ЛЕП и радиочестотна линия

РЧ сигнали в реалния живот
Високочестотните връзки изискват специално внимание, тъй като те често се държат не като обикновени проводници, а по-скоро като електропроводи.

В нискочестотните системи компонентите са свързани чрез проводници или PCB следи. Съпротивлението на тези проводими елементи е достатъчно ниско, за да е незначително в повечето ситуации.

Този аспект на схемата на проектиране и анализ се променя драстично с увеличаването на честотата. RF сигналите не се движат по проводници или PCB следи по прав начин, който очакваме въз основа на нашия опит с нискочестотни вериги.

Предавателната линия
Поведението на радиовръзките е много различно от това на обикновените проводници, пренасящи нискочестотни сигнали - толкова различни, всъщност, че се използва допълнителна терминология: преносна линия е кабел (или просто двойка проводници), който трябва да бъде анализиран според към характеристиките на разпространението на високочестотен сигнал.

Първо, нека изясним две неща:
Кабел срещу Трейс
„Кабел“ е удобна, но неточна дума в този контекст. Коаксиалният кабел със сигурност е класически пример за преносна линия, но следите от PCB също функционират като преносни линии. Преносната линия "микрополоска" се състои от следа и близка земна равнина, както следва:

Линията за предаване на лентата се състои от PCB следа и две основни равнини:




PCB предавателните линии са особено важни, тъй като техните характеристики се контролират директно от проектанта. Когато купуваме кабел, неговите физически свойства са фиксирани; ние просто събираме необходимата информация от листа с данни. Когато поставяме радиочестотна платка, можем лесно да персонализираме размерите - и по този начин електрическите характеристики - на електропровода според нуждите на приложението.

Критерият на предавателната линия
Не всяко високочестотно свързване е преносна линия; този термин се отнася преди всичко до електрическото взаимодействие между сигнал и кабел, а не до честотата на сигнала или физическите характеристики на кабела. И така, кога трябва да включим ефектите на електропровода в нашия анализ?

Общата идея е, че ефектите на линията на предаване стават значителни, когато дължината на линията е сравнима или по-голяма от дължината на вълната на сигнала. По-конкретна насока е една четвърт от дължината на вълната:

* Ако дължината на връзката е по-малка от една четвърт от дължината на вълната на сигнала, анализът на линията на предаване не е необходим. Самото свързване не влияе значително на електрическото поведение на веригата.

* Ако дължината на междусистемната връзка е по-голяма от една четвърт от дължината на вълната на сигнала, ефектите на линията на предаване стават значителни и трябва да се вземе предвид влиянието на самата връзка.

Спомнете си, че дължината на вълната е равна на скоростта на разпространение, разделена на честотата:

Ако приемем скорост на разпространение 0.7 пъти по-голяма от скоростта на светлината, имаме следните дължини на вълната:


 

Съответните прагове на електропровода са следните:


 

Така че за много ниски честоти ефектите на линията на пренос са незначителни. За средни честоти само много дълги кабели изискват специално внимание. Въпреки това, при 1 GHz много следи от PCB трябва да се третират като предавателни линии и когато честотите се изкачат в десетките гигагерци, предавателните линии стават повсеместни.

Характеристичен импеданс
Най-важното свойство на електропровода е характерният импеданс (обозначен със Z0). Като цяло това е доста проста концепция, но първоначално може да предизвика объркване.

Първо, бележка за терминологията: „Съпротивление“ се отнася до противопоставяне на всеки поток от ток; не зависи от честотата. "Импеданс" се използва в контекста на променливотокови вериги и често се отнася до честотно-зависимо съпротивление. Обаче понякога използваме „импеданс“, където „съпротивата“ теоретично би била по-подходяща; например, можем да се позоваваме на "изходен импеданс" на чисто резистивна верига.

Затова е важно да имаме ясна представа какво имаме предвид под „характерен импеданс“. Това не е съпротивлението на сигналния проводник вътре в кабела - общ характерен импеданс е 50 Ω, а постоянноток съпротивление от 50 Ω за къс кабел би било абсурдно високо. Ето някои забележителни точки, които помагат да се изясни естеството на характерния импеданс:

Характерният импеданс се определя от физичните свойства на електропровода; в случай на коаксиален кабел, той е функция на вътрешния диаметър (D1 на диаграмата по-долу), външния диаметър (D2) и относителната пропускливост на изолацията между вътрешния и външния проводник.

Характерният импеданс не е функция на дължината на кабела. Той присъства навсякъде по протежение на кабела, защото е резултат от присъщата на кабела капацитет и индуктивност.

 

В тази диаграма отделни индуктори и кондензатори се използват за представяне на разпределения капацитет и индуктивност, който непрекъснато присъства по цялата дължина на кабела.
 

* На практика импедансът на електропровода не е от значение при постоянен ток, но теоретична преносна линия с безкрайна дължина би представила своя характерен импеданс дори на източник на постоянен ток, като например батерия. Такъв е случаят, защото безкрайно дългият предавателен канал непрекъснато ще тече ток в опит да зарежда безкрайното си захранване на разпределен капацитет, а съотношението на напрежението на акумулатора към тока на зареждане ще бъде равно на характерния импеданс.

* Характерният импеданс на електропровода е чисто съпротивителен; не се въвежда фазово изместване и всички честоти на сигнала се разпространяват със същата скорост.

 * Теоретично това важи само за далекопроводи без загуби - т.е. преносни линии, които имат нулево съпротивление по проводниците и безкрайно съпротивление между проводниците. Очевидно такива линии не съществуват, но анализът на линията без загуби е достатъчно точен, когато се прилага към реални жизнени линии с ниски загуби.

Размисли и съвпадение
Импедансът на електропровода не е предназначен да ограничи текущия поток по начина, по който би обикновен резистор. Характерният импеданс е просто неизбежен резултат от взаимодействието между кабел, съставен от два проводника в непосредствена близост. Значението на характеристичния импеданс в контекста на RF проектирането се състои в това, че дизайнерът трябва да съответства на импедансите, за да предотврати отраженията и да постигне максимален пренос на мощност. Това ще бъде разгледано на следващата страница.

Oбобщение

* Интерконект се счита за предавателна линия, когато дължината му е най-малко една четвърт от дължината на вълната на сигнала.

* Коаксиалните кабели обикновено се използват като електропроводи, въпреки че следите от PCB също служат за тази цел. Две стандартни PCB предавателни линии са микрополосковата и лентовата линия.

* PCB взаимовръзките обикновено са къси и следователно те не проявяват поведение на линията на предаване, докато честотите на сигнала не се доближат до 1 GHz.

* Съотношението напрежение към ток в електропровода се означава като характеристичен импеданс. Той е функция на физичните свойства на кабела, въпреки че не се влияе от дължината, а за идеализирани (т.е. без загуби) линии е чисто съпротивителен.

Остави съобщение 

Списък на ЛС