Forum: HF, Funk und Felder Impedanz-Fehlanpassung: Folgen?


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Matthias G. (mag)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo zusammen

Ich lerne zur Zeit den Entwurf von HF-Kleinsignalschaltungen. (Habe u.a. 
"RF Circuit Design" von Chris Bowick gelesen.)

Dazu folgende Frage: Um die maximale Leistung von einer zur nächsten 
Stufe zu bringen, werden HF-Schaltungen ja meistens mit angepassten 
Impedanzen entwickelt (Impedanz einer Quelle = komplex-konjugierte 
Impedanz einer Last).

Nun ist mir klar, dass dies nötig ist, um die maximal Leistung zu 
übertragen.

Aber:
Was passiert, wenn die Impedanzen NICHT angepasst werden?

Mir fallen diese Folgen von Fehlanpassung ein:

1) Leistungsverlust : Nur ein Teil der Leistung der Quelle gelangt zur 
Last.

2) Reflexion (Leistung): Von der Last wird die nicht aufgenommene 
Leistung zur Quelle reflektiert.

3) Reflexion (Signalverfälschung): Das reflektierte Signal kann die 
Signalform verfälschen. Es kann z.B. zum Ringing kommen bei kurzen 
Impulsen.

zu 1): Leistungsverlust kann ein Problem sein, muss aber nicht. 
Leistungsverlust kann auch tolerierbar oder sogar erwünscht sein 
(Dämpfung zu grosser Signale).

zu 2): Dies scheint für mich eher ein Problem für Leistungsschaltungen 
zu sein (z.B. Sender), wo evtl. Bauteile zerstört werden. Bei 
Kleinsignal-Schaltungen ist das wohl kein Problem.

zu 3): Dies kann natürlich sehr störend sein. Aber wenn ich Ringing 
richtig verstehe, ist der Effekt ganz Wesentlich vom Abstand zwischen 
Quelle und Last abhängig. Wenn die Laufzeit des Signals  klein ist im 
Vergleich zur kleinsten möglichen Anstiegszeit des Signals, stört doch 
die Reflexion nicht? (Reflektiertes Signal wird vom eigentlichen Signal 
„überschattet“). Korrekt?

Somit sehe ich eigentlich nur Punkt 1) als Nachteil für 
Kleinsignal-HF-Schaltungen – und auch nur dort, wo wirklich gar keine 
Leistung verloren gehen darf (z.B. HF-Empfänger-Eingangsschaltung.)

Sehe ich diese Punkte richtig?
Gibt es weitere Folgen von Impedanz-Fehlanpassung?

Andererseits kann Fehlanpassung doch auch Vorteile haben, z.B.:
A) Einfachere Schaltung.
B) Grössere Stabilität.

A) ist offensichtlich. B) Ist mir nicht ganz klar, aber ich meine 
gelesen zu haben, dass z.B. Transistorverstärker weniger zu 
Rückkopplungen neigen, wenn sie nicht sowohl am Eingang, wie auch am 
Ausgang angepasst sind. Falls dazu jemand mehr weiss, würde mich das 
interessieren.

Im Voraus vielen Dank für alle Antworten und Kommentare!

von Ralf (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bei Kleinanlagen (Antennenverstärker, ...) ist das kein Problem. Bei 
Großanlagen (Sendeendstufen) muss immer ein Dummy-Load mit dem 
entsprechenden Wellenwiderstand (50 Ohm, 75 Ohm, 240 Ohm) an den Ausgang 
geschaltet werden.

Eine Signalverfälschung ist auch nicht schlimm, weder bei AM noch bei 
FM. Die Trägerfrequenz ist trotzdem in der Lage die Information zu 
transportieren.

von Michael F. (michael_ng) Benutzerseite


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Selbst im Kleinsignal-Bereich sind pauschale Aussagen zur Relevanz der 
Anpassung nicht machbar. Gerade im kommerziellen Sektor sind die Punkte 
Serienstabilität und Reproduzierbarkeit wichtig.

