¿Implica la coincidencia de impedancia que algún transmisor de RF práctico deba desperdiciar >=50% de la energía?

Si su fuente de alimentación es una fuente de voltaje de salida de cero ohmios, seguida de una resistencia de 50 ohmios, entonces sí, lo que cree que es correcto.

Sin embargo, los amplificadores de RF prácticos (al menos los diseñados para ser eficientes) nunca se construyen así. Tienden a tener un emisor común de baja impedancia o una etapa de fuente seguida de una adaptación de impedancia reactiva, todo diseñado para operar en 50 ohmios.

Curiosamente, si compra un generador de señales de propósito general, la salida generalmente se construye como una fuente de voltaje seguida de una resistencia real de 50 ohmios, ya que la eficiencia no es un problema y tener una impedancia de salida definida con precisión en un rango de frecuencia muy amplio es el objetivo principal del diseño.

Los amplificadores de RF en general NO tienen una impedancia de salida remotamente cercana a 50R... ¡Sin embargo, están diseñados para impulsar una carga de 50R!

Al igual que los amplificadores de audio, la impedancia de la fuente generalmente está lejos de la impedancia de carga de diseño, porque NO desea la máxima transferencia de potencia, ¡quiere algo más cercano a la máxima eficiencia!

Dependiendo de la topología, las cosas se aproximan a fuentes de voltaje (baja impedancia de salida) o fuentes de corriente (alta impedancia de salida).

Si piensa en, por ejemplo, HF, etapa de salida Push-pull, los dispositivos funcionan con un voltaje y una corriente diseñados, por lo tanto, cierta 'impedancia' (generalmente bastante baja), que luego se transforma en un estándar industrial 50R.

El diseñador establece esta impedancia para que genere cierto voltaje a través de esa carga 50R que entregará cualquiera que sea el nivel de potencia diseñado. Tenga en cuenta que esos dispositivos de salida podrían estar en la clase C profunda o incluso en la clase F y operar esencialmente como interruptores que disipan energía casi nula, pero yo, como diseñador, todavía necesito decidir qué voltaje y qué corriente elegir como punto de operación y, por lo tanto, qué transformación Necesito llegar a la potencia objetivo en la salida.

Ahora, claramente, si intenta ejecutar un amplificador de este tipo en una carga muy alejada de 50R, entonces los voltajes y las corrientes vistos por los dispositivos de alimentación serán diferentes a los previstos por el diseñador, y si va demasiado lejos, sale humo.

Una complicación adicional son los filtros de salida y (en UHF y más) la posibilidad de un circulador terminado en la salida que en realidad hace que la cosa parezca 50R mirando hacia atrás en la entrada.

Entonces, ¿es correcto decir que la coincidencia de impedancia implica que la eficiencia de cualquier transmisor de RF práctico no puede ser superior al 50%? ¿Y cualquier transmisor de RF práctico debe desperdiciar al menos el 50% de la energía?

No eso está mal. El diagrama en su publicación carece del bloque de construcción esencial en esta discusión: el amplificador en sí.

Todos los amplificadores se pueden describir de acuerdo con su PAE (Eficiencia añadida de potencia).

PAE es el parámetro clave aquí, porque es probable que la ganancia del amplificador sea muy alta. La potencia transferida AL AMPLIFICADOR por el generador, cuando se igualan las impedancias, será solo el 50% de la potencia máxima del generador. Pero si la ganancia es lo suficientemente alta, la potencia desperdiciada en la impedancia interna del generador será muy baja en comparación con la potencia entregada POR EL AMPLIFICADOR a la carga. Por lo tanto, es probable que el impacto en la eficiencia total sea bajo.

Lo que importa aquí es (principalmente) la etapa de salida del amplificador que tiene una alta eficiencia bruta$\eta = P_{out}/P_{supply}$, que depende de la clase de amplificación (A, B, AB, C, D, F, etc.) y del punto de funcionamiento del amplificador.

Entonces, ¿es correcto decir que la coincidencia de impedancia implica que la eficiencia de cualquier transmisor de RF práctico no puede ser superior al 50%? ¿Y cualquier transmisor de RF práctico debe desperdiciar al menos el 50% de la energía?

No, no es correcto decir eso.

Lo que debes asegurarte al conectar el amplificador a la antena a través de un cable (normalmente coaxial) es que no haya reflejos significativos de potencia de la carga (antena) que puedan dañar el amplificador o hacerlo menos efectivo.

Si la impedancia de la antena coincide con la impedancia característica del cable coaxial, entonces el amplificador puede impulsar el extremo de alimentación del cable coaxial sin requerir ninguna resistencia de fuente en serie. La impedancia vista en el extremo conducido será la impedancia de la antena porque coincide con la impedancia característica del cable.

La impedancia consta de partes reales (resistivas) e imaginarias (reactivas). Solo la parte real (resistiva) disipa potencia. En teoría, se podría tener una impedancia puramente reactiva con una magnitud de 50 ohmios y no disipar ninguna potencia en ella.

Las unidades de impedancia son voltios por amperio. Cuando hablamos de la impedancia de una línea de transmisión, en realidad estamos hablando de cuánta corriente se necesitaría alimentar a la línea para causar que un voltaje de cierta magnitud se propague a lo largo de la línea. Es decir, la relación entre el voltaje y la corriente.

Por ejemplo, el cable CAT-5 tiene una velocidad de propagación de aproximadamente 0,64 * C. También tiene una capacitancia de aproximadamente 15 pF por pie (48 pF por metro). Su impedancia está determinada principalmente por la capacitancia entre los pares trenzados (por supuesto, hay algunos pequeños componentes inductivos y resistivos).

Si ponemos una señal de 1V en un extremo de la línea, la señal se propagará a 192.000.000 m/s, por cada metro que viaje la señal necesitará cargar 48pF a 1V (entonces 48pC).

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

1V / 9,44mA = 105,9 ohmios (que está muy cerca de la impedancia nominal de 100 ohmios).

Esto es correcto. Un amplificador "práctico" tendrá que coincidir con la salida que consta de conectores, cables, antena. Para la entrega de potencia máxima eventual a la antena, >= 50% se desperdiciará en otro lugar.