Siirtojohto ja RF

Tosielämän RF-signaalit
Korkeataajuiset yhdysliitännät vaativat erityistä huomiota, koska ne eivät yleensä toimi kuten tavalliset johdot, vaan pikemminkin siirtojohtoina.

Matalataajuuksisissa järjestelmissä komponentit on kytketty johtimella tai piirilevyllä. Näiden johtavien elementtien vastus on riittävän pieni, jotta se olisi vähäinen useimmissa tilanteissa.

Tämä piirin suunnittelun ja analyysin näkökohta muuttuu dramaattisesti taajuuden kasvaessa. RF-signaalit eivät kulje johtimia tai piirilevyjä pitkin suoraviivaisesti, mitä odotamme kokemuksemme perusteella matalataajuisista piireistä.

Voimansiirtolinja
Radiotaajuusyhdysjohtojen käyttäytyminen on hyvin erilainen kuin tavallisilla matalataajuisia signaaleja kuljettavilla johdoilla - itse asiassa niin erilainen, että käytetään lisäterminologiaa: siirtojohto on kaapeli (tai yksinkertaisesti johdinpari), joka on analysoitava korkean taajuuden signaalin etenemisen ominaisuuksiin.

Ensin selitetään kaksi asiaa:
Kaapeli vs. jälki
”Kaapeli” on kätevä, mutta epätarkka sana tässä yhteydessä. Koaksiaalikaapeli on varmasti klassinen esimerkki siirtojohdosta, mutta piirilevyt toimivat myös siirtojohtoina. ”Mikroliuska” -siirtolinja koostuu seuraavista:

”Kaistalelinja” siirtojohto koostuu piirilevyjäuloksesta ja kahdesta maatasosta:




Piirilevyjen siirtojohdot ovat erityisen tärkeitä, koska niiden ominaisuuksia valvoo suoraan suunnittelija. Kun ostamme kaapelin, sen fysikaaliset ominaisuudet ovat kiinteät; me vain keräämme tarvittavat tiedot lomakkeesta. Suunnitellessamme RF-piirilevyä voimme helposti mukauttaa siirtojohdon mitat - ja siten sähköiset ominaisuudet - sovelluksen tarpeiden mukaan.

Voimansiirtolinjan kriteeri
Kaikki korkeataajuiset yhdysliitännät eivät ole siirtolinja; tämä termi viittaa ensisijaisesti signaalin ja kaapelin väliseen sähköiseen vuorovaikutukseen, ei signaalin taajuuteen tai kaapelin fysikaalisiin ominaisuuksiin. Joten milloin meidän on sisällytettävä voimajohtovaikutukset analyysiimme?

Yleinen ajatus on, että siirtolinjan vaikutuksista tulee merkittäviä, kun linjan pituus on verrattavissa tai suurempi kuin signaalin aallonpituus. Tarkempi ohje on neljäsosa aallonpituudesta:

* Jos kytkentäpituus on vähemmän kuin yksi neljäsosa signaalin aallonpituudesta, siirtolinjan analyysi ei ole tarpeen. Yhdistys itsessään ei vaikuta merkittävästi piirin sähköiseen käyttäytymiseen.

* Jos yhdysjohtojen pituus on suurempi kuin yksi neljäsosa signaalin aallonpituudesta, siirtolinjan vaikutuksista tulee merkittäviä, ja itse yhdistyksen vaikutus on otettava huomioon.

Muista, että aallonpituus on yhtä suuri kuin etenemisnopeus jaettuna taajuudella:

Jos oletamme, että etenemisnopeus on 0.7-kertainen valon nopeuteen nähden, meillä on seuraavat aallonpituudet:


 

Vastaavat siirtojohtokynnysarvot ovat seuraavat:


 

Joten hyvin alhaisilla taajuuksilla siirtojohtovaikutukset ovat vähäpätöisiä. Keskitaajuuksilla vain erittäin pitkät kaapelit vaativat erityistä huomiota. 1 GHz: n taajuudella monia PCB-jälkiä on kuitenkin käsiteltävä siirtolinjoina, ja kun taajuudet nousevat kymmeniin gigahertseihin, siirtojohdoista tulee kaikkialla.

Ominaisimpedanssi
Siirtojohdon tärkein ominaisuus on ominaisimpedanssi (merkitty Z0). Kaiken kaikkiaan tämä on melko yksinkertainen käsite, mutta aluksi se voi aiheuttaa sekaannusta.

Ensinnäkin huomautus terminologiasta: ”Resistanssi” viittaa vastustuskykyyn minkä tahansa virran virtauksen kanssa; se ei ole riippuvainen taajuudesta. ”Impedanssia” käytetään vaihtovirtapiireissä ja se viittaa usein taajuudesta riippuvaiseen vastukseen. Käytämme kuitenkin joskus ”impedanssia”, kun ”vastus” olisi teoreettisesti sopivampi; Esimerkiksi, voimme viitata puhtaasti resistiivisen piirin "lähtöimpedanssiin".

Siksi on tärkeää, että sinulla on selkeä käsitys siitä, mitä tarkoitamme ”ominaisimpedanssilla”. Se ei ole kaapelin sisällä olevan signaalijohtimen vastus - yleinen ominaisimpedanssi on 50 Ω, ja lyhyen kaapelin 50 Ω tasavirtavastus olisi kohtuuttoman suuri. Tässä on joitain tärkeitä kohtia, jotka auttavat selventämään ominaisimpedanssin luonnetta:

Ominaisimpedanssi määräytyy siirtojohdon fysikaalisten ominaisuuksien perusteella; koaksiaalikaapelin tapauksessa se on sisähalkaisijan (alla olevan kaavion D1), ulkohalkaisijan (D2) ja eristyksen suhteellisen sallitun sisä- ja ulkojohtimen välinen funktio.

Ominaisimpedanssi ei ole kaapelin pituuden funktio. Se on läsnä kaikkialla kaapelia pitkin, koska se johtuu kaapelin luontaisesta kapasitanssista ja induktanssista.

 

Tässä kaaviossa yksittäisiä induktoreita ja kondensaattoreita käytetään esittämään hajautettu kapasitanssi ja induktanssi, jota on jatkuvasti läsnä koko kaapelin pituudella.
 

* Käytännössä siirtojohdon impedanssilla ei ole merkitystä tasavirralla, mutta äärettömän pitkä teoreettinen siirtojohto esittäisi sen ominaisimpedanssin jopa tasavirtalähteelle, kuten akulle. Tämä on tilanne, koska äärettömän pitkä siirtojohto veisi jatkuvasti virtaa yrittäessään ladata jakamattoman kapasitanssin ääretöntä tarjontaansa, ja akun jännitteen suhde latausvirtaan olisi yhtä suuri kuin ominaisimpedanssi.

* Siirtojohdon ominaisimpedanssi on puhtaasti resistiivinen; vaihesiirtoa ei johdeta, ja kaikki signaalitaajuudet etenevät samalla nopeudella.

 * Teoreettisesti tämä pätee vain häviöttömiin siirtojohtoihin, toisin sanoen siirtojohtoihin, joilla on nollavastus johtimia pitkin ja ääretön vastus johtimien välillä. Sellaisia ​​johtoja ei selvästikään ole, mutta häviöttömien linjojen analyysi on riittävän tarkka käytettäessä tosielämän pienitappioisia siirtojohtoja.

Heijastuksia ja sovittamista
Siirtojohdon impedanssin ei ole tarkoitettu rajoittavan virran virtausta samalla tavalla kuin tavallinen vastus. Ominaisimpedanssi on yksinkertaisesti väistämätön tulos läheisyydessä olevan kahden johtimen muodostavan kaapelin välisestä vuorovaikutuksesta. Ominaisimpedanssin merkitys radiotaajuussuunnitteluun liittyy siinä, että suunnittelijan on sovitettava impedanssit heijastumisten estämiseksi ja maksimaalisen tehonsiirron saavuttamiseksi. Tätä käsitellään seuraavalla sivulla.

Yhteenveto

* Yhdistettä pidetään siirtolinjana, kun sen pituus on vähintään neljäsosa signaalin aallonpituudesta.

* Koaksiaalikaapeleita käytetään yleisesti siirtojohtoina, vaikka PCB-jäljet ​​palvelevat myös tätä tarkoitusta. Kaksi tavallista piirilevyn siirtojohtoa ovat mikroliuska ja nauhalinja.

* Piirilevyliitännät ovat tyypillisesti lyhyitä, ja siksi niillä ei ole siirtolinjojen käyttäytymistä, ennen kuin signaalin taajuudet lähestyvät 1 GHz.

* Jännitteen ja virran suhteeseen siirtojohdossa viitataan ominaisimpedanssina. Se on kaapelin fysikaalisten ominaisuuksien funktio, vaikka pituus ei vaikuta siihen, ja idealisoitujen (ts. Häviöttömien) linjojen suhteen se on puhtaasti resistiivinen.

Jätä viesti 

viestiluettelo