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Aug 12, 2023

Efeito de perda de incompatibilidade na medição de potência de RF e ganho de amplificadores em cascata

A transferência efetiva de energia é uma grande preocupação em um projeto de RF. Desde a impedância

A transferência efetiva de energia é uma grande preocupação em um projeto de RF. Como as descontinuidades de impedância podem refletir ondas elétricas, elas podem causar perda de energia, comumente referida como perda de incompatibilidade (ML), que se manifesta em várias aplicações. Por exemplo, a potência medida por um sensor de potência de RF, bem como o ganho efetivo de uma cascata de blocos de RF, são afetados por reflexões de onda. Para uma cascata de blocos de RF, pretendemos minimizar a perda de incompatibilidade para que possamos transferir o máximo de energia possível. Além disso, minimizando a perda de incompatibilidade e desenvolvendo modelos estatísticos apropriados para esse erro, podemos estimar a incerteza em nossos sistemas.

Neste artigo, examinaremos primeiro as equações de perda de incompatibilidade. Em seguida, discutiremos o efeito desse fenômeno na medição de potência de RF e no ganho efetivo de amplificadores em cascata.

Considere o diagrama da Figura 1 que mostra uma linha de transmissão conectada a impedâncias incompatíveis (Zs ≠ Z0 e ZL ≠ Z0) nas portas de entrada e saída.

A Equação 1 mostra uma maneira de definir a perda de incompatibilidade para o circuito acima:

\[ML = \frac{|1- \Gamma_1 \Gamma_2|^2}{\big ( 1-|\Gamma_1|^2 \big )\big ( 1-|\Gamma_2|^2 \big )}\]

Esta equação, que foi examinada em detalhes no artigo anterior, dá a perda de potência em relação à potência disponível da fonte. Por exemplo, se a potência fornecida pela fonte a uma carga combinada conjugada for -30 dBW e o ML for 1 dB para nossa carga real, a potência fornecida à carga será -31 dBW.

Com a definição acima, a potência de referência é a potência disponível da fonte. É comum definir perda de incompatibilidade usando outra potência de referência (na verdade mais útil); a potência que a fonte fornece a uma terminação Z0 (onde Z0 é a impedância característica da linha, sendo 50 Ω um valor padrão).

Com isso em mente, você pode se perguntar por que a potência que pode ser fornecida a uma terminação Z0 nos interessa. Em sistemas de RF, a maioria dos circuitos é projetada assumindo que serão usados ​​com alguma impedância característica conhecida. Em outras palavras, durante a operação normal, presume-se que a maioria dos circuitos tenha uma resistência de fonte Z0 e uma resistência de carga Z0. É por isso que os blocos de RF geralmente são caracterizados nessas condições. Para entender melhor essa funcionalidade, considere a configuração de teste para medir os parâmetros S de uma rede de duas portas (Figura 2).

Para medições de parâmetro S, uma porta é acionada por uma fonte cuja resistência em série é Z0 e a outra porta é terminada com uma carga Z0. Usando o diagrama acima, podemos medir o coeficiente de reflexão de entrada (S11) e o coeficiente de transmissão da porta 1 para a porta 2 (S21).

Observe que uma terminação Z0 na porta de saída garante que nenhuma energia seja refletida na carga (a2 = 0) e, portanto, b1 e b2 são produzidos apenas como resultado da onda viajante que incide na porta de entrada (a1) . Vale ressaltar também que a impedância de saída da rede Zout não precisa ser igual a Z0. De fato, é raro que Zout = Z0. Precisamos apenas ter ZL = Z0 para garantir que a2 = 0. Por definição, os parâmetros S são baseados em uma configuração de teste que usa terminações correspondentes. Isso simplifica significativamente a medição dos parâmetros S em comparação com outros tipos de representações de rede de duas portas, como os parâmetros T.

Como a resposta dos blocos de RF é normalmente caracterizada em um ambiente Z0 (ZS = ZL = Z0 com Z0 = 50 Ω sendo um valor padrão), deseja-se encontrar a perda de incompatibilidade com relação à potência que uma fonte fornece a um Z0 terminação.

Com o circuito da Figura 1, o termo geral "carga combinada" pode se referir a duas condições diferentes: \(Z_L=Z_S^*\) e ZL = Z0. A primeira condição corresponde ao teorema da máxima transferência de potência, enquanto a segunda condição dá uma carga sem reflexão. O uso do termo carga combinada às vezes pode causar confusão. Para ser mais claro, podemos usar o termo "correspondência conjugada" para nos referirmos a \(Z_L=Z_S^*\) e os termos "correspondência Z0" ou "correspondência sem reflexão" para descrever ZL = Z0.