Allika ja koormuse sobitamine

**Allika ja koormuse sobitamine** tähendab elektroonikas ahelate moodustamist nii, et koormuse sisendimpedants oleks väärtusega, mis tagaks maksimaalse võimsuse ülekande allikalt koormusele. Selleks peavad koormuse ja allika impedantside reaalosad olema võrdsed ja imaginaarosad vastandmärgiga ehk teineteist kompenseerima.

Matemaatiliselt öeldakse, et allika impedants peab võrduma koormuse impedantsi kaaskompleksarvuga:
:   Z_\text {allikas} = \overline{Z_\text {koormus}}
ehk
:R_\text {allikas}+jX_\text {allikas} = R_\text {koormus} - jX_\text {koormus}.
Sobitamine on algselt välja arendatud elektriahelate tarbeks, kuid hiljem on leitud adaptatsioone ka teistes valdkondades. Sobitamisega peab arvestama alati, kui omavahel on ühendatud kaks suvalist järjestikust raadiosageduslikku ahelat: ostsillaator – modulaator; modulaator – eelvõimendi; võimsusvõimendi ‒ antenn jne.

## Sobitamine

Antud teema olulisus avaldub eelkõige raadiosageduslike süsteemide ekspluateerimisel ja projekteerimisel. Raadiosaatjates täidab allika ülesannet tavaliselt raadiosaatja lõppaste (võimsusvõimendi) ja koormuseks on tavaolukorras antenn. Energia ülekandeks on levinud süsteem: saatja – ülekandeliin – antenn. Vahetades saatja vastuvõtja vastu saame süsteemi, millega on võimalik püüda elektromagnetlaineid keskkonnast. Mõlemale süsteemile esitatakse professionaalsetes süsteemides samu nõudeid. Peamiselt vajame maksimaalset energiaülekannet. Seni kuni on tegemist raadiosagedustega, peab alati mõtlema ka elektroonikaseadme astmete omavahelise sobituse peale. Sobitamisest rääkides mõeldakse näivtakistuste *Z* sobitamist. E süsteemis toimuks maksimaalne võimsuse ülekanne, vastavalt maksimaalse võimsuse ülekande teoreemile plokist A plokki B , peavad A väljundimpedantsi ja B sisendimpedantsi reaalosad olema võrdsed ja imaginaarosad vastasmärgiga. Alati ei ole sobituse saamine kuigi lihtne, sest enamikul juhtudel sõltub ahela impedants kasutatavast sagedusest ja on kompleksne, s.t sisaldab imaginaarosa.

### Maksimaalse võimsusülekande teoreem
Selleks et saada maksimaalset võimsust allikalt, millel takistus on puhtaktiivne, peab aktiivtakistusliku koormuse takistus olema võrdne allika klemmidel nähtava sisetakistusega. Sealjuures on saadav kasutegur *η* = 0,5. Raadiosageduslike süsteeme omavahel sobitades lähtutakse just sellest printsiibist.

### Võimendite A ja B sobitamise näide
Võimendi A väljundtakistus on induktiivse iseloomuga. Et seda induktiivset reaktiivtakistust kompenseerida, peab võimendi B sisendtakistuse reaktiivosa arvuline väärtus olema sama, aga vastandmärgiga, ehk mahtuvuslik. Sellisel juhul leiab ahelas aset resonants, mille korral reaktiivsuste mõju taandub süsteemist välja:
:   Z_\text{allikas} = {Z_\text {koormus}}= R_\text {allikas}+jX_{L};
:   Z_\text {koormus} = {R_\text {koormus}}+jX_{C}.

Sarnaselt võib ette kujutada ka antenni sobitust võimendiga, kus takistused peavad olema võrdsed. Tegelikult on selline olukord saavutatav vaid ühel kindlal sagedusel, sest lainetakistus (laineimpedants) sõltub kasutatavast sagedusest.

Näiteks poollainedipooli korral on *Z*0 = 73+*j*42,5; kui aga dipooli pikkust õige pisut vähendada (või sagedust suurendada) väärtuseni 0,485*λ*, siis *Z*0 = 73+j0 ja on seega puhtaktiivne. See on üks põhjustest, miks koaksiaalkaabli lainetakistus on enamasti 75 Ω. 
Allika ja koormuse omavahelise sobituse tagamiseks ühendatakse nende vahele vastav ahel või komponent, mille valik sõltub allika ja koormuse omadustest.

## Sobitusviisid
Sobituse meetodeid on mitmesuguseid, järgnevalt on toodud vaid mõned võimalused.

### Trafosidestus
Trafosidestus  on kohane madalsageduslikes süsteemides, kui on vaja sobitada aktiivtakistusi. Näiteks muundada helisagedusliku lampvõimendi kõrge väljundtakistus palju väiksema sisendtakistusega valjuhääldi sisetakistuseks. Iga koormuse impedants, mis on ühendatud ideaalse trafo sekundaarmähisele, põhjustab kadudeta võimsuse ülekande primaarmähiselt. Seega kehtib seos  I_{N2}\times U_{N2} = I_{N1}\times U_{N1} . 

Kasutades ideaalse trafo pinge ja voolu ülekande valemeid
: {U_2 \over U_1} = {N_2 \over N_1} = {I_1  \over I_2},
: U_2 = {N_2 \times U_1 \over N_1}, 
: I_2 = {N_1 \times I_1 \over N_2}
ning arvestades, et
: Z_\text {allikas} = {U_2  \over I_2} ja  Z_\text {koormus} = {U_2  \over I_1}, 
saame:
: Z_\text {allikas} = .
Skeem A sobib juhul, kui R1>R2.

Kasutades jadavõnkeringi skeemi B, saame:
: Q_\text {jada} = {X_{C1} \over R_1 }.
Skeem B sobib juhul, kui R1C_1+C, või kui lisandub jadamahtuvus (joonis D), siis kogumahtuvus on  C_\text{kogu} = {1 \over ({1 \over C_1}+{1 \over C_1})}.

#### Sisendreaktiivsuse kompenseerimine

Vaadeldes eelmisi skeeme, kui koormuse reaktiivtakistus on mahtuvuslik ja seda on võimalik kompenseerida C_1 muutmisega, siis ahela hüvetegur Q ei muutu. Kui aga koormuse reaktiivtakistus on induktiivne, siis sobiliku Q säilitamiseks oleks tarvis muuta L_1 induktiivsust, kuid see ei ole alati võimalik. Seetõttu võib olla tarvilik koormuse reaktiivsust kompenseerida. Selleks lisatakse koormusele väline reaktiivsus, mille arvuline suurus on võrdne koormuse reaktiivsusega, kuid vastandmärgiga. Lisades mahtuvusliku iseloomuga koormusele RC rööbiti induktiivsuse L (joonis E), moodustub resonantssagedusel rööpvõnkering ja sisuliselt muutub kogu koormus puhtaktiivseks R_1. Joonisel F lisatakse mahtuvuslikule koormusele jadamisi induktiivsus L ja resonantssagedusel käitub ahel jadavõnkeringina, resulteerides puht-takistusliku koormusena R1.

### L-sobitusahel

Selline ahel on üks lihtsamini teostatavaid sobitusi. Peamiseks piiravaks teguriks on antud lülil sagedusriba muutumine. L-ahela kaks levinumat versiooni on toodud joonistel G ja H; neil on võime summutada mürasid ja kõrgemaid harmoonilisi.
 
Joonisel G oleva ahela komponendid saab arvutada järgmiste valemitega:
: Q= \sqrt,
:  X_L=Q R_G,
:  X_C= {R_L \over Q}.
Joonisel H toodud ahela arvutamiseks sobivad järgmised valemid:
: Q= \sqrt,
:  X_L=Q R_L,
:  X_C= {R_G \over Q}.
Nendes valemites
:  R_L ‒ koormustakistus,
:  R_G ‒ allika takistus,
:  Q ‒ ahela hüvetegur,
:  X_L ‒ induktiivtakistus,
:  X_C ‒ mahtuvustakistus.

## Viited

## Kirjandus
* Joseph J. Carr, George W. Hippisley. Practical Antenna Handbook, 2012.
* H. Pedusaar. Elektro- ja raadiotehnika,1967.
* L. Abo. Raadiolülitused, 1990.
* A. Isotamm. Raadioamatööri käsiraamat, 1958.
* P. Horowitz, W. Hill. The art of electronics, 1995.
* American Radio Relay League. Antenna Book. 21st Edition, 2007.
* K. Märtens. Raadioside ja -mõõtmiste täiendkoolitus, 2013 (loengukonspekt).

## Välislingid
* http://www.lr.ttu.ee/irm/antennid/SUURKONSPEKT.pdf S. Reisberg, A. Taklaja "Antennid ja RF elektroonika; Loengumaterjalid" 2010.
* http://electronicdesign.com/communications/back-basics-impedance-matching-part-1 (23.11.13)
* http://petz.planet.ee/elekter/2_Elektriahelad.pdf (23.11.13)
* http://www.belden.com/blog/broadcastav/50-Ohms-The-Forgotten-Impedance.cfm (23.11.13)
* http://vk1od.net/transmissionline/VSWR/VSWRMyths.htm (23.11.13)
* http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/742