Átviteli vonal és RF

Valós RF jelek
A nagyfrekvenciás összeköttetéseket különös figyelmet kell fordítani, mivel gyakran nem szokásos vezetékekként, hanem átviteli vezetékekként viselkednek.

Az alacsony frekvenciájú rendszerekben az alkotóelemeket vezetékek vagy NYÁK nyomkövek kötik össze. Ezen vezető elemek ellenállása elég alacsony ahhoz, hogy a legtöbb helyzetben elhanyagolható legyen.

Az áramköri tervezés és elemzés ezen szempontja drámai módon megváltozik, amikor a frekvencia növekszik. Az RF jelek nem haladnak a vezetékek vagy a nyomtatott áramköri nyomok mentén egyértelmű módon, amire az alacsony frekvenciájú áramkörökkel kapcsolatos tapasztalataink alapján számítunk.

A távvezeték
Az RF összeköttetések viselkedése nagyon különbözik az alacsony frekvenciájú jeleket hordozó szokásos vezetékektől - valójában annyira eltérő, hogy további terminológiát használnak: az átviteli vonal egy kábel (vagy egyszerűen csak egy pár vezeték), amelyet az alábbiak szerint kell elemezni: a nagyfrekvenciás jelterjedés jellemzőire.

Először tisztázzuk két dolgot:
Kábel vs nyom
A „kábel” egy kényelmes, de pontatlan szó ebben az összefüggésben. A koaxiális kábel minden bizonnyal egy átviteli vonal klasszikus példája, de a NYÁK nyomok átviteli vezetékként is működnek. A „microstrip” átviteli vonal nyomkövetésből és egy közeli talaj síkból áll, az alábbiak szerint:

A „szalagvezeték” átviteli vonal PCB nyomkövetésből és két földi síkból áll:




A NYÁK-átviteli vezetékek különösen fontosak, mivel tulajdonságaikat közvetlenül a tervező ellenőrzi. Kábel vásárlásakor rögzített fizikai tulajdonságai vannak; egyszerűen összegyűjtjük a szükséges információkat az adatlapból. RF PCB elrendezésekor az átviteli vonal méretét - és így az elektromos jellemzőit - könnyen testreszabhatjuk az alkalmazás igényei szerint.

A távvezeték kritériuma
Nem minden nagyfrekvenciás összeköttetés képezi átviteli vezetéket; ez a kifejezés elsősorban a jel és a kábel közötti elektromos kölcsönhatásra vonatkozik, nem pedig a jel frekvenciájára vagy a kábel fizikai jellemzőire. Tehát mikor kell az átviteli vonal hatásait beépíteni elemzésbe?

Az általános elképzelés az, hogy az átviteli vonalhatások akkor jelentősek, ha a vonal hossza összehasonlítható vagy annál nagyobb, mint a jel hullámhossza. Konkrétabb iránymutatás a hullámhossz egynegyede:

* Ha az összeköttetés hossza kevesebb, mint a jel hullámhosszának egynegyede, akkor az átviteli vonal elemzése nem szükséges. Maga az összeköttetés nem befolyásolja jelentősen az áramkör elektromos viselkedését.

* Ha az összeköttetés hossza meghaladja a jel hullámhosszának egynegyedét, akkor az átviteli vonal hatása jelentős lesz, és magának az összekapcsolásnak a befolyását is figyelembe kell venni.

Emlékezzünk arra, hogy a hullámhossz megegyezik a terjedési sebesség és a frekvencia hányadosával:

Ha feltételezzük, hogy a terjedési sebesség a fénysebesség 0.7-szerese, akkor a következő hullámhosszok vannak:


 

A megfelelő átviteli vonal küszöbértékei a következők:


 

Tehát nagyon alacsony frekvenciák esetén az átviteli vonal hatása elhanyagolható. Közepes frekvencia esetén csak a nagyon hosszú kábeleket kell külön megfontolni. Azonban 1 GHz-en sok PCB-nyomot átviteli vonalként kell kezelni, és amint a frekvencia tíz gigahercre emelkedik, az átviteli vezetékek mindenütt jelennek meg.

Jellemző Impedancia
Az átviteli vonal legfontosabb tulajdonsága a jellemző impedancia (amelyet Z0 jelöl). Összességében ez egy meglehetősen egyértelmű koncepció, de kezdetben zavart okozhat.

