Daljnovod in RF

Resnični RF signali
Visokofrekvenčni povezovalni elementi zahtevajo posebno pozornost, saj se pogosto ne obnašajo kot običajne žice, temveč kot daljnovodi.

V nizkofrekvenčnih sistemih so komponente povezane z žicami ali sledmi PCB. Odpornost teh prevodnih elementov je dovolj nizka, da je v večini primerov zanemarljiva.

Ta vidik zasnove in analize vezja se drastično spreminja, ko se frekvenca povečuje. RF signali ne potujejo po žicah ali sledeh PCB na neposreden način, kot smo pričakovali na podlagi izkušenj z nizkofrekvenčnimi vezji.

Daljnovod
Obnašanje radiofrekvenčnih povezav se zelo razlikuje od običajnih žic, ki prenašajo nizkofrekvenčne signale - toliko drugačne, da se uporablja dodatna terminologija: daljnovod je kabel (ali preprosto par vodnikov), ki ga je treba analizirati v skladu z na značilnosti širjenja visokofrekvenčnega signala.

Najprej razjasnimo dve stvari:
Kabel proti sledi
"Kabel" je priročna, a nenatančna beseda v tem kontekstu. Koaksialni kabel je zagotovo klasičen primer daljnovoda, toda sledovi PCB delujejo tudi kot daljnovodi. Prenosni daljnovod "mikropotezno" je sestavljen iz sledi in bližnje zemeljske ravnine:

„Daljnovod“ daljnovod sestavlja sled PCB in dve zemeljski ravnini:




Prenosni vodi za PCB so še posebej pomembni, ker njihove značilnosti neposredno nadzoruje projektant. Ko kupimo kabel, so njegove fizične lastnosti fiksne; preprosto naberemo potrebne podatke iz podatkovnega lista. Pri polaganju RFB PC-ja lahko enostavno prilagodimo dimenzije - in s tem tudi električne značilnosti - daljnovoda glede na potrebe aplikacije.

Merilo daljnovoda
Ni vsak visokofrekvenčni povezovalni daljnovod; ta izraz se nanaša predvsem na električno interakcijo med signalom in kablom, ne na frekvenco signala ali fizikalne značilnosti kabla. Kdaj moramo torej v analizo vključiti učinke daljnovoda?

Splošna ideja je, da učinki daljnovoda postanejo pomembni, ko je dolžina linije primerljiva z valovno dolžino signala ali večja od njega. Natančnejša smernica je ena četrtina valovne dolžine:

* Če je dolžina povezave manjša od ene četrtine signalne valovne dolžine, analiza daljnovoda ni potrebna. Sama povezava ne vpliva bistveno na električno obnašanje vezja.

* Če je dolžina medsebojnega povezovanja večja od ene četrtine signalne valovne dolžine, postanejo učinki daljnovoda pomembni in upoštevati je treba vpliv samega povezovanja.

Spomnimo se, da je valovna dolžina enaka hitrosti širjenja, deljeno s frekvenco:

Če predpostavimo, da je hitrost širjenja 0.7-krat večja od svetlobne hitrosti, imamo naslednje valovne dolžine:


 

Ustrezni pragovi daljnovoda so naslednji:


 

Pri zelo nizkih frekvencah so učinki daljnovoda zanemarljivi. Pri srednjih frekvencah je treba posebej upoštevati le zelo dolge kable. Vendar pa je pri 1 GHz veliko sledi PCB treba obravnavati kot daljnovode, in ko se frekvence povzpnejo na desetine gigahercev, postanejo daljnovodi vseprisotni.

Karakteristična impedanca
Najpomembnejša lastnost daljnovoda je značilna impedanca (označena z Z0). Na splošno je to precej preprost koncept, vendar na začetku lahko povzroči zmedo.

Prvič, opomba o terminologiji: „odpornost“ se nanaša na nasprotovanje kakršnemu koli toku toka; ni odvisen od frekvence. "Impedanca" se uporablja v okviru izmeničnih tokokrogov in se pogosto nanaša na frekvenčno odvisen upor. Vendar včasih uporabimo "impedanco", kjer bi bil "odpornost" teoretično bolj primerna; na primer, lahko rečemo "izhodna impedanca" čisto uporovnega tokokroga.

Zato je pomembno imeti jasno predstavo o tem, kaj mislimo pod "značilno impedanco". To ni odpornost signalnega vodnika znotraj kabla - skupna značilna impedanca je 50 Ω, enosmerni upor 50 krat Ω za kratek kabel pa bi bil nesmiselno visok. Tu je nekaj pomembnih točk, ki pomagajo razjasniti naravo značilne impedance:

Karakteristična impedanca je določena s fizikalnimi lastnostmi daljnovoda; v primeru koaksialnega kabla gre za funkcijo notranjega premera (D1 na spodnjem diagramu), zunanjega premera (D2) in relativne dovoljene izolacije med notranjim in zunanjim vodnikom.

Karakteristična impedanca ni funkcija dolžine kabla. Prisotna je povsod vzdolž kabla, ker izhaja iz lastne kapacitivnosti in induktivnosti kabla.

 

V tem diagramu se posamezni induktorji in kondenzatorji uporabljajo za predstavljanje porazdeljene kapacitivnosti in induktivnosti, ki je stalno prisotna po celotni dolžini kabla.
 

* V praksi impedanca daljnovoda pri DC-ju ni pomembna, vendar bi teoretični daljnovod daljinskega traku lahko pokazal svojo značilno impedanco tudi na enosmerni vir, kot je baterija. Tako je, ker bi neskončno dolg prenosni vod neprestano črpal tok v poskusu, da bi napolnil svojo neskončno dobavo porazdeljene kapacitivnosti, razmerje med napetostjo akumulatorja in polnilnim tokom pa bi bilo enako značilni impedance.

* Značilna impedanca daljnovoda je izključno uporovna; ni uveden fazni premik in vse signalne frekvence se širijo z isto hitrostjo.

 * Teoretično to velja le za daljnovode brez izgub - torej za prenosne nire, ki imajo ničelni upor vzdolž prevodnikov in neskončen upor med prevodniki. Očitno takšnih linij ne obstaja, vendar je analiza linij brez izgub dovolj natančna, kadar jo uporabimo na resničnih daljnovodih z nizkimi izgubami.

Odsevi in ​​ujemanje
Namen impedance daljnovoda ni omejiti tokovnega toka na način, kot bi ga imel običajni upor. Karakteristična impedanca je preprosto neizogibna posledica interakcije med kablom, sestavljenim iz dveh vodnikov v neposredni bližini. Pomen značilne impedance v kontekstu RF zasnove je v tem, da se mora oblikovalec ujemati z impedantami, da prepreči odboje in doseže največji prenos moči. O tem bomo govorili na naslednji strani.

Povzetek

* Povezava se šteje za daljnovod, če je njegova dolžina vsaj četrtina signalne valovne dolžine.

* Koaksialni kabli se običajno uporabljajo kot daljnovodi, čeprav temu sledijo tudi sledovi PCB. Dva standardna daljnovoda PCB sta mikrotrakasta in trakovna črta.

* Povezave PCB so ponavadi kratke, zato ne kažejo obnašanja daljnovoda, dokler se signalne frekvence ne približajo 1 GHz.

* Razmerje napetosti in toka v daljnovodu se imenuje kot značilna impedanca. To je funkcija fizikalnih lastnosti kabla, čeprav nanj ne vpliva dolžina, za idealizirane (torej brez izgube) proge pa je čisto uporovne.

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo