مقدمة لمطابقة المعاوقة وكيفية استخدام محول مطابقة المعاوقة لتصميمك

إذا كنت مهندس تصميم RF أو أي شخص عمل مع أجهزة الراديو اللاسلكية ، فمن المفترض أن يكون مصطلح " مطابقة المعاوقة " قد صدمك أكثر من مرة. المصطلح مهم لأنه يؤثر بشكل مباشر على قوة الإرسال وبالتالي على نطاق وحدات الراديو الخاصة بنا. تهدف هذه المقالة إلى مساعدتك على فهم ماهية مطابقة المعاوقة من الأساسيات وستساعدك أيضًا على تصميم دوائر مطابقة المعاوقة الخاصة بك باستخدام محول مطابقة المعاوقة وهو الطريقة الأكثر شيوعًا. لذا ، دعنا نتعمق.

ما هي مطابقة المعاوقة؟

باختصار ، تتأكد مطابقة الممانعة من أن مقاومة الخرج لمرحلة واحدة ، تسمى المصدر ، تساوي معاوقة الإدخال للمرحلة التالية ، والتي تسمى الحمل. تسمح هذه المباراة بأقصى قدر من نقل الطاقة والحد الأدنى من الخسارة. يمكنك فهم هذا المفهوم بسهولة من خلال التفكير فيه على أنه مصابيح كهربائية متصلة بمصدر طاقة. المصباح الأول هو مقاومة الخرج للمرحلة الأولى (جهاز إرسال لاسلكي ، على سبيل المثال) والمصباح الثاني هو الحمل ، أو بعبارة أخرى ، معاوقة دخل المصباح الثاني (الهوائي ، على سبيل المثال). نريد التأكد من توصيل أكبر قدر من الطاقة للحمل ، في حالتنا ، هذا يعني أن معظم الطاقة تنتقل في الهواء بحيث يمكن سماع محطة راديو من بعيد. هذا الحد الأقصى يحدث نقل الطاقة عندما تكون معاوقة خرج المصدر مساوية لمقاومة الإدخال للحمل لأنه إذا كانت مقاومة الخرج أكبر من الحمل ، يتم فقد المزيد من الطاقة في المصدر (يضيء المصباح الأول أكثر إشراقًا).

نسبة الموجة الدائمة - قياس مطابقة المعاوقة

يُطلق على القياس المستخدم لتحديد مدى مطابقة مرحلتين اسم SWR (نسبة الموجة الدائمة). إنها نسبة الممانعة الأكبر مقارنةً بالأصغر ، مرسل 50 إلى هوائي 200 يعطي 4 SWR ، هوائي 75 يغذي خلاط NE612 (مقاومة الدخل 1500 Ω) مباشرة سوف SWR 20. A تطابق تام ، لنفترض أن هوائي 50 Ω وجهاز استقبال 50 يعطي SWR 1.

في أجهزة الإرسال اللاسلكية ، تعتبر SWRs الأقل من 1.5 مناسبة ويمكن أن يؤدي التشغيل عندما يكون SWR أعلى من 3 إلى حدوث تلف بسبب ارتفاع درجة حرارة أجهزة مرحلة خرج الطاقة (الأنابيب المفرغة أو الترانزستورات). في التطبيقات المستقبلة ، لن تتسبب SWR العالية في حدوث ضرر ولكنها ستجعل جهاز الاستقبال أقل حساسية لأن الإشارة المستقبلة سيتم إضعافها بسبب عدم التطابق وفقدان الطاقة الناتج.

نظرًا لأن معظم أجهزة الاستقبال تستخدم شكلاً من أشكال مرشح ممر النطاق ، يمكن تصميم مرشح الإدخال لمطابقة الهوائي بمرحلة إدخال جهاز الاستقبال. تحتوي جميع أجهزة الإرسال اللاسلكية على مرشحات خرج تُستخدم لمطابقة مرحلة خرج الطاقة مع المعاوقة المحددة (عادةً 50 Ω). تحتوي بعض أجهزة الإرسال على موالفات هوائي مدمجة يمكن استخدامها لمطابقة المرسل بالهوائي إذا كانت مقاومة الهوائي مختلفة عن معاوقة خرج المرسل المحدد. إذا لم يكن هناك موالف هوائي ، فيجب استخدام دائرة مطابقة خارجية. يصعب حساب فقد الطاقة بسبب عدم التطابق ، لذلك يتم استخدام حاسبات خاصة أو جداول خسارة SWR. يتم عرض جدول خسارة SWR نموذجي أدناه

باستخدام جدول SWR أعلاه ، يمكننا حساب فقد الطاقة وأيضًا فقد الجهد. يتم فقد الجهد بسبب عدم التطابق عندما تكون مقاومة الحمل أقل من مقاومة المصدر ويفقد التيار عندما تكون مقاومة الحمل أعلى من المصدر.