Először: a terminológiára vonatkozó megjegyzés: „Az ellenállás” az áram bármilyen áramlására való ellenállásra utal; ez nem függ a frekvenciától. Az „impedancia” az AC áramkörökben használatos, és gyakran frekvenciafüggő ellenállásra utal. Azonban gyakran használunk „impedanciát”, ahol az „ellenállás” elvileg megfelelőbb lenne; Például hivatkozhatunk a tisztán ellenálló áramkör „kimeneti impedanciájára”.

Ezért fontos, hogy világos képet kapjunk arról, hogy mit értünk a „jellemző impedancia” alatt. Ez nem a jelvezeték ellenállása a kábelen belül - a közös jellemző impedancia 50 Ω, és egy rövid kábel 50 a DC ellenállása abszurd módon magas lenne. Íme néhány kiemelkedő pont, amely segít tisztázni a jellemző impedancia jellegét:

A jellemző impedanciát az átviteli vonal fizikai tulajdonságai határozzák meg; koaxiális kábel esetén ez a belső átmérő (D1 az alábbi ábra), a külső átmérő (D2) és a szigetelés relatív megengedhetőségének függvénye a belső és a külső vezetők között.

A jellegzetes impedancia nem a kábel hosszának függvénye. A kábel mentén mindenütt jelen van, mert a kábel belső kapacitásából és induktivitásából származik.

 

Ebben a diagramban az egyedi induktorokat és kondenzátorokat használjuk az elosztott kapacitás és induktivitás ábrázolására, amely a kábel teljes hosszában folyamatosan jelen van.
 

* A gyakorlatban az átviteli vezeték impedanciája nem releváns a DC-nál, de egy végtelen hosszúságú elméleti átviteli vonal jellemzõ impedanciáját mutatná akár egy egyenáramú forrás, például egy elem számára is. Ez az eset áll fenn, mert a végtelenül hosszú átviteli vonal állandóan áramot venne annak érdekében, hogy feltöltse a végtelen elosztott kapacitást, és az akkumulátor feszültségének és a töltőáramnak a aránya megegyezik a jellemző impedanciával.

* Az átviteli vonal jellemző impedanciája tisztán ellenálló; nem vezet fáziseltolódást, és az összes jelfrekvencia azonos sebességgel terjed.

 * Elméletileg ez csak a veszteségmentes átviteli vezetékekre igaz, azaz olyan átviteli vezetékekre, amelyeknek a vezetékek mentén nulla ellenállása van, és a vezetők közötti végtelen ellenállású. Nyilvánvalóan ilyen vonalak nem léteznek, de a veszteség nélküli analízis elég pontos, ha a valós életű kis veszteségű távvezetékekre alkalmazzák.

Gondolatok és illeszkedés
Az átviteli vezeték impedanciájának nem célja az áramlás korlátozása oly módon, mint egy rendes ellenállás. A jellegzetes impedancia egyszerűen elkerülhetetlen eredménye a közvetlen közelben lévő két vezetőből álló kábel kölcsönhatásának. A jellemző impedancia fontossága az RF tervezés szempontjából abban rejlik, hogy a tervezőnek meg kell egyeznie az impedanciákat a visszaverődések megelőzése és a maximális energiaátvitel elérése érdekében. Erről a következő oldalon beszélünk.

Összegzésként

* Egy összeköttetést akkor tekintünk átviteli vonalnak, ha hossza legalább a jel hullámhosszának egynegyede.

* A koaxiális kábeleket általában átviteli vezetékként használják, bár a NYÁK nyomok is szolgálják ezt a célt. Két szabványos PCB átviteli vonal a mikrotábla és a szalagvezeték.

* A PCB összeköttetések általában rövidek, következésképpen addig nem mutatnak átviteli vonal viselkedést, amíg a jel frekvenciája megközelíti az 1 GHz-et.

* A feszültség és az áram arányát egy átviteli vonalon a jellemző impedanciának nevezzük. Ez a kábel fizikai tulajdonságainak függvénye, bár a hosszúságot nem befolyásolja, és az idealizált (azaz veszteségmentes) vezetékek esetében tisztán ellenálló.

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista