Linie de transmisie și RF

Semnale RF în viață reală
Interconectele de înaltă frecvență necesită o atenție specială, deoarece ele se comportă adesea nu ca niște fire obișnuite, ci mai degrabă ca linii de transmisie.

În sistemele cu frecvență joasă, componentele sunt conectate prin fire sau urme de PCB. Rezistența acestor elemente conductoare este suficient de scăzută pentru a fi neglijabilă în majoritatea situațiilor.

Acest aspect al proiectării și analizei circuitului se schimbă dramatic odată cu creșterea frecvenței. Semnalele RF nu se deplasează de-a lungul cablurilor sau urmelor PCB în modul simplu pe care îl așteptăm pe baza experienței noastre cu circuite de joasă frecvență.

Linia de transmisie
Comportamentul interconectărilor RF este foarte diferit de cel al firelor obișnuite care poartă semnale cu frecvență joasă - atât de diferit, de fapt, încât se folosește terminologia suplimentară: o linie de transmisie este un cablu (sau pur și simplu o pereche de conductori) care trebuie analizată conform la caracteristicile propagării semnalului de înaltă frecvență.

În primul rând, să lămurim două lucruri:
Cablul vs. urmele
„Cablu” este un cuvânt convenabil, dar imprecis, în acest context. Cablul coaxial este cu siguranță un exemplu clasic de linie de transmisie, dar urmele PCB funcționează, de asemenea, ca linii de transmisie. Linia de transmisie „microstrip” este formată dintr-o urmă și un plan la sol din apropiere, după cum urmează:

Linia de transmisie „stripline” este alcătuită dintr-o urmă de PCB și două plane:




Liniile de transmisie PCB sunt deosebit de importante deoarece caracteristicile lor sunt controlate direct de proiectant. Când cumpărăm un cablu, proprietățile sale fizice sunt fixate; pur și simplu colectăm informațiile necesare din fișa tehnică. Atunci când stabilim un PCB RF, putem personaliza cu ușurință dimensiunile - și deci caracteristicile electrice - ale liniei de transmisie în funcție de nevoile aplicației.

Criteriul liniei de transmisie
Nu orice interconectare de înaltă frecvență este o linie de transmisie; acest termen se referă în principal la interacțiunea electrică dintre semnal și cablu, nu la frecvența semnalului sau la caracteristicile fizice ale cablului. Atunci când trebuie să includem efectele liniei de transmisie în analiza noastră?

Ideea generală este că efectele liniei de transmisie devin semnificative atunci când lungimea liniei este comparabilă sau mai mare decât lungimea de undă a semnalului. O orientare mai specifică este o pătrime din lungimea de undă:

* Dacă lungimea de interconectare este mai mică de o pătrime din lungimea de undă a semnalului, nu este necesară analiza liniei de transmisie. Interconectarea în sine nu afectează în mod semnificativ comportamentul electric al circuitului.

* Dacă lungimea de interconectare este mai mare decât o pătrime din lungimea de undă a semnalului, efectele liniei de transmisie devin semnificative, iar influența interconectării în sine trebuie luată în considerare.

Reamintim că lungimea de undă este egală cu viteza de propagare divizată în frecvență:

Dacă presupunem o viteză de propagare de 0.7 ori mai mare decât viteza luminii, avem următoarele lungimi de undă:


 

Pragurile corespunzătoare ale liniei de transmisie sunt următoarele:


 

Deci, pentru frecvențe foarte mici, efectele liniei de transmisie sunt neglijabile. Pentru frecvențele medii, numai cablurile foarte lungi necesită o atenție specială. Cu toate acestea, la 1 GHz multe urme de PCB trebuie tratate ca linii de transmisie, iar pe măsură ce frecvențele urcă în zecile de gigahertz, liniile de transmisie devin omniprezente.

Impedanță caracteristică
Cea mai importantă proprietate a unei linii de transmisie este impedanța caracteristică (notată de Z0). În general, acesta este un concept destul de simplu, dar inițial poate provoca confuzie.