سيخسر جهاز الإرسال 50 بهوائي 200 المزود بـ 4 SWR حوالي 36 ٪ من طاقته ، مما يعني أنه سيتم تسليم طاقة أقل بنسبة 36 ٪ للهوائي مقارنةً إذا كان للهوائي مقاومة 50. سيتم تبديد الطاقة المفقودة في الغالب في المصدر ، مما يعني أنه إذا كان جهاز الإرسال لدينا يعطي 100 واط ، فسيتم تبديد 36 واط بشكل إضافي كحرارة. إذا كان جهاز الإرسال 50 الخاص بنا فعالاً بنسبة 60٪ ، فإنه سيشتت 66 واط عند إرسال 100 واط إلى هوائي 50 أوم. عند توصيله بالهوائي 200 ، فإنه سيبدد 36 وات إضافية ، وبالتالي فإن إجمالي القدرة المفقودة كحرارة في جهاز الإرسال هو 102 وات.زيادة الطاقة المشتتة في جهاز الإرسال لا تعني فقط أن الهوائي لا ينبعث من الطاقة الكاملة ولكن أيضًا تخاطر بإلحاق الضرر بجهاز الإرسال الخاص بنا لأنه يتبدد 102 واط بدلاً من 66 واط ، فقد تم تصميمه للعمل معه.

في حالة وجود هوائي بزاوية 75 درجة ، يغذي المدخل 1500 درجة من NE612 IC ، لا نشعر بالقلق من فقدان الطاقة كحرارة ، ولكن بشأن مستوى الإشارة المتزايد الذي يمكن تحقيقه باستخدام مطابقة المعاوقة. لنفترض أن 13nW من الترددات اللاسلكية مستحثة في الهوائي. بمقاومة 75 أوم ، تعطي 13nW 1 مللي فولت - نريد أن نطابق ذلك مع حمولة 1500 أوم. لحساب جهد الخرج بعد الدائرة المطابقة ، نحتاج إلى معرفة نسبة الممانعة ، في حالتنا ، 1500 Ω / 75 Ω = 20. نسبة الجهد (مثل نسبة المنعطفات في المحولات) تساوي الجذر التربيعي لنسبة الممانعة ، لذا √20≈8.7. هذا يعني أن جهد الخرج سيكون أكبر بمقدار 8.7 مرة ، لذلك سيكون مساويًا لـ 8.7 مللي فولت. تعمل الدوائر المطابقة مثل المحولات.

نظرًا لأن الطاقة التي تدخل الدائرة المطابقة وترك الطاقة هي نفسها (ناقص الخسارة) ، فإن تيار الخرج سيكون أقل من المدخلات بمعامل 8.7 ، لكن جهد الخرج سيكون أكبر. إذا قمنا بمطابقة مقاومة عالية مع مقاومة منخفضة ، فسنحصل على جهد أقل ولكن تيار أعلى.

محولات مطابقة المعاوقة

يمكن استخدام محولات خاصة تسمى محولات مطابقة المعاوقة لمطابقة المعاوقة. الميزة الرئيسية للمحولات كأجهزة مطابقة للمقاومة هي أن لديها نطاق عريض ، مما يعني أنها يمكن أن تعمل مع نطاق واسع من الترددات. محولات الصوت التي تستخدم نوى من الألواح الفولاذية ، مثل تلك المستخدمة في دوائر مضخم الأنبوب المفرغ لمطابقة المعاوقة العالية للأنبوب مع المعاوقة المنخفضة للسماعة ، يكون لها عرض نطاق من 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز ، ومحولات الترددات اللاسلكية المصنوعة باستخدام الفريت أو حتى نوى الهواء يمكن عرض النطاق الترددي 1MHz-30MHz.

