La correspondance d'impédance implique-t-elle un émetteur RF pratique qui doit gaspiller> = 50% d'énergie?

Selon le théorème de transfert de puissance maximale, lorsqu'une impédance de source fixe est donnée, l'impédance de charge doit être choisie pour correspondre à l'impédance de la source afin d'obtenir un transfert de puissance maximal.

D'un autre côté, si l'impédance de la source n'est pas hors de portée des concepteurs, au lieu d'adapter la charge à l'impédance de la source, l'impédance de la source peut simplement être minimisée pour obtenir une efficacité et un transfert de puissance maximum, c'est une pratique courante dans les alimentations et amplificateurs audio-fréquence.

Cependant, dans les circuits RF, pour éviter les problèmes d'intégrité du signal, la perte de réflexion et les dommages à l'amplificateur RF haute puissance dus à la réflexion, l'adaptation d'impédance doit être utilisée pour correspondre à toute l'impédance de la source, l'impédance de charge et également l'impédance caractéristique de la ligne de transmission, et enfin l'antenne.

Si ma compréhension est correcte, une source et une charge adaptées (par exemple, une sortie d'amplificateur RF et une antenne), forment un diviseur de tension, chacune reçoit la moitié de la tension. Étant donné une impédance totale fixe, cela signifie qu'il y a toujours 50% d'énergie gaspillée pour brûler et chauffer l'émetteur RF lui-même.

Donc, est-il exact de dire que l'adaptation d'impédance implique que l'efficacité d'un émetteur RF pratique ne peut pas être supérieure à 50%? Et tout émetteur RF pratique doit gaspiller au moins 50% d'énergie?

Si votre source d'alimentation est une source de tension de sortie de zéro ohm, suivie d'une résistance de 50 ohms, alors oui, ce que vous pensez est correct.

Cependant, les amplificateurs RF pratiques (au moins ceux conçus pour être efficaces) ne sont jamais construits comme ça. Ils ont tendance à avoir un émetteur ou un étage source commun à faible impédance suivi d'une adaptation d'impédance réactive, tous conçus pour fonctionner en 50 ohms.

Fait intéressant, si vous achetez un générateur de signaux à usage général, la sortie est généralement construite comme une source de tension suivie d'une véritable résistance de 50 ohms, car l'efficacité n'est pas un problème, et ayant une impédance de sortie définie avec précision sur une très large gamme de fréquences est la objectif principal de conception.

Les amplificateurs RF n'ont généralement pas d'impédance de sortie proche de 50R ..... Ils sont cependant conçus pour piloter une charge de 50R!

Tout comme les amplificateurs audio, l'impédance de la source est généralement loin de l'impédance de charge de conception, car vous ne voulez PAS un transfert de puissance maximal, vous voulez quelque chose de plus proche d'une efficacité maximale!

Selon la topologie, les choses se rapprochent des sources de tension (faible impédance de sortie) ou des sources de courant (impédance de sortie élevée).

Si vous pensez par exemple à un étage de sortie HF, Push Pull, les appareils fonctionnent à une tension et un courant conçus, d'où une certaine `` impédance '' (généralement assez faible), qui est ensuite transformée en une norme industrielle 50R.

Cette impédance est définie par le concepteur pour entraîner une tension aux bornes de cette charge 50R qui fournira quel que soit le niveau de puissance conçu. Notez que ces périphériques de sortie peuvent être en classe C profonde ou même en classe F et fonctionner essentiellement comme des commutateurs dissipant une puissance proche de zéro, mais en tant que concepteur, je dois encore décider quelle tension et quel courant choisir comme point de fonctionnement et donc quelle transformation Je dois atteindre la puissance cible à la sortie.

Maintenant, clairement, si vous essayez de faire fonctionner un tel amplificateur dans une charge très éloignée de 50R, les tensions et les courants vus par les appareils d'alimentation seront différents de ceux prévus par le concepteur, et si vous allez trop loin, la fumée sort.

Une autre complication est les filtres de sortie et (à UHF et plus) la possibilité d'un circulateur terminé à la sortie, ce qui fait que la chose ressemble à 50R en revenant à l'entrée.

Donc, est-il exact de dire que l'adaptation d'impédance implique que l'efficacité d'un émetteur RF pratique ne peut pas être supérieure à 50%? Et tout émetteur RF pratique doit gaspiller au moins 50% d'énergie?

Non c'est faux. Le diagramme dans votre article manque le bloc de construction essentiel dans cette discussion: l'amplificateur lui-même.

Tous les amplificateurs peuvent être décrits en fonction de leur PAE (Power Added Efficiency).

PAE est le paramètre clé ici, car le gain de l'amplificateur est susceptible d'être très élevé. La puissance transférée À L'AMPLIFICATEUR par le générateur, lorsque les impédances sont adaptées, ne sera en effet que de 50% de la puissance maximale du générateur. Mais si le gain est suffisamment élevé, la puissance gaspillée dans l'impédance interne du générateur sera très faible par rapport à la puissance fournie par l'amplificateur à la charge. Ainsi, l'impact sur l'efficacité totale sera probablement faible.

Ce qui importe ici, c'est (principalement) l'étage de sortie de l'amplificateur à haut rendement brut $\eta = P_{out}/P_{supply}$, qui dépend de la classe d'amplification (A, B, AB, C, D, F, etc.) et du point de fonctionnement de l'amplificateur.

Donc, est-il exact de dire que l'adaptation d'impédance implique que l'efficacité d'un émetteur RF pratique ne peut pas être supérieure à 50%? Et tout émetteur RF pratique doit gaspiller au moins 50% d'énergie?

Non, ce n'est pas correct de dire ça.

Ce que vous devez vous assurer lors de la connexion de l'amplificateur à l'antenne via un câble (normalement coaxial), c'est qu'il n'y a pas de réflexions importantes de la puissance de la charge (antenne) qui peuvent endommager l'amplificateur ou le rendre moins efficace.

Si l'impédance d'antenne correspond à l'impédance caractéristique du câble coaxial, l'amplificateur peut entraîner l'extrémité d'alimentation du câble coaxial sans nécessiter de résistance de source en série. L'impédance vue à l'extrémité entraînée sera l'impédance de l'antenne car elle correspond à l'impédance caractéristique du câble.

L'impédance se compose de parties réelles (résistives) et imaginaires (réactives). Seule la partie réelle (résistive) dissipe la puissance. Théoriquement, on pourrait avoir une impédance purement réactive d'une amplitude de 50 ohms et ne pas y dissiper de puissance.

Les unités d'impédance sont des Volts par Ampère. Lorsque nous parlons de l'impédance d'une ligne de transmission, nous parlons en fait de la quantité de courant qui devrait être introduite dans la ligne pour provoquer la propagation d'une tension d'une certaine amplitude le long de la ligne. Signification du rapport de la tension et du courant.

Par exemple, le câble CAT-5 a une vitesse de propagation d'environ 0,64 * C. Il a également une capacité d'environ 15pF par pied (48pF par mètre). Son impédance est principalement déterminée par la capacité entre les paires torsadées (il y a bien sûr quelques petites composantes inductives et résistives).

Si nous mettons un signal 1V à une extrémité de la ligne, le signal se propagera à 192 000 000 m / s, pour chaque mètre parcouru par le signal, il devra charger 48pF à 1V (donc 48pC).

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

1 V / 9,44 mA = 105,9 ohms (ce qui est très proche de l'impédance nominale de 100 ohms).

C'est correct. Un amplificateur "pratique" devra correspondre à la sortie composée de connecteurs, câbles, antenne. Pour une éventuelle livraison de puissance maximale à l'antenne,> = 50% sera gaspillé ailleurs.