În primul rând, o notă despre terminologie: „Rezistența” se referă la opoziția la orice flux de curent; nu depinde de frecvență. „Impedanța” este utilizată în contextul circuitelor de curent alternativ și se referă adesea la o rezistență dependentă de frecvență. Cu toate acestea, uneori folosim „impedanța” unde „rezistența” ar fi teoretic mai adecvată; de exemplu, ne-am putea referi la „impedanța de ieșire” a circuitului pur rezistiv.

Astfel, este important să avem o idee clară a ceea ce înțelegem prin „impedanță caracteristică”. Nu este rezistența conductorului de semnal din interiorul cablului - o impedanță caracteristică comună este de 50 Ω, iar o rezistență continuă de 50 Ω pentru un cablu scurt ar fi absurd de mare. Iată câteva puncte importante care ajută la clarificarea naturii impedanței caracteristice:

Impedanța caracteristică este determinată de proprietățile fizice ale liniei de transmisie; în cazul unui cablu coaxial, acesta este o funcție a diametrului interior (D1 din diagrama de mai jos), a diametrului exterior (D2) și a permisivității relative a izolației între conductoarele interioare și exterioare.

Impedanța caracteristică nu este o funcție a lungimii cablului. Este prezent pretutindeni de-a lungul cablului, deoarece rezultă din capacitatea și inductanța inerentă a cablului.

 

În această diagramă, inductorii și condensatoarele individuale sunt folosiți pentru a reprezenta capacitatea și inductanța distribuite care sunt prezente continuu pe toată lungimea cablului.
 

* În practică, impedanța unei linii de transmisie nu este relevantă la curent continuu, dar o linie teoretică de transmisie de lungime infinită ar prezenta impedanța sa caracteristică chiar și la o sursă de curent continuu, cum ar fi o baterie. Acesta este cazul, deoarece linia de transmisie extrem de lungă ar trage perpetuu curent în încercarea de a-și încărca alimentarea infinită de capacitate distribuită, iar raportul dintre tensiunea bateriei și curentul de încărcare ar fi egal cu impedanța caracteristică.

* Impedanța caracteristică a unei linii de transmisie este pur rezistivă; nu este introdus niciun schimb de fază și toate frecvențele semnalului se propagă la aceeași viteză.

 * Teoretic acest lucru este valabil numai pentru liniile de transmisie fără pierderi - adică liniile de transmisie care au rezistență zero de-a lungul conductorilor și o rezistență infinită între conductoare. Evident, astfel de linii nu există, dar analiza liniilor fără pierderi este suficient de precisă atunci când este aplicată liniilor de transmisie cu pierderi reduse din viața reală.

Reflecții și potrivire
Impedanța unei linii de transmisie nu este destinată să restricționeze fluxul de curent în modul în care ar face un rezistor obișnuit. Impedanța caracteristică este pur și simplu un rezultat inevitabil al interacțiunii dintre un cablu compus din doi conductori în imediata apropiere. Importanța impedanței caracteristice în contextul proiectării RF constă în faptul că proiectantul trebuie să corespundă impedanțelor pentru a preveni reflecțiile și a realiza un transfer maxim de putere. Acest lucru va fi discutat în pagina următoare.

Rezumat

* O interconectare este considerată o linie de transmisie atunci când lungimea sa este cel puțin o pătrime din lungimea de undă a semnalului.

* Cablurile coaxiale sunt utilizate în mod obișnuit ca linii de transmisie, deși urmele PCB servesc și în acest scop. Două linii standard de transmisie a PCB sunt microstrip și linia de bandă.

* Interconectele PCB sunt de obicei scurte și, în consecință, nu prezintă un comportament pe linia de transmisie până când frecvențele semnalului nu se apropie de 1 GHz.

* Raportul dintre tensiune și curent într-o linie de transmisie este denumit impedanță caracteristică. Este o funcție a proprietăților fizice ale cablului, deși acesta nu este afectat de lungime, iar pentru liniile idealizate (adică fără pierderi) este pur rezistiv.

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje