设计指南 972

用于75Ω测量的CATV最小损耗衰减器


摘要 : 基于75Ω特性阻抗的有线电视CATV系统是用50Ω的实验室测试装置测试的。用一个75Ω至50Ω的最小损耗阻抗转换电路(MLP)是一种精确测量功率和电压的宽带方式。本文介绍了一个最小损耗阻抗转换电路所需的电阻网络。同时给出了用通常的信号源和负载阻抗推导出的最小损耗阻抗转换电路方程。

参考资料:

介绍

通过最小损耗阻抗转换电路可以用50Ω的测试设备对宽带的75Ω电路,例如CATV调谐IC,电缆上行放大器,和卫星DBS调谐IC进行测量。当使用最小损耗阻抗转换电路时,你必须清楚是使用MLP的电压损耗还是功率损耗。由于阻抗变换的原因,一个最小损耗阻抗转换电路的功率损耗的数量是不同于电压损耗的。很明显,用于功率测量的功率损耗,阻抗从任何方向变换换结果都是一样的。用于电压测量的电压损耗,则因为阻抗变换方向的不同而不同。

75Ω至50Ω的MLP特性摘要

图1. 75Ω至50Ω最小损耗阻抗转换电路
图1. 75Ω至50Ω最小损耗阻抗转换电路

图1所示为75Ω至50Ω转换MLP。75Ω'端可以看作一个75Ω装置的电阻网络。类似的,50Ω端可以看作一个50Ω装置的电阻网络。

表1所示表明了在从75Ω至50Ω变换或从50Ω至75Ω变换时功率衰减的值是相同的。然而,从75Ω变换到50Ω时电压损耗的值要大于从50Ω变换到75Ω时电压损耗的值。

表1. 75Ω至50Ω最小损耗阻抗转换电路的功率和电压损耗。
MLP Impedance Transformation
(Ω to Ω)
Power Loss (dB) Voltage Loss (dB)
75 to 50 -5.72 -7.48
50 to 75 -5.72 -3.96
(50 to 75) + (75 to 50) -11.44 -11.44

通常的最小损耗阻抗转换电路的电阻值方程

图2. 最小损耗阻抗转换电路
图2. 最小损耗阻抗转换电路

图2所示为带有信号源阻抗RS和负载阻抗RL的最小损耗阻抗转换电路.用一个L型衰减器来匹配高阻抗RS到低阻抗RL。(图2假定RS > RL。) 这种最小损耗阻抗转换电路的电阻值由方程1和方程2[1]确定。



高阻至低阻信号通道

图3所示最小损耗阻抗转换电路的信号通道是从高阻抗到低阻抗,也就是从电路的左边到右边。

图3. 最小功率衰减器从高阻到低阻的信号通道。
图3. 最小功率衰减器从高阻到低阻的信号通道。

电压损耗

在CATV系统,信号电平用电压单位dBmV [2]来衡量,即相对于1mV的分贝值.当信号电平用电压单位表示时,则要使用MLP的电压损耗.根据图3推导出以下常用的MLP电压损耗等式,并且假定RS > RL.

根据图3得:



电压损耗用dB表示为:



将式4代入式5:



方程6.1为用RS和RL表示的电压损耗方程,是把式1和式2代入到等式6后得到的结果。



功率损耗

当信号电平使用如dBm的功率单位时,要使用到MLP功率损耗。dBm是相对于1mW的分贝值。典型测试装置测量信号电平的单位为dBm。

MLP功率损耗的等式来自下面,图3和图4,假定RS > RL。原方程表明功率损耗由电压加上一个电阻比率组成。功率损耗可用交付功率和可用功率之比来计算[3][4]。

图4. 可用的完全匹配负载的功率
图4. 可用的完全匹配负载的功率

可用功率,PA,是负载完全匹配条件下得到的功率,如图4所示。



从图3可以看出,交付到负载的功率,PD,为:



V2可表示为:



将式10代入到式9:



功率损耗用dB可表示为:



将式8和式11代入到式12:



根据图3,对于一个完全匹配的MLP:



将式16代入式15:



比较式18和式6来观察功率损耗和电压损耗的不同。功率损耗等于电压损耗加上一个阻抗比率项的对数和。

方程18.1为用RS和RL表示的功率损耗等式,是将式1和式2代入到式18得到的结果:



从低阻到高阻的信号通道

为了保持讨论的一致性当讨论从低至高阻抗信号通道时,图5所示RS和RL在电路中的位置和图3是相同的,虽然信号现在由相反的方向通过MLP。

图5. 低阻至高阻信号通道的MLP
图5. 低阻至高阻信号通道的MLP

电压损耗

根据图5 所示:



电压损耗用dB可表示为:



将式20代入式21:



用RS和RL表示电压损耗的方程,即把式1和式2代入到式22。



功率损耗

由图5,匹配到信号源和负载阻抗的功率损耗:



将式20代入式24。



还是只用RS和RL来表示功率损耗的方程,把式1和式2代入到式25。



比较式25和式22来观察功率损耗和电压损耗等式的不同。对于从低阻到高阻的信号通道,功率损耗等于电压损耗和电阻比率的对数和。

75Ω到50Ω的MLP实例

参考前面图2所示的MLP的方程可确定75Ω到50Ω的最小损耗阻抗转换电路的电阻值。选择RS和RL分别为75Ω和50Ω。这也满足RS > RL的假定。



由式1得:



用式6来确定75Ω至50Ω信号通道的电压损耗。



用式18来确定75Ω至50Ω信号通道的功率损耗。



用式22来确定50Ω至75Ω信号通道的电压损耗。



用式25来确定50Ω至75Ω信号通道的功率损耗。



注意到当信号从任一方向通过时功率损耗是相同的,然而电压损耗却因信号方向的不同而不同。同样,功率损耗和电压损耗的不同归于电阻比率项的不同。

结论

最小损耗阻抗转换电路的功率损耗和电压损耗由于信号源阻抗和负载阻抗的不同而不同。功率损耗等于电压损耗和一个电阻比率项的对数和。

当信号从任一方向通过时,功率损耗是相同的。然而,信号从高阻信号源到低阻负载时,电压损耗要大的多。

当进行dBmV, dBµV或dBV或任何与电压有关的测量时,要使用电压损耗。当进行dBm或任何与功率有关的测量时,要使用功率损耗。

参考文献

  1. Bruno O. Weinschel, Reference Data for Engineers: Radio, Electronics, Computer, and Communications, Seventh Edition, Chapter 11.
  2. Maxim应用笔记:CATV中dBm,dBmV和dBµV的转换
  3. Ziemer, Tranter, Principles of Communications, third edition, Appendix A, pp.759-760.
  4. Krauss, Bostian, Raab, Solid State Radio Engineering, Chapter 2.