يمكن استخدام المحولات كأجهزة مطابقة للمقاومة ، نظرًا لنسبة دورانها التي تغير الممانعة التي "يراها" المصدر. يمكنك أيضًا التحقق من هذا الأساسي لمقال المحولات إذا كنت جديدًا تمامًا على المحولات. إذا كان لدينا محول بنسبة 1: 4 لفات ، فهذا يعني أنه إذا تم تطبيق 1V من التيار المتردد على الابتدائي ، فسنحصل على 4V من التيار المتردد على الخرج. إذا أضفنا مقاومًا 4Ω إلى الإخراج ، فسوف يتدفق 1A من التيار في المرحلة الثانوية ، والتيار في المرحلة الأولية يساوي التيار الثانوي مضروبًا في نسبة الدوران (مقسومًا إذا كان المحول من نوع تنحى ، مثل التيار الكهربائي محولات) ، لذلك 1A * 4 = 4A. إذا استخدمنا قانون Ω لتحديد الممانعة التي يقدمها المحول للدائرة فلدينا 1V / 4A = 0.25Ω ، بينما قمنا بتوصيل حمولة 4Ω بعد المحول المطابق. نسبة الممانعة هي 0.25 Ω إلى 4 1 أو 1 أيضًا:16. يمكن حسابه أيضًا بهذاصيغة نسبة المعاوقة:

(ن _أ / ن _ب) ² = ص _أنا

حيث n _A هو عدد المنعطفات الأولية على الملف مع عدد أكبر من المنعطفات ، n _B هو عدد المنعطفات على الملف مع عدد أقل من الدورات ، و r _i هي نسبة الممانعة. هذه هي الطريقة التي تحدث بها مطابقة المعاوقة.

إذا استخدمنا قانون أوم مرة أخرى ، ولكن الآن لحساب القوة التي تتدفق إلى الأساسي ، سيكون لدينا 1V * 4A = 4W ، في المرحلة الثانوية ، سيكون لدينا 4V * 1A = 4W. هذا يعني أن حساباتنا صحيحة ، وأن المحولات ودوائر مطابقة المعاوقة الأخرى لا تعطي طاقة أكثر مما يتم تغذيتها. لا توجد طاقة مجانية هنا.

كيفية اختيار محول مطابقة المعاوقة

يمكن استخدام دارة مطابقة المحولات عند الحاجة إلى ترشيح ممر النطاق ، وينبغي أن تكون رنانة مع الحث الثانوي عند تردد الاستخدام. المعلمات الرئيسية للمحولات كأجهزة مطابقة المعاوقة هي:

• نسبة الممانعة أو نسبة المنعطفات الأكثر شيوعًا (ن)
• الحث الأساسي
• الحث الثانوي
• المعاوقة الأولية
• المعاوقة الثانوية
• تردد الرنين الذاتي
• الحد الأدنى لتكرار العملية
• الحد الأقصى لتكرار العملية
• التكوين المتعرج
• وجود فجوة هوائية وحد أقصى. العاصمة الحالية
• ماكس. قوة

يجب أن يكون عدد المنعطفات الأساسي كافيًا ، وبالتالي فإن الملف الأولي للمحول له مفاعلة (وهو ملف) أربعة أضعاف مقاومة خرج المصدر عند أدنى تردد تشغيل.

عدد المنعطفات الثانوية يساوي عدد المنعطفات في المرحلة الأولية ، مقسومًا على الجذر التربيعي لنسبة المعاوقة.

نحتاج أيضًا إلى معرفة نوع وحجم النواة المراد استخدامهما ، تعمل النوى المختلفة جيدًا في ترددات مختلفة ، والتي تظهر خارجها خسارة.

يعتمد الحجم الأساسي على الطاقة المتدفقة عبر اللب ، حيث تعرض كل نواة خسائر ويمكن أن تبدد النوى الأكبر هذه الخسائر بشكل أفضل ولا تظهر التشبع المغناطيسي والأشياء الأخرى غير المرغوب فيها بسهولة.

هناك حاجة إلى فجوة هوائية عندما يتدفق تيار مستمر عبر أي لف على المحول إذا كان اللب المستخدم مصنوعًا من صفائح فولاذية ، كما هو الحال في محول التيار الكهربائي.

دارات مطابقة المحولات - مثال

على سبيل المثال ، نحتاج إلى محول لمطابقة مصدر 50 Ω مع حمولة 1500 في نطاق تردد من 3 ميجا هرتز إلى 30 ميجا هرتز في جهاز استقبال. نحتاج أولاً إلى معرفة النواة التي سنحتاجها نظرًا لأنه جهاز استقبال ، ستتدفق طاقة قليلة جدًا عبر المحول ، لذلك يمكن أن يكون حجم النواة صغيرًا. سيكون FT50-75 أحد النواة الجيدة في هذا التطبيق. وفقًا للشركة المصنعة ، فإن نطاق التردد الخاص به كمحول عريض النطاق هو 1 ميجاهرتز إلى 50 ميجاهرتز ، وهو جيد بما يكفي لهذا التطبيق.

نحتاج الآن إلى حساب المنعطفات الأولية ، نحتاج إلى التفاعل الأولي بمقدار 4 مرات أعلى من معاوقة خرج المصدر ، لذا 200 Ω. عند أدنى تردد تشغيل يبلغ 3 ميجا هرتز ، يكون لمحث 10.6uH مفاعلة تبلغ 200. باستخدام الآلة الحاسبة عبر الإنترنت ، نحسب أننا نحتاج إلى دورتين من السلك على القلب للحصول على 16uH ، أعلى قليلاً من 10.6uH ، لكن في هذه الحالة ، من الأفضل أن تكون أكبر من أن تكون أصغر. 50 Ω إلى 1500 Ω تعطي نسبة ممانعة 30. نظرًا لأن نسبة المنعطفات هي الجذر التربيعي لنسبة الممانعة ، نحصل على 5.5 تقريبًا ، لذلك نحتاج 5.5 لفات ثانوية لكل دورة أساسية لجعل 1500 في الشكل الثانوي مثل 50Ω المصدر. نظرًا لأن لدينا عدد 2 من المنعطفات على المستوى الأساسي ، فإننا نحتاج إلى 2 * 5.5 على الثانوية ، أي 11 دورة. يجب أن يتبع قطر السلك 3A / 1mm ² القاعدة (بحد أقصى 3 أ يتدفق لكل ملليمتر مربع من مساحة المقطع العرضي للسلك).

غالبًا ما تُستخدم مطابقة المحولات في مرشحات ممر النطاق ، لمطابقة دارات الطنين مع المعاوقة المنخفضة للهوائيات والخلاطات. كلما زادت مقاومة تحميل الدائرة ، انخفض عرض النطاق الترددي وأعلى Q. إذا قمنا بتوصيل دائرة طنين مباشرة بمقاومة منخفضة ، فسيكون النطاق الترددي في كثير من الأحيان أكبر من أن يكون مفيدًا. تتكون دائرة الطنين من ثانوية L1 وأول مكثف 220 pF والابتدائي من L2 والمكثف الثاني 220 pF.

تُظهر الصورة أعلاه مطابقة محول مستخدمة في مضخم طاقة صوتي للأنبوب المفرغ لمطابقة مقاومة الإخراج 3000 Ω لأنبوب PL841 إلى مكبر صوت 4. 1000 pF C67 يمنع الرنين بترددات صوتية أعلى.

مطابقة المحول التلقائي لتوازن المعاوقة

دائرة مطابقة المحول التلقائي هي نوع من دائرة مطابقة المحولات ، حيث يتم توصيل الملفين معًا فوق بعضهما البعض. يتم استخدامه بشكل شائع في محاثات مرشح IF ، جنبًا إلى جنب مع المحولات المطابقة للقاعدة ، حيث يتم استخدامه لمطابقة المعاوقة المنخفضة للترانزستور بمقاومة عالية تقوم بتحميل دائرة الضبط أقل وتسمح بعرض نطاق ترددي أصغر وبالتالي انتقائية أكبر. عملية تصميمها هي نفسها عمليًا ، حيث يساوي عدد المنعطفات على الأساسي عدد الدورات من صنبور الملف إلى الطرف "البارد" أو المؤرض وعدد الدورات في المرحلة الثانوية يساوي عدد الدورات بين الصنبور والنهاية "الساخنة" أو النهاية المتصلة بالحمل.

توضح الصورة أعلاه دائرة مطابقة المحول التلقائي. يعتبر C اختياريًا إذا تم استخدامه ، فيجب أن يكون مرنًا مع محاثة L عند تكرار الاستخدام. بهذه الطريقة توفر الدائرة أيضًا التصفية.

توضح هذه الصورة المحول التلقائي والمحول المطابق المستخدم في محول IF. تتصل المعاوقة العالية للمحول الذاتي بـ C17 ، ويشكل هذا المكثف دائرة طنين مع الملف الكامل. نظرًا لأن هذا المكثف يتصل بنهاية المعاوقة العالية للمحول الذاتي ، فإن مقاومة تحميل الدائرة المضبوطة أعلى ، وبالتالي تكون الدائرة Q أكبر ويتم تقليل عرض النطاق الترددي IF ، مما يحسن الانتقائية والحساسية. تجمع مطابقة المحولات الإشارة المضخمة إلى الصمام الثنائي.

مطابقة المحول الذاتي المستخدمة في مضخم طاقة الترانزستور ، فهي تطابق معاوقة خرج الترانزستور 12 Ω مع هوائي 75 Ω. يتم توصيل C55 بالتوازي مع نهاية المعاوقة العالية للمحول الذاتي لتشكيل دائرة طنين تقوم بتصفية التوافقيات.