RF impedantie en aanpassing

Ik merk dat je met 'aanpassing' steeds 'vermogensaanpassing' bedoelt. Dat is dus de omstandigheid waarin je het absoluut maximale vermogen uit de bron in je belasting krijgt. De vraag moet eerst zijn, of je dat altijd wilt.

Bij een VHF/UHF-ontvanger ingang is dat meestal niet zo. Daar is de signaal-ruisverhouding belangrijker, en die is niet optimaal bij vermogensaanpassing, maar bij een andere 'aanpassing'. Je signaal is dan iets minder, maar de ruis is stérker verminderd door de 'misaanpassing', waardoor de signaal-ruisverhouding toch beter is.

Bij een accu bijvoorbeeld gebruik je ook geen vermogensaanpassing; bij het lichtnet ook niet, en bij een zendereindtrap voor HF ook niet. In al die gevallen is het rendement belangrijker. Bij vermogensaanpassing is het rendement zelfs in het ideale geval maar 50%. Bij vermogenselektronica en bij de meeste HF-zenders is het rendement groter.

Bij oscillatoren is vermogensaanpassing ook niet aan de orde. Hier is 'isolatie' belangrijker: het voorkomen van terugwerking. Versterking kan altijd nog.
Hoe meet jij trouwens de uitgangsweerstand van een oscillator?

Aanpassen aan een bepaalde impedantie kan altijd; of het nu voor vermogens- of voor andere soorten aanpassing is. Maar je moet eerst precies weten wat je wilt.
Een goed afgeregelde 100W-eindtrap, die inderdaad 100 W levert aan 50 ohm, kun je door een gewijzigde afregeling meestal wel méér laten afleveren. Maar dat is niet waar de transistor voor gemaakt is. Het gaat daarbij dus niet om aanpassing op maximaal vermogen, maar op ontwerpvermogen.

Toegegeven: vroeger was het gemakkelijker hierover te leren, want toen was er nog geen internet om je in de war te maken met allerlei onware en halfware verhaaltjes. (geloof mij dus ook niet...)
Google eens op Bowick: RF Circuit Design. Daarvan zul je een stuk wijzer worden, en sneller dan door internet.

Ha Richard S,

Echter waar begin je hiermee? Ik heb een oscillator, hoe bepaal ik de uitgangsimpedantie daarvan

Het begint bij de oscillator daarna je buffer omdat je oscillator groot signaal is en dus knap eigenwijs altijd een aanpassing ( buffer gebruiken )!!

Als je je oscillator ziet als een zwarte doos, met een spanningsgenerator en een interne impedantie,
dan zegt de elementaire circuittheorie dat je de maximale vermogensoverdracht krijgt wanneer,
de belasting weerstand gelijk is aan de reële deel impedantie van de oscillator,
en wanneer de belasting reactantie de denkbeeldige deel impedantie van de oscillator opheft.
Tot zover is het jou duidelijk want dat schrijf je zelf.....

Als je het hebt over een ongebufferde oscillator, dan is dat helaas per definitie een groot signaalapparaat.
Dat betekent dat de interne impedantie een functie is van wat de belasting impedantie is en zeer dramatisch kan veranderen.

Je zal een soort push pull meting, of beter harmonische push pull meting willen doen.
De laatste is de meest nauwkeurige manier om dit te doen.

Dan krijg je de volgende stap deze heeft @Frederick E. Terman toegelicht.
Hoe wil je dat de overdracht er uit ziet maximale vermogen, optimale ruis aanpassing, stroom of spanning overdracht.
In jou vraag van de oscillator wil je de spanning uit de generator overdragen aan een buffer,
nu komen we eigenlijk waar we begonnen zijn het buffer draadje van @rob007

Dit betekend dat de ingang van de buffer hoog moet zijn om een zo'n klein mogelijke spanningsval over de inwendige weerstand te veroorzaken !
Kijk hier voor even naar de wet van Jacobi.....
Dus aan jou de keuze dan kunnen we verder, het ligt heelemaal aan de volgende trap je buffer.

PS: Heb je bij het simuleren ook de oscillator uitgezet ?

Groet,
Henk.

Dank heren voor de feedback.

Tja wat bedoel ik met aanpassing of wat wil ik bereiken...

Volgens mij is het voor de stabiliteit van een rf versterkertrap belangrijk dat je die met de juiste impedantie afsluit, dus de uitgangsimpedantie van de vorige trap afsluiten met een b.v. een L-netwerk dat een conjugate heeft van het imaginaire deel zodat die 2 elkaar opheffen en waarbij uiteraard ook het reële deel gelijk is. In dat geval heb je inderdaad maximale vermogensoverdracht maar dat is voor mij bijzaak, het gaat mij als eerste om de stabiliteit, het rendement is bij dit soort trappen niet van belang.

Expres een misaanpassing maken ivm signaal/ruis verhouding? Dat is onontgonnen gebied voor me en ik vraag me echt af of dit stabiel genoeg gaat zijn. Ik heb ook geen mogelijkheden om de SNR te meten...

De aanpassing speelt overigens niet zo zeer tussen oscillator en inderdaad de buffer maar wel tussen de volgende trappen waar ik met de twee-trimmers-spanningsdeler nog al eens merk dat ik een trap aan het oscilleren kan krijgen. De BFY90 trap doet zo'n 17dB versterking en dat is best veel zodat misaanpassingen ongewenst zijn.

De uitgangsimpedantie van de oscillator heb ik met de NanoVNA bepaald zonder terugkoppeling. Ik weet dat dit niet 100% realistisch is omdat het werkpunt dan anders is maar zoals gezegd is het niet zo heel belangrijk met een buffer erachter, ik was gewoon benieuwd wat ik zou meten.

En inderdaad heb ik dat boek van Bowick aangeschaft en ben ik nog steeds volop in studie.

Dus samenvattend:
- Oscillator buffer aanpassing is niet van belang, Ik ga daar de mosfetbuffer voor gebruiken met een minimale koppeling. Ik stap hier dus af van de inductieve inkoppeling. Waarschijnlijk ga ik een klein draadje gebruiken als een soort van oppikspoel nabij de oscillator kring.
- Bij alle volgende trappen is de onderlinge aanpassing wel van belang.

De hamvraag is dan hoe die aanpassing te doen. Alle circuits die ik tegenkom maken gebruik van 50Ω. Maar tussen 2 circuits heb ik uiteenlopende waardes die zeker geen 50Ω zijn. MOet ik dan eerst naar 50Ω transformeren en dan idem van 50Ω naar de Zi van de volgende trap?

De 2e hamvraag is hoe meet ik nu correct de in- en uitgangs-impedantie met mijn VNA (die overigens ook 50Ω is).
Ik heb vandaag wat aanpassingen gemaakt aan de trap (trimmers eruit en vaste C over de inductie), de trap is nu resonant op ca 145MHz.
Dit zijn de uitslagen:

Zi=10,3+j50Ω (dit is met de uitgang onbelast)
Zi=78,4-J71Ω (dit is met 50Ω afsluiting)
Daar zit dus een fiks verschil tussen...

Zo=138+J34Ω (ingang open)

Ik heb 2 RF trappen met de BFY90 achter elkaar om uiteindelijk aan 0dBm te komen. De 2e RF trap moet dus aangepast worden aan de eerste. Hoe gaat dit in zijn werk met b.v. een smithchart want ik heb nergens 50Ω?

Maar tussen 2 circuits heb ik uiteenlopende waardes die zeker geen 50Ω zijn. MOet ik dan eerst naar 50Ω transformeren en dan idem van 50Ω naar de Zi van de volgende trap?

Nee, dat hoeft niet.
Naar 50 ohm ga je wel als het uitwisselbare modules betreft - dan ga je niet alleen naar 50 ohm, maar vaak ook naar een bepaald standaard vermogensniveau -, of als je een wat grotere afstand moet overbruggen met het signaal zodat coaxkabel handig wordt. Maar op een en dezelfde print hoeft het niet.

Met de VNA een ingangsimpedantie meten kan strikt genomen alleen bij het vermogen waarmee de trap uiteindelijk moet gaan werken. Voor lineaire versterkers (dus ook bijv. MF-trappen in een ontvanger) komt het niet zo nauw, zolang je tenminste niet overstuurt; maar bij niet-lineaire trappen, zoals drivers en eindversterkers voor CW of FM, wel.

De uitgangsimpedantie meten met de VNA lijkt me een hele toer. Ik zou bijna zeggen: dat kan niet; of in elk geval alleen met een lineaire versterker.
Het is vaak gemakkelijker gewoon de belastingweerstand te variëren en dan te kijken wat het uitgangssignaal doet (amplitude, en eventueel ook de fase). Daarna even rekenen.
Eigenlijk kun je aan de ingang ook op zo'n manier wel meten.

Dit zijn de uitslagen: [...] Daar zit dus een fiks verschil tussen...

Altijd als er terugkoppeling (tegenkoppeling) is, is dit normaal gedrag. Stel bijvoorbeeld dat je parallel-spanningstegenkoppeling hebt. Dan werkt de uitgangsspanning de ingangsspanning tegen, en de bron moet dus meer stroom leveren dan zonder tegenkoppeling het geval zou zijn.
Als je nu de uitgang kortsluit, dan is er geen tegenwerking meer, en stijgt de ingangsimpedantie dus. En met een open uitgang is er juist méér tegenwerking aan de ingang, zodat de impedantie daar daalt.
Voor de andere soorten tegenkoppeling kun je een dergelijke redenatie opzetten.

