Bedeutet Impedanzanpassung, dass ein praktischer HF-Sender> = 50% der Energie verschwenden muss?

Gemäß dem Maximum Power Transfer Theorem muss, wenn eine feste Quellenimpedanz gegeben ist, die Lastimpedanz so gewählt werden, dass sie mit der Quellenimpedanz übereinstimmt, um eine maximale Energieübertragung zu erreichen.

Wenn andererseits die Quellenimpedanz für die Entwickler nicht unerreichbar ist, anstatt die Last an die Quellenimpedanz anzupassen, kann die Quellenimpedanz einfach minimiert werden, um einen maximalen Wirkungsgrad und eine maximale Leistungsübertragung zu erzielen und Audiofrequenzverstärker.

Um jedoch in HF-Schaltkreisen Signalintegritätsprobleme, Reflexionsverluste und Beschädigungen des HF-Hochleistungsverstärkers aufgrund von Reflexion zu vermeiden, muss die Impedanzanpassung verwendet werden, um die gesamte Quellenimpedanz, die Lastimpedanz und auch die charakteristische Impedanz von anzupassen die Übertragungsleitung und schließlich die Antenne.

Nach meinem Verständnis bilden eine abgestimmte Quelle und Last (z. B. ein HF-Verstärkerausgang und eine Antenne) einen Spannungsteiler, der jeweils die Hälfte der Spannung empfängt. Bei einer festen Gesamtimpedanz bedeutet dies, dass immer 50% der Energie für das Verbrennen und Erwärmen des HF-Senders selbst verschwendet werden.

Ist es also richtig zu sagen, dass die Impedanzanpassung impliziert, dass der Wirkungsgrad eines praktischen HF-Senders nicht größer als 50% sein kann? Und jeder praktische HF-Sender muss mindestens 50% der Energie verschwenden?

Wenn Ihre Stromquelle eine Null-Ohm-Ausgangsspannungsquelle ist, gefolgt von einem 50-Ohm-Widerstand, dann ist das, was Sie denken, richtig.

Praktische HF-Verstärker (zumindest solche, die auf Effizienz ausgelegt sind) werden jedoch niemals so gebaut. Sie haben in der Regel eine gemeinsame Emitter- oder Source-Stufe mit niedriger Impedanz, gefolgt von einer Blindimpedanzanpassung, die alle für den Betrieb mit 50 Ohm ausgelegt sind.

Interessanterweise wird beim Kauf eines Mehrzweck-Signalgenerators der Ausgang in der Regel als Spannungsquelle mit einem echten 50-Ohm-Widerstand aufgebaut, da der Wirkungsgrad kein Problem darstellt und eine genau definierte Ausgangsimpedanz über einen sehr weiten Frequenzbereich vorliegt Hauptziel des Designs.

HF-Verstärker haben im Allgemeinen KEINE Ausgangsimpedanz nahe 50R ..... Sie sind jedoch für die Ansteuerung einer 50R-Last ausgelegt!

Ähnlich wie bei Audioverstärkern ist die Quellenimpedanz im Allgemeinen weit von der Nennlastimpedanz entfernt, da Sie KEINE maximale Leistungsübertragung wünschen, sondern etwas, das näher an der maximalen Effizienz liegt!

Abhängig von der Topologie nähern sich die Dinge entweder Spannungsquellen (niedrige Ausgangsimpedanz) oder Stromquellen (hohe Ausgangsimpedanz) an.

Wenn Sie zum Beispiel an eine HF- oder Push-Pull-Endstufe denken, arbeiten die Geräte mit einer bestimmten Spannung und einem bestimmten Strom, daher mit einer bestimmten (normalerweise recht niedrigen) Impedanz, die dann in einen Industriestandard 50R umgewandelt wird.

Diese Impedanz wird vom Konstrukteur so eingestellt, dass eine Spannung an der 50R-Last entsteht, die unabhängig von der vorgesehenen Leistungsstufe abgegeben wird. Beachten Sie, dass diese Ausgabegeräte in der tiefen Klasse C oder sogar in der Klasse F liegen und im Wesentlichen als Schalter mit einer Verlustleistung von nahezu Null arbeiten können. Als Konstrukteur muss ich jedoch noch entscheiden, welche Spannung und welcher Strom als Arbeitspunkt und damit als Transformation gewählt werden soll Ich muss die Zielleistung am Ausgang erreichen.

Wenn Sie versuchen, einen solchen Verstärker in eine Last zu stecken, die weit von 50R entfernt ist, sind die Spannungen und Ströme, die von den Leistungsgeräten gesehen werden, eindeutig andere als die vom Designer beabsichtigten, und wenn Sie zu weit gehen, tritt Rauch aus.

Eine weitere Komplikation sind die Ausgangsfilter und (bei UHF und höher) die Möglichkeit eines abgeschlossenen Zirkulators am Ausgang, wodurch das Ding tatsächlich so aussieht, als würde 50R zurück in den Eingang schauen.

Ist es also richtig zu sagen, dass die Impedanzanpassung impliziert, dass der Wirkungsgrad eines praktischen HF-Senders nicht größer als 50% sein kann? Und jeder praktische HF-Sender muss mindestens 50% der Energie verschwenden?

Nein das ist falsch. Dem Diagramm in Ihrem Beitrag fehlt der wesentliche Baustein in dieser Diskussion: der Verstärker selbst.

Alle Verstärker können nach ihrer PAE (Power Added Efficiency) beschrieben werden.

PAE ist hier der Schlüsselparameter, da die Verstärkung des Verstärkers wahrscheinlich sehr hoch ist. Die vom Generator an den Verstärker übertragene Leistung beträgt bei angepassten Impedanzen nur 50% der maximalen Generatorleistung. Wenn die Verstärkung jedoch hoch genug ist, ist die in der internen Impedanz des Generators verschwendete Leistung im Vergleich zu der vom Verstärker an die Last abgegebenen Leistung sehr gering. Daher ist die Auswirkung auf den Gesamtwirkungsgrad wahrscheinlich gering.

$\eta = P_{out}/P_{supply}$

Ist es also richtig zu sagen, dass die Impedanzanpassung impliziert, dass der Wirkungsgrad eines praktischen HF-Senders nicht größer als 50% sein kann? Und jeder praktische HF-Sender muss mindestens 50% der Energie verschwenden?

Nein, das ist nicht richtig zu sagen.

Wenn Sie den Verstärker über ein Kabel (normalerweise Koaxialkabel) an die Antenne anschließen, müssen Sie sicherstellen, dass keine signifikanten Reflexionen der Leistung von der Last (Antenne) auftreten, die den Verstärker beschädigen oder dessen Wirksamkeit beeinträchtigen können.

Wenn die Antennenimpedanz mit der charakteristischen Impedanz des Koaxialkabels übereinstimmt, kann der Verstärker das Einspeisungsende des Koaxialkabels ansteuern, ohne dass ein Serienwiderstand erforderlich ist. Die Impedanz am angesteuerten Ende ist die Antennenimpedanz, da sie mit der charakteristischen Impedanz des Kabels übereinstimmt.

Die Impedanz besteht sowohl aus realen (resistiven) als auch aus imaginären (reaktiven) Teilen. Nur der reale (ohmsche) Teil verbraucht Energie. Theoretisch könnte man eine rein reaktive Impedanz mit einer Größe von 50 Ohm haben und keine Leistung darin abführen.

Die Impedanzeinheiten sind Volt pro Ampere. Wenn wir über die Impedanz einer Übertragungsleitung sprechen, sprechen wir tatsächlich darüber, wie viel Strom in die Leitung eingespeist werden müsste, damit sich eine Spannung einer bestimmten Größe entlang der Leitung ausbreitet. Bedeutet das Verhältnis von Spannung und Strom.

Zum Beispiel hat ein CAT-5-Kabel eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von ungefähr 0,64 ° C. Es hat auch eine Kapazität von ungefähr 15 pF pro Fuß (48 pF pro Meter). Seine Impedanz wird hauptsächlich durch die Kapazität zwischen den verdrillten Paaren bestimmt (es gibt natürlich einige kleine induktive und resistive Komponenten).

Wenn wir ein 1-V-Signal an ein Ende der Leitung legen, breitet sich das Signal mit 192.000.000 m / s aus. Für jeden Meter, den das Signal zurücklegt, muss es mit 48 pF auf 1 V (also 48 pC) aufgeladen werden.

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

1 V / 9,44 mA = 105,9 Ohm (was sehr nahe an der nominalen Impedanz von 100 Ohm liegt).

Das ist richtig. Ein "praktischer" Verstärker muss zum Ausgang passen, der aus Steckern, Kabeln und Antenne besteht. Für eine eventuelle maximale Stromabgabe an die Antenne werden> = 50% an anderer Stelle verschwendet.