Les bases du ROS et de l’impédance

ROS ou le rapport d’onde stationnaire), comprendre le rôle et les implications de l’impédance dans les lignes de transmission RF et les antennes est essentiel à la réussite des performances du système.

Dans toute conception nécessitant le transfert d’un signal RF et de son énergie d’un bloc fonctionnel ou d’un composant d’un système à un autre dans la chaîne du signal, il y a presque toujours le problème de l’adaptation d’impédance. En outre, il existe également le sujet étroitement associé du ROS (rapport d’onde stationnaire) en ce qui concerne les lignes de transmission et les antennes (ne vous inquiétez pas : le ROS (rapport d’onde stationnaire) est défini et discuté en détail ci-dessous). Cette FAQ examine plusieurs aspects de ces deux sujets étroitement liés : les problèmes sous-jacents, la prise de mesures et la mise en œuvre de solutions correspondantes.

Q : Quel est le problème d’adaptation d’impédance et sa réponse ?

R : Dans les circuits RF (et ceux à basse fréquence et même à courant continu), un objectif important est de faire passer la puissance RF le long de la chaîne de signal. L’analyse du circuit de Venin montre que la puissance maximale est transférée lorsque l’impédance de la source et l’impédance de la charge sont des conjugués complexes l’une de l’autre. (Vous pouvez voir des preuves de cette situation peut-être non intuitive dans les références 1 et 2 ). Mathématiquement, le transfert de puissance maximum est obtenu lorsque l’impédance de sortie de la source (Z _S =R _s +jX _s ) est égale au conjugué complexe de l’impédance d’entrée de la charge (Z _l =R _L -jX _L ). C’est ce qu’on appelle l’appariement conjugué.

Pour les situations purement résistives, cela signifie simplement que les impédances de source et de charge doivent avoir la même valeur (Figure 1) . Mais pour les charges non résistives avec des aspects réactifs, les choses sont plus compliquées : une source capacitive a besoin d’une charge inductive, et vice versa (Figure 2) .

 

Q : Pourquoi les problèmes d’impédance sont-ils plus compliqués pour les circuits RF que pour les systèmes à basse fréquence et même à courant continu ?

R : La raison en est que l’impédance est fonction de la fréquence. Pour les régions à basse fréquence et à courant continu, la composante réactive de l’impédance est souvent assez petite et négligeable ; les capacités et inductances parasites et parasites inévitables y sont généralement insignifiantes mais ne peuvent être ignorées dans les gammes mégahertz et gigahertz. Dans la gamme audio (20 Hz à 20 kHz), l’impédance de sortie d’un amplificateur doit être adaptée à une impédance de haut-parleur pour fournir un transfert de puissance maximal et donc le volume sonore maximal. Les valeurs réactives à basse fréquence peuvent être un problème ; cependant, même un moteur 50/60 Hz a une inductance considérable dans ses enroulements, affectant le transfert de puissance et les caractéristiques du pilote lors de l’entraînement du moteur.

Q : Les problèmes d’impédance sont-ils uniquement liés à l’électronique ?

R : Non, c’est important chaque fois qu’un système a besoin de transférer de l’énergie, telle que l’énergie ultrasonore d’un émetteur acoustique à la peau puis dans le corps, ou de détecter l’énergie ultrasonore réfléchie. Encore une fois, cet article se concentre sur l’impédance et les problèmes connexes uniquement dans le spectre électromagnétique à haute fréquence.

Q : Que signifient la source et l’impédance de charge « adaptées » ?

R : Maximiser ce transfert de puissance est une priorité de conception importante. Lorsque les ingénieurs disent que leurs impédances sont « adaptées », cela ne signifie pas qu’elles sont égales. « Apparié » est le terme standard mais peut-être déroutant dans ce sens. Il est important de garder à l’esprit que « appariés » signifie que les impédances sont des conjugués complexes les unes des autres, pas égaux. Bien sûr, pour les impédances de source et de charge uniquement résistives, elles sont égales.

Q : Quelle quantité de puissance peut idéalement être transférée dans des conditions adaptées ?

R : Les calculs et l’analyse montrent que le maximum est de 50 %.

Q : Le transfert de puissance maximal et l’efficacité maximale sont-ils identiques ?

R : Non, mais ils sont souvent confus. L’efficacité est le pourcentage de puissance d’entrée qui est dissipée dans la charge. Si la résistance de charge est augmentée, une efficacité plus élevée peut être obtenue. En revanche, le théorème de transfert de puissance maximale définit la résistance de charge, qui obtiendra l’amplitude maximale de la puissance fournie par la source. Cependant, la puissance d’entrée de la source dépend de la charge ; si la résistance de charge est augmentée, la puissance globale diminue en amplitude, mais le pourcentage de puissance d’entrée transféré à la charge augmente.

En d’autres termes, à mesure que la résistance de charge augmente, plus de puissance est dissipée dans la charge que dans l’impédance de la source, et donc l’efficacité est augmentée. L’amplitude de la puissance globale est cependant diminuée en raison de l’augmentation de la résistance. De même, si la résistance de charge diminue, un pourcentage inférieur de la puissance d’entrée totale est dissipée dans la charge et le rendement diminue. Dans la plupart des conceptions RF, le transfert de puissance maximal est la principale préoccupation.

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