Přenosové vedení a RF

Real-Life RF signály
Vysokofrekvenční propojení vyžadují zvláštní pozornost, protože se často nechovají jako obyčejné dráty, ale spíše jako přenosová vedení.

V nízkofrekvenčních systémech jsou komponenty spojeny dráty nebo stopami PCB. Odpor těchto vodivých prvků je dostatečně nízký, aby byl ve většině situací zanedbatelný.

Tento aspekt návrhu a analýzy obvodu se dramaticky mění s rostoucí frekvencí. RF signály necestují podél vodičů nebo PCB přímým způsobem, který očekáváme na základě našich zkušeností s nízkofrekvenčními obvody.

Přenosová linka
Chování vysokofrekvenčních propojení je velmi odlišné od chování běžných vodičů přenášejících nízkofrekvenční signály - tak odlišné, ve skutečnosti, že se používá další terminologie: přenosové vedení je kabel (nebo jednoduše pár vodičů), který musí být analyzován podle k charakteristikám šíření vysokofrekvenčního signálu.

Nejprve si objasníme dvě věci:
Kabel vs. stopa
„Kabel“ je v tomto kontextu pohodlné, ale nepřesné slovo. Koaxiální kabel je jistě klasickým příkladem přenosové linky, ale stopy PCB také fungují jako přenosová vedení. Přenosové vedení „mikropáskového“ sestává ze stopy a blízké základní roviny:

Přenosové vedení „páskového vedení“ sestává z stopy PCB a dvou pozemních rovin:




Přenosové vedení PCB jsou zvláště důležité, protože jejich vlastnosti jsou řízeny přímo projektantem. Když si koupíme kabel, jeho fyzikální vlastnosti jsou pevné; jednoduše shromažďujeme potřebné informace z datového listu. Při sestavování RF PCB můžeme snadno přizpůsobit rozměry - a tím i elektrické vlastnosti - přenosové linky podle potřeb aplikace.

Kritérium přenosové linky
Ne každé vysokofrekvenční propojení je přenosové vedení; tento termín se týká především elektrické interakce mezi signálem a kabelem, nikoli frekvence signálu nebo fyzických charakteristik kabelu. Kdy tedy musíme do naší analýzy začlenit efekty přenosové linky?

Obecnou myšlenkou je, že efekty přenosové linky se stanou významnými, když je délka linky srovnatelná nebo větší než vlnová délka signálu. Specifičtějším vodítkem je jedna čtvrtina vlnové délky:

* Pokud je délka propojení menší než jedna čtvrtina vlnové délky signálu, není potřeba analýza přenosové linky. Samotné propojení významně neovlivňuje elektrické chování obvodu.

* Pokud je délka propojení větší než jedna čtvrtina vlnové délky signálu, efekty přenosové linky se stanou významnými a je třeba vzít v úvahu vliv samotného propojení.

Připomeňme, že vlnová délka se rovná rychlosti šíření dělená frekvencí:

Pokud předpokládáme rychlost šíření 0.7násobku rychlosti světla, máme následující vlnové délky:


 

Odpovídající prahové hodnoty přenosové linky jsou následující:


 

Takže pro velmi nízké frekvence jsou efekty přenosové linky zanedbatelné. U středních frekvencí vyžadují zvláštní pozornost pouze velmi dlouhé kabely. Avšak při 1 GHz musí být mnoho stop PCB považováno za přenosové vedení a jak frekvence stoupají do desítek gigahertzů, přenosové linky se stávají všudypřítomné.

Charakteristická impedance
Nejdůležitější vlastností přenosové linky je charakteristická impedance (označená Z0). Celkově se jedná o poměrně přímočarý koncept, ale zpočátku to může způsobit zmatek.

Zaprvé, poznámka o terminologii: „Odpor“ se týká odporu vůči jakémukoli proudu; nezávisí na frekvenci. „Impedance“ se používá v kontextu střídavých obvodů a často se vztahuje na frekvenčně závislý odpor. Někdy však používáme „impedanci“, kde by „odpor“ byl teoreticky vhodnější; Například bychom se mohli odvolat na „výstupní impedanci“ čistě odporového obvodu.

Proto je důležité mít jasnou představu o tom, co máme na mysli pod pojmem „charakteristická impedance“. Nejedná se o odpor signálního vodiče uvnitř kabelu - běžná charakteristická impedance je 50 Ω a stejnosměrný odpor 50 Ω pro krátký kabel by byl absurdně vysoký. Zde je několik významných bodů, které pomáhají objasnit povahu charakteristické impedance:

Charakteristická impedance je určena fyzikálními vlastnostmi přenosové linky; v případě koaxiálního kabelu je to funkce vnitřního průměru (D1 ve schématu níže), vnějšího průměru (D2) a relativní permitivity izolace mezi vnitřním a vnějším vodičem.

Charakteristická impedance není funkcí délky kabelu. Je přítomen všude podél kabelu, protože je výsledkem vlastní kapacity a indukčnosti kabelu.

 

V tomto diagramu jsou jednotlivé induktory a kondenzátory použity pro znázornění distribuované kapacity a indukčnosti, která je nepřetržitě přítomna po celé délce kabelu.
 

V praxi, impedance přenosové linky není důležitá u DC, ale teoretická přenosová linka nekonečné délky by představovala jeho charakteristickou impedanci dokonce k DC zdroji takový jako baterie. Je tomu tak proto, že nekonečně dlouhé přenosové vedení by neustále stahovalo proud ve snaze nabít své nekonečné napájení distribuované kapacity a poměr napětí baterie k nabíjecímu proudu by byl roven charakteristické impedanci.

* Charakteristická impedance přenosové linky je čistě odporová; není zaveden žádný fázový posun a všechny signálové frekvence se šíří stejnou rychlostí.

 * Teoreticky to platí pouze pro bezeztrátová přenosová vedení - tj. Přenosová vedení, která mají nulový odpor podél vodičů a nekonečný odpor mezi vodiči. Je zřejmé, že taková vedení neexistují, ale analýza bezeztrátového vedení je dostatečně přesná, pokud se použije na přenosové vedení s nízkými ztrátami v reálném čase.

Reflexe a shoda
Impedance přenosového vedení nemá za cíl omezit tok proudu způsobem, jakým by obyčejný odpor odporoval. Charakteristická impedance je jednoduše nevyhnutelným důsledkem interakce mezi kabelem složeným ze dvou vodičů v těsné blízkosti. Důležitost charakteristické impedance v souvislosti s návrhem RF spočívá v tom, že konstruktér musí odpovídat impedancím, aby zabránil odrazům a dosáhl maximálního přenosu energie. To bude probráno na další stránce.

Shrnutí

* Propojení je považováno za přenosové vedení, pokud je jeho délka alespoň jedna čtvrtina vlnové délky signálu.

* Koaxiální kabely jsou běžně používány jako přenosová vedení, ačkoli stopy PCB také slouží tomuto účelu. Dvě standardní přenosové linky PCB jsou mikropáskové a páskové vedení.

* Propojení PCB jsou obvykle krátká, a proto nevykazují chování přenosové linky, dokud se kmitočty signálu nepřibližují 1 GHz.

* Poměr napětí k proudu v přenosovém vedení se označuje jako charakteristická impedance. Je to funkce fyzikálních vlastností kabelu, ačkoli to není ovlivněno délkou a pro idealizované (tj. Bezeztrátové) vedení je čistě odporové.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv