Далновод и RF

RF сигнали од реалниот живот
Интерконекциите со висока фреквенција бараат посебно внимание бидејќи тие честопати се однесуваат не како обични жици, туку како линии за пренос.

Во системите со ниска фреквенција, компонентите се поврзани со жици или траги од PCB. Отпорноста на овие спроводливи елементи е доволно мала за да биде занемарлива во повеќето ситуации.

Овој аспект на дизајнирање и анализа на кола драматично се менува со зголемувањето на фреквенцијата. РФ сигналите не патуваат по жици или траги од PCB на јасен начин што очекуваме врз основа на нашето искуство со струјни кола.

Линија за пренос
Однесувањето на RF интерконекциите е многу различно од онаа на обичните жици кои носат сигнали со ниска фреквенција - толку различни, всушност, што се користи дополнителна терминологија: далекуводот е кабел (или едноставно пар проводници) што мора да се анализира според на карактеристиките на ширењето сигнал со висока фреквенција.

Прво, да разјасниме две работи:
Кабел наспроти трага
„Кабел“ е удобен, но непрецизен збор во овој контекст. Коаксијалниот кабел е секако класичен пример за далновод, но трагите од ПЦБ функционираат и како далекуводи. Далноводот „микрострип“ се состои од трага и блиска копнена рамнина, како што следува:

Далноводот „стриптил“ се состои од трага од ПЦБ и две копнени рамнини:




Линиите за пренос на ПЦБ се особено важни затоа што нивните карактеристики директно ги контролира дизајнерот. Кога купуваме кабел, неговите физички својства се фиксни; ние едноставно ги собираме потребните информации од табелата со податоци. Кога издвојуваме RF PCB, можеме лесно да ги прилагодиме димензиите - а со тоа и електричните карактеристики - на далекуводот според потребите на апликацијата.

Критериум за далекувод
Не секое високо-фреквентно интерконекција е далекувод; овој термин се однесува првенствено на електрична интеракција помеѓу сигналот и кабелот, а не на фреквенцијата на сигналот или физичките карактеристики на кабелот. Па, кога треба да ги вклучиме ефектите од далноводот во нашата анализа?

Општата идеја е дека ефектите од далекуводот стануваат значајни кога должината на линијата е споредлива или поголема од брановата должина на сигналот. Поконкретно упатство е една четвртина од брановата должина:

* Ако должината на интерконекцијата е помала од една четвртина од должината на брановите на сигналот, анализата на преносна линија не е неопходна. Самата интерконекција не влијае значително врз електричното однесување на колото.

* Ако должината на интерконекцијата е поголема од една четвртина од брановата должина, ефектите на преносна линија стануваат значајни, а влијанието на самата интерконекција мора да се земе предвид.

Потсетете се дека брановата должина е еднаква на брзината на размножување поделена со фреквенцијата:

Ако претпоставиме брзина на размножување од 0.7 пати поголема од брзината на светлината, ги имаме следниве бранови должини:


 

Соодветните прагови на далекувод се следниве:


 

Значи, за многу ниски фреквенции, ефектите од далноводот се занемарливи. За средни фреквенции, само многу долгите кабли бараат посебно внимание. Како и да е, на 1 GHz многу PCB-траги мора да се третираат како далекувод, и како фреквенциите се искачуваат во десетици гигахерци, далекуводите стануваат сеприсутни.

Карактеристична импеданса
Најважниот својство на далекуводот е карактеристичната импеданса (означена со З0). Севкупно, ова е прилично јасен концепт, но првично може да предизвика забуна.

Прво, белешка за терминологијата: „Отпор“ се однесува на спротивставување на секој проток на струја; не зависи од фреквенцијата. „Импеданса“ се користи во контекст на струјните кола и честопати се однесува на отпорност зависна од фреквенција. Сепак, понекогаш користиме „импеданса“ кога „отпорот“ теоретски би бил посоодветен; на пример, може да се осврнеме на „излезната импеданса“ на чисто резистивно коло.

Така, важно е да се има јасна претстава за тоа што подразбираме под „карактеристична импеданса“. Не е отпорноста на проводникот на сигналот во рамките на кабелот - заедничка карактеристична импеданса е 50 Ω, а DC отпор од 50 Ω за краток кабел би бил апсолутно висок. Еве неколку видливи точки што помагаат да се разјасни природата на карактеристичната импеданса:

Карактеристичната импеданса е одредена од физичките својства на далекуводот; во случај на коаксијален кабел, тоа е функција на внатрешниот дијаметар (Д1 на дијаграмот подолу), надворешниот дијаметар (Д2) и релативната пермитибилност на изолацијата помеѓу внатрешниот и надворешниот проводник.

Карактеристична импеданса не е функција со должина на кабел. Таа е присутна насекаде по кабелот, бидејќи тоа е резултат на својствената капацитивност и индуктивност на кабелот.

 

Во овој дијаграм, индивидуалните индуктори и кондензатори се користат за да ја претставуваат дистрибуираната капацитивност и индуктивност што е постојано присутна во текот на целата должина на кабелот.
 

* Во пракса, импедансата на далноводот не е релевантна во DC, но теоретскиот далекувод за бесконечна должина ќе ја претстави својата карактеристична импеданса дури и до извор на DC, како што е батеријата. Ова е случај затоа што бесконечно долгиот далекувод ќе вечно влече струја во обид да го наплати своето бесконечно снабдување со дистрибуирана капацитивност, а односот на напонот на батеријата кон струјата за полнење ќе биде еднаков на карактеристичната импеданса.

* Карактеристичната импеданса на далноводот е чисто резистентна; не се воведува промена во фазата и сите фреквенции на сигналот се шират со иста брзина.

 * Теоретски, ова важи само за далноводите без загуби, т.е. за преносни линии кои имаат нула отпорност по проводниците и бесконечна отпорност помеѓу проводниците. Очигледно ваквите линии не постојат, но анализата без загуба е доволно точна кога се применува на линиите за пренос на ниски загуби во реалниот живот.

Рефлексии и појавување
Импедансата на далноводот не е наменета да го ограничи протокот на струја на начинот на кој би сакал обичен отпорник. Карактеристичната импеданса е едноставно неизбежен резултат на интеракцијата помеѓу кабел составен од два проводници во близина. Важноста на карактеристичната импеданса во контекст на РФ-дизајнот лежи во фактот дека дизајнерот мора да одговара на импеданса со цел да спречи размислувања и да постигне максимален трансфер на моќност. Ова ќе се дискутира на следната страница.

Резиме

* Интерконекцијата се смета за далекувод кога нејзината должина е најмалку една четвртина од должината на брановиот сигнал.

* Коаксијалните кабли најчесто се користат како далекуводи, иако трагите од ПЦБ исто така служат за оваа намена. Две стандардни линиски преносни PCB се микрострип и лента.

* Интерконекторите за PCB се обично кратки, и следствено на тоа, тие не покажуваат однесување на далекуводот сè додека фреквенциите на сигналот не се приближат до 1 GHz.

* Односот на напон на струја во далекуводот се нарекува карактеристична импеданса. Тој е функција на физичките својства на кабелот, иако не е засегнат од должината, а за идеализираните (т.е. без загуби) линии е чисто отпорен.

Остави порака 

Список со пораки