Je nach Schaltungstopologie neigen zum Beispiel fehlangepasste Stufen zu 
vermehrten Parameterstreuungen, das ist nicht gut für die 
Prozess-Statistik.
Weitere Punkte sind etwaige Einflüsse auf Bandbreite, SNR / 
Empfindlichkeit, Linearität usw. (es gibt heute ein bisschen mehr als 
simple AM und FM).

Anpassung darf man sich im kommerziellen Schaltungsdesign für mittlere 
und hohe Stückzahlen auch nicht so vorstellen, als dass alles in 50 
Ohm-Technik auf 50,00+0,00j Ohm entwickelt wird.
Anpassung im GHz-Kleinsignal-Bereich bedeute meist: alles (gemessene) 
unter |100| Ohm ist super, hoffen wir das es in der Serie so bleibt. ;-)

Im klassischen HF-Design gibt es noch einen Punkt, bei dem mit 
Leistungs-Fehlanpassung gearbeitet wird.
Das Stichwort lautet hier: Rauschanpassung.

von Rainer V. (rudi994)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Matthias G. schrieb:
> dass z.B. Transistorverstärker weniger zu Rückkopplungen neigen, wenn
> sie nicht sowohl am Eingang, wie auch am Ausgang angepasst sind.

Das kann schon sein, weil dann ja die Verstärkung geringer ausfällt.

Ralf schrieb:
> Signalverfälschung ist auch nicht schlimm

Stimmt, wenn man sich das Getöse von FM-Dödelsendern anhört. Aber erzähl 
das mal den Audio-Freaks oder den Freunden der klassischen Musik :)

von Wolfgang H. (Firma: AknF) (wolfgang_horn)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hi, Matthias,

> Was passiert, wenn die Impedanzen NICHT angepasst werden?

REFLEKTION ist die Folge. Ein Teil der Energie der Quelle wird von der 
Senke in diese zurück gespiegelt.

Impedanz, Spannung und Strom sind fest miteinander verkoppelt. Ein 
Eingang mit der Eingangsimpedanz von 50 Ohm nimmt bei 50 uV genau 1 uA 
auf. Sollte die speisende Baugruppe mehr Strom einprägen wollen, dann 
kommt der zurück und wir messen auf der Leitung eine VSWR, Voltage 
Standing Wave Ratio.

Deshalb - löst Du das Kabel zwischen Senderendstufe und Sendeantenne, 
dann ezeugst Du am Kabelende einen Leerlauf, die Enstufe sieht das Kabel 
als fast verlustlosen Resonanzkreis und kann deshalb durchbrennen.

Bei Signalketten ist an deren Ende das Verhältnis zwischen Nutzsignal 
und Summe der Störsignale wichtig. Zu diesen gehört sowohl das Rauschen, 
als auch die Klirrgeräusche durch Intermodulationen.
Folge: Sollte irgendwo in der Kette die Nutzleistung wegen Fehlanpassung 
zu sehr absinken, muss sie wieder verstärkt werden - und das Rauschen 
des ersten Transistors nach dem Engpass ist nie wieder loszuwerden.
Andererseits - wer zu viel verstärkt, der bekommt Intermodulationen, die 
er auch nie wieder los wird.

Folgerung: Immer richig anpassen!

Ciao
Wolfgang Horn

von Audiomann (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> immer anpassen
???

Für Hochfrequenz mag das gelten, aber im Audiobereich gibt es das so 
nicht. Die Impedanz von Verstärkern ist z.B: in der Regel bei einem Ohm 
maximal und geringer, oftmals liegt sie bei den 1kHz im Bereich von 0,1 
Ohm und das bei Lautsprechern von nominal 4 Ohm und mehr.

von Matthias G. (mag)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Danke für alle Antworten.

Um erst mal ein paar Dinge klarzustellen: Es geht mir hier um 
schmalbandige HF-Schaltungen mit kleiner Leistung (höchstens Milliwatt, 
eher Mikrowatt). Dass bei Sendern (hohe Leistung) und im Audiobereich 
(breitbandig) andere Dinge zu beachten sind, ist mir klar. Ebenso 
verstehe ich, dass es zur Reflexion kommt (siehe erster Beitrag).

@Michael: Danke für Deine detaillierte Beschreibung der Auswirkungen 
insbesondere in der Serienfertigung.

Michael F. schrieb:
> Weitere Punkte sind etwaige Einflüsse auf Bandbreite, SNR /
> Empfindlichkeit, Linearität usw. (es gibt heute ein bisschen mehr als
> simple AM und FM).

Kannst Du diese Punkte vielleicht noch etwas ausführen?

Meine Überlegungen dazu:

1) Bandbreite: inwiefern hängt diese von der Anpassung ab? Ich sehe das 
eher umgekehrt: Wenn Anpassung erwünscht ist, muss das 
Anpassungsnetzwerk so ausgelegt werden, dass die Impedanzen auch 
wirklich über die gesamte Signalbandbreite angepasst sind. Fehlanpassung 
ist doch dann gleichsam "von selbst" breitbandig. Liege ich hier falsch?

2) SNR / Empfindlichkeit: Natürlich geht an der nicht-angepassten Stelle 
Leistung des Nutzsignals verloren (-> SNR schlechter als prinzipiell 
möglich). Gibt es noch andere Effekte, die sich auf das SNR auswirken?

3) Linearität: Inwiefern hängt die Linearität von der Impedanz ab? Wird 
diese nicht durch die Signalstärke im Vergleich zu den entsprechenden 
Spezifikationen der Bauteile (z.B. IP3) festgelegt? Bei kleinerer 
Leistung (infolge Verlusts durch Fehlanpassung) müsste doch dann die 
folgende Stufe umso linearer arbeiten?

Es würde mich interessieren, ob ich bei diesen Punkten falsch liege.

von Hp M. (nachtmix)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Matthias G. schrieb:
> 2) SNR / Empfindlichkeit: Natürlich geht an der nicht-angepassten Stelle
> Leistung des Nutzsignals verloren (-> SNR schlechter als prinzipiell
> möglich).

Eben nicht.
Michael F schrieb es schon, dass man für optimales SNR vorsätzlich 
Fehlanpassung erzeugt:

Michael F. schrieb:
> Im klassischen HF-Design gibt es noch einen Punkt, bei dem mit
> Leistungs-Fehlanpassung gearbeitet wird.
> Das Stichwort lautet hier: Rauschanpassung.

Die entsprechenden Erläuterungen und Verfahren darfst du dir in 
Lehrbüchern und Applikationsberichten selbst zusammensuchen. Man sagt, 
heute könne man solche Literatur auch im Internet finden.

Matthias G. schrieb:
> 3) Linearität: Inwiefern hängt die Linearität von der Impedanz ab?

Mit Linearität sind nicht nur Oberwellen und Intermodulation gemeint, 
sondern bei den heutigen digitalen Modulationsverfahren, und selbst 
schon beim alten analogen Fernsehen, spielt die Phasenlinearität eine 
wichtige Rolle.

von Timmo H. (masterfx)


Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Von welchen Frequenzen und Leiterbahnlängen reden wir hier denn?
Also 250 MHz mit "elektrisch kurzer" Freiluftverdrahtung ist zumindest 
kein Problem. (obiges Bild ist ein Gbit Ethernet Phy + Trafo, dessen 
Analogsignale (250 Mhz) über ein Analogswitch (provisorisch) geschaltet 
werden... läuft einwandfrei. Anpassung... drauf gesch****n ;-) . Klar 
auf die Distanz ist 250 MHz quasi DC...

: Bearbeitet durch User
von Michael F. (michael_ng) Benutzerseite


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wie ich schon schrieb: Pauschale Aussagen sind nicht möglich.

Wie Hp M. richtig schrieb:
> Mit Linearität sind nicht nur Oberwellen und Intermodulation gemeint, ...

