ЛЭП и РФ

Реальные радиосигналы
Высокочастотные межсоединения требуют особого внимания, поскольку они часто ведут себя не как обычные провода, а как линии передачи.

В низкочастотных системах компоненты соединяются проводами или следами печатных плат. Сопротивление этих проводящих элементов достаточно низкое, чтобы быть незначительным в большинстве ситуаций.

Этот аспект схемотехники и анализа резко меняется с увеличением частоты. РЧ-сигналы не распространяются по проводам или следам печатной платы прямым способом, который мы ожидаем исходя из нашего опыта работы с низкочастотными цепями.

Линия электропередачи
Поведение радиочастотных межсоединений очень отличается от поведения обычных проводов, несущих низкочастотные сигналы, - фактически настолько отличается, что используется дополнительная терминология: линия передачи - это кабель (или просто пара проводников), который необходимо проанализировать в соответствии с характеристикам распространения высокочастотного сигнала.

Для начала давайте уточним две вещи:
Кабель против трассировки
«Кабель» - это удобное, но неточное слово в этом контексте. Коаксиальный кабель, безусловно, является классическим примером линии передачи, но трассировки печатных плат также функционируют как линии передачи. «Микрополосковая» линия передачи состоит из трассы и ближайшей заземляющей плоскости, как указано ниже:

Линейная линия передачи состоит из трассы печатной платы и двух наземных плоскостей:




Линии передачи печатных плат особенно важны, потому что их характеристики контролируются непосредственно разработчиком. Когда мы покупаем кабель, его физические свойства фиксированы; мы просто собираем необходимую информацию из таблицы. Размещая РЧ-плату, мы можем легко настроить размеры и, следовательно, электрические характеристики линии электропередачи в соответствии с потребностями применения.

Критерий линии электропередачи
Не каждое высокочастотное соединение является линией передачи; этот термин относится в первую очередь к электрическому взаимодействию между сигналом и кабелем, а не к частоте сигнала или физическим характеристикам кабеля. Итак, когда нам нужно включить эффекты линии электропередачи в наш анализ?

Общая идея состоит в том, что эффекты линии передачи становятся значительными, когда длина линии сопоставима или больше, чем длина волны сигнала. Более конкретный ориентир составляет одну четвертую длины волны:

* Если длина межсоединения составляет менее одной четвертой длины волны сигнала, анализ линии передачи не требуется. Само соединение не оказывает существенного влияния на электрическое поведение цепи.

* Если длина межсоединения превышает одну четвертую длины волны сигнала, эффекты линии передачи становятся значительными, и необходимо учитывать влияние самого межсоединения.

Напомним, что длина волны равна скорости распространения, деленной на частоту:

Если мы предположим, что скорость распространения в 0.7 раза больше скорости света, мы получим следующие длины волн:


 

Соответствующие пороги линии передачи следующие:


 

Так что для очень низких частот эффекты линии передачи незначительны. Для средних частот только очень длинные кабели требуют особого внимания. Однако на частоте 1 ГГц многие следы печатных плат должны рассматриваться как линии передачи, и, когда частоты достигают десятков гигагерц, линии передачи становятся повсеместными.

Характеристика импеданса
Наиболее важным свойством линии передачи является волновое сопротивление (обозначается Z0). В целом это довольно простая концепция, но изначально она может вызвать путаницу.

Во-первых, примечание по терминологии: «Сопротивление» означает противодействие любому потоку тока; это не зависит от частоты. «Импеданс» используется в контексте цепей переменного тока и часто относится к частотно-зависимому сопротивлению. Однако мы иногда используем «импеданс», где «сопротивление» теоретически было бы более уместным; Например, мы можем сослаться на «выходной импеданс» чисто резистивной схемы.

Таким образом, важно иметь четкое представление о том, что мы подразумеваем под «характеристическим сопротивлением». Это не сопротивление сигнального проводника внутри кабеля - общий характеристический импеданс составляет 50 Ом, а сопротивление постоянному току 50 Ом для короткого кабеля было бы невероятно высоким. Вот некоторые существенные моменты, которые помогают прояснить природу характеристического сопротивления:

Характеристическое сопротивление определяется физическими свойствами линии электропередачи; в случае коаксиального кабеля это функция внутреннего диаметра (D1 на диаграмме ниже), внешнего диаметра (D2) и относительной диэлектрической проницаемости изоляции между внутренним и внешним проводниками.

Характеристическое сопротивление не зависит от длины кабеля. Он присутствует повсюду вдоль кабеля, потому что он является результатом внутренней емкости и индуктивности кабеля.

 

На этой схеме отдельные катушки индуктивности и конденсаторы используются для представления распределенной емкости и индуктивности, которые постоянно присутствуют по всей длине кабеля.
 

* На практике импеданс линии передачи не имеет значения при постоянном токе, но теоретическая линия передачи бесконечной длины будет представлять свой характерный импеданс даже для источника постоянного тока, такого как батарея. Это имеет место, потому что бесконечно длинная линия передачи будет постоянно потреблять ток в попытке зарядить ее бесконечный источник распределенной емкости, и отношение напряжения аккумулятора к току зарядки будет равно характеристическому сопротивлению.

* Характеристическое сопротивление линии электропередачи является чисто резистивным; фазовый сдвиг не вводится, и все частоты сигнала распространяются с одинаковой скоростью.

 * Теоретически это верно только для линий передачи без потерь, то есть линий передачи, которые имеют нулевое сопротивление вдоль проводников и бесконечное сопротивление между проводниками. Очевидно, что таких линий не существует, но анализ линий без потерь является достаточно точным применительно к реальным линиям передачи с низкими потерями.

Размышления и соответствия
Полное сопротивление линии передачи не предназначено для ограничения протекания тока, как это делает обычный резистор. Характеристический импеданс является просто неизбежным результатом взаимодействия кабеля, состоящего из двух проводников, находящихся в непосредственной близости. Важность характеристического импеданса в контексте RF дизайна заключается в том, что разработчик должен согласовать импедансы, чтобы предотвратить отражения и достичь максимальной передачи мощности. Это будет обсуждаться на следующей странице.

Обзор

* Межсоединение считается линией передачи, когда его длина составляет не менее одной четвертой длины волны сигнала.

* Коаксиальные кабели обычно используются в качестве линий передачи, хотя трассировки печатных плат также служат этой цели. Две стандартные линии передачи печатной платы - это микрополосковая и полосовая линии.

* Межсоединения на печатных платах, как правило, короткие, и, следовательно, они не проявляют поведения линии передачи, пока частоты сигнала не достигнут 1 ГГц.

* Отношение напряжения к току в линии передачи называется характеристическим сопротивлением. Он зависит от физических свойств кабеля, хотя на него не влияет длина, а для идеализированных (т. Е. Без потерь) линий он является чисто резистивным.

Оставить сообщение 

Список сообщений