算,就是串并聯(lián)阻抗的計算過程,具體推導(dǎo)過程不再詳述,這里只給出結(jié)論。
考慮 Z1 》 Z2 的情況,則為了實現(xiàn)兩個參考面處的阻抗匹配,需要的R1 和R2 分別為
如何確定MLP的衰減度呢?
MLP衰減度的確定依然需要根據(jù)歐姆定律,結(jié)合圖3所示的等效電路圖,便可以確定輸入、輸出電壓之間的關(guān)系,繼而確定輸入、輸出功率之間的關(guān)系。經(jīng)過一番推導(dǎo),輸入、輸出功率之間的關(guān)系如下
這意味著MLP阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的衰減度為
圖3. 引入Minimum Loss PAD后的等效電路圖
對于50-to-75 Ohm的阻抗變換設(shè)計,根據(jù)如上公式,可以確定電阻R1和R2分別為
R1=43.3 Ω
R2=86.6 Ω
對應(yīng)的損耗為-5.72 dB。實際使用頻譜儀測試時,可以直接將此損耗值寫入頻譜儀,以對測試的電平值自動進行補償。
值得一提的是,采用三個或更多個電阻同樣可以實現(xiàn)阻抗變換,只是這種更高階的電路意味著更大的損耗。而一個電阻無法實現(xiàn)阻抗變換,因此圖2所示的這種網(wǎng)絡(luò)是起到阻抗變換的最小衰減網(wǎng)絡(luò),這也是稱之為Minimum Loss PAD的原因。
另外,選擇電阻時也要注意電阻的頻率范圍,必須要能夠覆蓋所要測試的信號頻率范圍,否則設(shè)計的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將達不到預(yù)期的效果。
75 Ohm系統(tǒng)的接口是什么樣的?與50 Ohm系統(tǒng)的接口兼容嗎?
測試中常用的BNC、N、SMB、SMC等接口都有50 Ohm和75 Ohm特征阻抗之分,在廣播、電視領(lǐng)域,應(yīng)用更多的是75 Ohm特征阻抗的N型接口。
對于同軸連接器及線纜,特征阻抗取決于內(nèi)外導(dǎo)體的半徑之比。75 Ohm的N型接口和50 Ohm的N型接口,兩者的外導(dǎo)體尺寸相同,而特征阻抗越高則內(nèi)導(dǎo)體越細,兩種接口如圖4所示。因此,75 Ohm的陽頭可以與50 Ohm的陰頭相連接,而75 Ohm的陰頭卻不能與50 Ohm的陽頭直接連接,否則會破壞連接器。
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