Allgemein bedeutet Fehlanpassung in der Praxis: Komplexe Impedanz, d.h. 
(undefinierte) frequenzabhängige Betrags- und Phasengänge.

Wenn der Signalpegel reicht, mag das einem Funkthermometer-FSK-Empfänger 
egal sein.

Bei einer 8 MHz breiten 4096-QAM in einem DBV-C Empfänger sollten Pegel- 
und Phasegänge des Signals durch irgendwelche (vermeidbaren) komplexen 
Impedanzen evtl. nicht noch zusätzlich "strapaziert" werden.

von Wolfgang H. (Firma: AknF) (wolfgang_horn)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hi,Audiomann,

>> immer anpassen
> ???

Verzeih mir, den welligen Gleichstrom in meiner pauschalen Aussage 
übersehen zu haben.
Reflektionen stören erst, wenn (wieder Faustformel) die betroffene 
Leitung länger ist als Lambda/10.

Im Audiobereich kommt das in Heimanwendungen nicht vor.

Ciao
Wolfgang Horn

von Hp M. (nachtmix)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Timmo H. schrieb:
> Anpassung... drauf gesch****n ;-) .

Das ist aber keine Antwort auf die Frage.



Wolfgang H. schrieb:
> Reflektionen stören erst, wenn (wieder Faustformel) die betroffene
> Leitung länger ist als Lambda/10.

Für Meßzwecke reden wir lieber von λ/100.
Diese Uhrmacherpräzision macht die GHz-Technik ja so teuer.

: Bearbeitet durch User
von qfn (Gast)


Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich hänge mich mit meiner Frage mal an diesen Thread dran:
Wie spielt da eigentlich die Quellimpedanz mit rein?
Dass die Leitungsimpedanz zu der Impedanz der Last passen muss ist ja 
klar, aber warum ist die Impedanz der Quelle nicht egal? Bzw. was 
vernachlässige ich in der Simulation aus dem Anhang? In der ist die 
Quellimpedanz ja egal.
Wenn ich die Quellimpedanz erhöhe kommt natürlich auch weniger Leistung 
an der Last an.

von Matthias G. (mag)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wenn ich das richtig sehe, lassen sich obige Punkte wie folgt 
zusammenfassen:

Meine Liste der (unter Umständen) negativen Folgen von Fehlanpassung ist 
so zu ergänzen:
4) vermehrte Parameterstreuungen
5) Signalverfälschung in Folge von Phasenverschiebung

Und diejenige zu den positiven Folgen so:
C) Bei korrekter Rauschanpassung: besseres SNR.

Eine Frage zur Phasenverschiebung: Ohne jetzt das ganze durch gerechnet 
zu haben, würde ich erwarten, dass es nur zu einer Phasenverschiebung im 
durchlaufenden (nicht reflektierten) Signal kommt, wenn eine der beiden 
Impedanzen einen Imaginärteil ungleich null hat.

Trifft das so zu?

(Falls zwei reelle, aber ungleiche Impedanzen auf einander folgen, gibt 
es nur eine durchlaufende Welle ohne Phasenverschiebung und eine 
reflektierte Welle, die exakt um 180° phasenverschoben ist (deshalb wird 
sie ja reflektiert).)

von Wolfgang H. (Firma: AknF) (wolfgang_horn)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hi, qfn,

> Ich hänge mich mit meiner Frage mal an diesen Thread dran:
> Wie spielt da eigentlich die Quellimpedanz mit rein?
Genauso. Quellimpedanz -> Leitungsimpedanz -> Eingangsimpedanz.

> Dass die Leitungsimpedanz zu der Impedanz der Last passen muss ist ja
> klar, aber warum ist die Impedanz der Quelle nicht egal?
Weil bei Fehlanpassung Quellimpedanz -> Leitungsimpedanz auch schon 
Leistung reflektiert wird.

