Bedeutet die Impedanzanpassung, dass jeder praktische HF-Sender >= 50 % der Energie verschwenden muss?

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

Praktische HF-Verstärker (zumindest diejenigen, 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 reaktiven Impedanzanpassung, die alle für den Betrieb an 50 Ohm ausgelegt sind.

Interessanterweise ist der Ausgang beim Kauf eines Allzweck-Signalgenerators normalerweise als Spannungsquelle aufgebaut, gefolgt von einem echten 50-Ohm-Widerstand, da die Effizienz kein Problem ist und eine genau definierte Ausgangsimpedanz über einen sehr weiten Frequenzbereich vorhanden ist Hauptdesignziel.

HF-Verstärker haben im Allgemeinen KEINE Ausgangsimpedanz von annähernd 50R..... Sie sind jedoch dafür ausgelegt, eine 50R-Last zu treiben!

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

Je nach Topologie nähern sich die Dinger entweder Spannungsquellen (niedrige Ausgangsimpedanz) oder Stromquellen (hohe Ausgangsimpedanz) an.

Wenn Sie beispielsweise an eine HF-Push-Pull-Ausgangsstufe denken, arbeiten die Geräte mit einer bestimmten Spannung und einem bestimmten Strom, daher einer gewissen „Impedanz“ (normalerweise ziemlich niedrig), die dann in einen Industriestandard von 50 R umgewandelt wird.

Diese Impedanz wird vom Designer so eingestellt, dass sie zu einer gewissen Spannung über dieser 50R-Last führt, die unabhängig vom entworfenen Leistungspegel liefert. Beachten Sie, dass diese Ausgabegeräte in der tiefen Klasse C oder sogar Klasse F sein und im Wesentlichen als Schalter arbeiten könnten, die nahezu keine Leistung verbrauchen, aber ich als Designer muss immer noch entscheiden, welche Spannung und welcher Strom als Arbeitspunkt und damit welche Transformation gewählt werden soll Ich muss die Zielleistung am Ausgang erreichen.

Wenn Sie nun versuchen, einen solchen Verstärker an eine Last anzuschließen, die weit von 50R entfernt ist, werden die von den Leistungsgeräten angezeigten Spannungen und Ströme anders sein als vom Designer beabsichtigt, und wenn Sie zu weit gehen, kommt der Rauch heraus.

Eine weitere Komplikation sind die Ausgangsfilter und (bei UHF und höher) die Möglichkeit eines terminierten Zirkulators am Ausgang, der das Ding tatsächlich wie 50R aussehen lässt, wenn man zurück in den Eingang schaut.

Ist es also richtig zu sagen, dass die Impedanzanpassung impliziert, dass die Effizienz 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 lassen sich nach ihrer PAE (Power Added Efficiency) beschreiben.

PAE ist hier der Schlüsselparameter, da die Verstärkung des Verstärkers wahrscheinlich sehr hoch ist. Die vom Generator ZUM VERSTÄRKER übertragene Leistung beträgt bei angepassten Impedanzen tatsächlich nur 50 % der maximalen Generatorleistung. Aber wenn die Verstärkung hoch genug ist, wird die in der internen Impedanz des Generators verschwendete Leistung sehr gering im Vergleich zu der Leistung sein, die VOM VERSTÄRKER an die Last geliefert wird. Daher ist die Auswirkung auf die Gesamteffizienz wahrscheinlich gering.

Hier kommt es (hauptsächlich) darauf an, dass die Ausgangsstufe des Verstärkers einen hohen Rohwirkungsgrad hat$\eta = P_{out}/P_{supply}$, die von der Verstärkungsklasse (A, B, AB, C, D, F usw.) und dem Arbeitspunkt des Verstärkers abhängt.

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

Nein, es ist nicht richtig, das zu sagen.

Wenn Sie den Verstärker über ein Kabel (normalerweise Koaxialkabel) mit der Antenne verbinden, müssen Sie sicherstellen, dass keine erheblichen Leistungsreflexionen von der Last (Antenne) auftreten, die den Verstärker beschädigen oder seine Wirksamkeit beeinträchtigen können.

Wenn die Antennenimpedanz mit der charakteristischen Impedanz des Koaxialkabels übereinstimmt, kann der Verstärker das Speiseende des Koaxialkabels ansteuern, ohne dass ein Reihenquellenwiderstand erforderlich ist. Die am angetriebenen Ende gesehene Impedanz 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 Realteil (Widerstandsteil) verbraucht Leistung. Theoretisch könnte man einen reinen Blindwiderstand in der Größenordnung von 50 Ohm haben und darin keine Leistung vernichten.

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

Beispielsweise hat ein CAT-5-Kabel eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 0,64 * C. Es hat auch eine Kapazität von etwa 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 1 Meter, den das Signal zurücklegt, muss es 48 pF auf 1 V (also 48 pC) aufladen.

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

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

Das ist richtig. Ein "praktischer" Verstärker muss die Leistung, bestehend aus Steckern, Kabeln, Antenne, anpassen. Für eine eventuelle maximale Leistungsabgabe an die Antenne werden >= 50 % an anderer Stelle verschwendet.