Aan de uitgang gebeurt iets soortgelijks, door diezelfde tegenkoppeling. Sluit je de ingang kort, dan 'verdwijnt' het ingangssignaal dat eerst van de uitgang kwam, zodat de uitgang dan een ander gedrag krijgt dan eerst.
Probeer maar eens een standaard trapje in Simetrix, zodat je de formules uit het boek kunt testen. Het werkt!

--

Expres een misaanpassing maken ivm signaal/ruis verhouding?

We noemen dat geen misaanpassing, maar ruisaanpassing. Bij variërende ingangsimpedanties varieert de signaal-ruisverhouding. We regelen af op het maximum van die S/N.

Eén manier om hiervan een idee te krijgen, is je bijvoorbeeld voor te stellen dat alle ruis uit een ruis-stroombron komt die parallel aan de antenne staat. Het is dan gunstig de ontvanger wat laagohmiger te maken, omdat de ruisbron (hoogohmig!) daar 'minder goed tegen kan' dan het antennesignaal.

Bij vermogensaanpassing zou het ruisgetal nooit beter dan 3 dB kunnen zijn. Maar goede voorversterkers hebben een ruisgetal dat veel beter is, tot onder 1 dB.
Vergelijk dat met het rendement van eindversterkers, dat bij vermogensaanpassing maar maximaal 50% kan zijn, maar normaal ook veel hoger is (maar dan dus niét met vermogensaanpassing).

Kortom: vermogensaanpassing komt helemaal niet zo vaak voor. Aan de ingang niet, aan de uitgang niet, bij de oscillator niet; en onderweg is het vaak minder belangrijk - resonant is vaak al voldoende.
Alléén als je een lange leiding op moet, én per se geen reflecties wilt hebben, dán wordt vermogensaanpassing (daar dus: aanpassing aan de lijn) wel echt belangrijk.

Ik geloof dat ik je wel volg. Maar aan de andere kant de NanoVNA heeft zelf een impedantie van 50Ω. Dus als ik de in- of uitgangs-impedantie meet dan is dat voor een belasting van 50Ω. Dat zou dus betekenen dat de dubbele transformatie achterwege kan blijven en dat ik met de gemeten genormaliseerde niveau's in een smithchart kan werken?

En dan zou ik dus altijd de meting moeten doen met 50Ω afsluiting aan de andere zijde. Maar dit is rijden op dus ijs...

Overigens is dit allemaal klein signaal onder de 0dBm en de versterkers zijn klasse-A en dus ook lineair bij deze amplitudes. Zelfs mijn NanoVNA blijft ruim onder de 0dBm.

Ik heb wat spullen besteld om de L-aanpassingen (bepaald m.b.v. de Smithchart) te testen tussen b.v. de RF trappen. Ben benieuwd of dat een beetje gaat kloppen en de instabiliteit niet meer aanwezig is...

Ha Richard S,

Even niet te snel graag...... maar stap voor stap, je weet nu hoe je kan tekenen op de S-kaart.
Als je de VNA kalibreert dan is je referentievlak bijvoorbeeld 50Ω je kunt nu elke impedantie meten binnen je bereik !
Nu komt het er op aan zelf mee denken..... het te meten opject zal een impedantie laten zien is dit goed of fout ?
De resultaat beoordeling doe jij zelf niet de VNA dus als je de VNA afsluit met 75Ω zal de trace niet op 0 maar op 0,2 geschreven worden.
Aan jou de beoordeling is dit goed of fout, omdat je weet dat de afsluiting precies 75 Ω moet zijn is dit goed !
Zou de meting uitvallen op 0,25 dan is je afsluitweersand niet precies 75 Ω en zal je moeten rekenen naar het referentievlak.....
Waarom een aanpasnetwerk je zit niet met een offset die moet elimineren en je heb geen mechanisch probleem naar je DUT.
Later meer.....

Groet,
Henk.

Dag Henk, ik ga misschien wat snel maar daar is een goede reden voor, ik heb nu vakantie en de tijd om dit uit te spitten...

Wanneer ik de VNA afsluit met 75Ω dan heb ik feitelijk 75Ω parallel aan 50Ω, dat geeft 30Ω en dat zou op de VNA S-chart weergegeven worden als 0,6. Toch? Ik ga dit gewoon ff testen straks om een indruk te krijgen...

Je laatste zin, ik begrijp niet goed wat je daarmee bedoeld?

Edit: vergeet mijn berekening maar boven, nog niet helemaal wakker. Wanneer ik 75Ω afsluit geeft de VNA natuurlijk 1,5 weer...