> Wenn ich die Quellimpedanz erhöhe kommt natürlich auch weniger Leistung
> an der Last an.
Die Simulation habe ich übersehen, mir genügt die Kenntnis der 
Naturgesetze..
JEDE Fehlanpassung bewirkt Reflektion und mindert das Verhältnis von 
Nutz- zu Störsignal.

Ciao
Wolfgang Horn

von Hp M. (nachtmix)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Matthias G. schrieb:
> Falls zwei reelle, aber ungleiche Impedanzen auf einander folgen, gibt
> es nur eine durchlaufende Welle ohne Phasenverschiebung und eine
> reflektierte Welle, die exakt um 180° phasenverschoben ist (deshalb wird
> sie ja reflektiert

Nöö.
Ein solcher Phasensprung um 180° tritt nur auf, wenn Z1 > Z2.
Im umgekehrten Fall ist die reflektierte Welle in Phase. Auch dann kommt 
es zu stehenden Wellen auf der Speiseleitung.

Die allgemein bekannten Extremfälle, die auch für Resonatoren genutzt 
werden, dazu sind: Kurzschluss 180°, offenes Ende 0°.

: Bearbeitet durch User
von AudioGuru (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Audiomann schrieb:
>> immer anpassen
> ???
>
> Für Hochfrequenz mag das gelten, aber im Audiobereich gibt es das so
> nicht. Die Impedanz von Verstärkern ist z.B: in der Regel bei einem Ohm
> maximal und geringer, oftmals liegt sie bei den 1kHz im Bereich von 0,1
> Ohm und das bei Lautsprechern von nominal 4 Ohm und mehr.

Dochdoch, muss man schon.

Anpassen muss man immer dann, wenn Leitungseffekte eine merkliche Rolle 
spielen. Man kann mal sagen, wenn die Leitung sehr viel kürzer als 
Lambda/4 ist (z.B: Lambda/10) ist Anpassung unsinnig, in dem Fall 
spielen die ganzen Effekte keine merkliche Rolle mehr.

Bei Audio (fmax = 20kHz) ist die Wellenlänge in Kabeln (Annahme: v=0,7c) 
ungefähr 10000m.
Wenn man also über 1000m Hin+Rückleiter kommt (500m) wirds 
problematisch. Wenn man auf nummer Sicher gehen will, nimmt man Kabel 
mit <50m.

Also Vorsicht: Lange Kabel könnten den Hörgenuss trüben! Bei Längen in 
Richtung 10km Kabellänge wäre eien Anpassung zwingend, sonst könnte der 
Verstärker schaden nehmen!

von Hp M. (nachtmix)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
AudioGuru schrieb:
> wenn die Leitung sehr viel kürzer als
> Lambda/4 ist (z.B: Lambda/10) ist Anpassung unsinnig, in dem Fall
> spielen die ganzen Effekte keine merkliche Rolle mehr.

Für diese Aussage braucht es aber schon einiges an Gottvertrauen.
λ/8 ist sooo viel länger nicht als λ/10 und gehört trotzdem zu den 
gängigen Transformationsstücken.

Wenn eine solche λ/8 Leitung mit einem reinen Wirkwiderstand 
abgeschlossen wird, dann ist der Betrag der Eingangsimpedanz gleich dem 
Wellenwiderstand der Leitung.
Wenn umgekehrt die λ/8 Leitung mit einer Impedanz abgeschlossen wird, 
deren Betrag gleich dem Wellenwiderstand der Leitung ist, so ist die 
Eingangsimpedanz reel.

Mit diesem Wissen kann man z.B. durch Wahl einer  Microstrip-Leitung 
geeigneter Breite und der Länge λ/8 die komplexen Eingangs- und 
Ausgangsimpedanzen eines Transistors auf reelle 50 Ohm bringen.


Anders ausgedrückt:
Wenn du jemals UKW-Empfänger selbst gebaut hast, glaubst du ernsthaft, 
dass ein 30cm langer Draht im Tuner wirkungslos bleibt?

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.