[Bericht gewijzigd door Richard S op vrijdag 21 juli 2023 12:28:24 (14%)]

Ha Richard S,

De zender van de VNA is een spanningsbron geen stroombron dus een serie weerstand geen shunt weerstand !

Wat er gebeurt even zonder formules die heb je vast allemeel gelezen is het volgende,
de bron weerstand ( als je een goede zender gebruikt is deze Ω ) is 50 Ω de generator vertegenwoordicht een EMK spanning ( openklem ) !
Als de generator afsluit met zijn inwendige weerstand zal de halve spanning over deze inwendige weerstand vallen.
Dus 1 V openklem kis 0,5 V effectieve bronspanning.
Als je nu de belasting varieert naar boven of naar beneden dan zal de spanningsval over de inwendige weerstand ook variëren hoger of lager.....
Dit geeft de methode weer die @Frederick beschrijft voor het meten van de oscillator en is een simpele versie van wat ik gebruik.
Omdat een regelbare weerstand op hoogfrequent niet zo simpel is regebaar wil zeggen een weg die je moet afleggen,
dat is qua inductie niet goed in de hand te houden.
In hoogfrequent maak je dan ook gebruik van slide tuners voor de load pull methode ik heb er een aantal,
verder maak ik gebruik van gekalibreerde misaanpassingen......
Probeer een weerstand van 75 of 100 Ω te meten.
Mijn laatste opmerking als je een impedantie transformatie toepas zeg van 50 Ω naar 75 Ω en je sluit af met 75 Ω dan heb je in feite een 75 Ω VNA gecreëerd !
Maar ook de mechanische constructie is kwetsbaar het blijft opletten de binnen pen van een 50 Ω conrctor is dikker dan een 75 Ω bus

Groet,
Henk.

Zo langzamerhand raak ik het spoor kwijt. Ik zoek praktische handvatten om de impedantieaanpassing te maken maar hoewel jullie antwoorden behulpzaam zijn kom ik niet echt verder en dat vind ik zonde van mijn (vakantie)tijd.

Ik heb inmiddels de attenuators binnen. Meting met 10dB attenuator geeft nagenoeg hetzelfde resultaat (er is dus geen oversturing door VNA)

Ik heb de VNA van de laatste software voorzien (nu geen verschil meer tussen VNA en VNA saver

Ik krijg morgen mijn SMA connectoren binnen

Aldus besloten om de koe maar bij de horens te pakken. Ik heb 2 Rf trappen waartussen ik een aanpassing nodig heb. Ik ga daar dus mee aan de slag in een proefopstelling.

wordt vervolgd

Ik zoek praktische handvatten om de impedantieaanpassing te maken

Als je de twee impedanties weet waartussen je (vermogens-)aanpassing wilt maken, dan is het verder een kwestie van een circuit kiezen en uitrekenen.
De impedanties kun je meten blijkbaar, en de netwerken ken je.
Als het helpt, kun je nog eens laten zien wát je precies aan elkaar wilt hangen, zodat we kunnen 'meekijken'.

Eventueel nog dit: zelfs van de eenvoudigste netwerken (meestal de L) zijn er altijd twee, soms zelfs vier, die alle de juiste aanpassing geven op de werkfrequentie, laten we zeggen 'f_X'.
Wat ze op ándere frequenties doen, verschilt natuurlijk.
Het zou dus kunnen dat je versterkertrap met het éne netwerk gaat oscilleren op een andere frequentie, zeg 'f_Y', en met het andere netwerk niet, omdat de netwerken weliswaar op ontwerpfrequentie f_X hetzelfde gedrag vertonen, maar op f_Y heel verschillend gedrag (bv. capacitief/inductief, of laag/hoogimpedant, of een combinatie).

Na een week prutsen met de smith chart, het zelf berekenen van de aanpassingen en nameten met de VNA van gemaakte netwerkjes ben ik daar mee gestopt. De VNA heeft nogal wat afwijkingen wanneer je koppelingen gaat maken die iets langer zijn. Ik gebruik wel sma connectoren en kabels maar tijdens het ijken heb ik een busje nodig dat er tijdens de meting weer niet tussen zit. Het komt allemaal heel nauwkeurig en ik kreeg het nooit 100% goed totdat ik spoelen ging verbuigen...

Maar dit heeft me wel geholpen om aanpassings netwerkjes te kunnen bepalen en heb er dus veel van opgestoken.

In de 2e week ben ik aan de slag gegaan met de simulator. Daarin kan je duidelijker zien wat je aan het doen bent. Maar het verslag daarvan komt in mijn andere draadje.

Dit draadje mag dicht wat mij betreft