Talian Penghantaran dan RF

Isyarat RF Kehidupan Sebenar
Sambungan frekuensi tinggi memerlukan pertimbangan khusus kerana mereka sering berkelakuan bukan sebagai wayar biasa tetapi sebagai saluran penghantaran.

Dalam sistem frekuensi rendah, komponen dihubungkan dengan wayar atau jejak PCB. Rintangan unsur-unsur konduktif ini cukup rendah sehingga boleh diabaikan dalam kebanyakan keadaan.

Aspek reka bentuk dan analisis litar ini berubah secara mendadak apabila frekuensi meningkat. Isyarat RF tidak bergerak di sepanjang wayar atau jejak PCB dengan cara yang mudah yang kami harapkan berdasarkan pengalaman kami dengan litar frekuensi rendah.

Talian Penghantaran
Tingkah laku interkoneksi RF sangat berbeza dengan wayar biasa yang membawa isyarat frekuensi rendah - sebenarnya berbeza, sehingga terminologi tambahan digunakan: saluran penghantaran adalah kabel (atau hanya sepasang konduktor) yang mesti dianalisis mengikut kepada ciri-ciri penyebaran isyarat frekuensi tinggi.

Pertama, mari kita jelaskan dua perkara:
Kabel vs Jejak
"Kabel" adalah kata yang mudah tetapi tidak tepat dalam konteks ini. Kabel sepaksi tentunya merupakan contoh klasik saluran penghantaran, tetapi jejak PCB juga berfungsi sebagai saluran penghantaran. Saluran transmisi "mikrostrip" terdiri dari jejak dan pesawat tanah yang berdekatan, seperti berikut:

Saluran transmisi "stripline" terdiri daripada jejak PCB dan dua pesawat tanah:




Talian penghantaran PCB sangat penting kerana ciri-cirinya dikendalikan secara langsung oleh pereka. Apabila kita membeli kabel, sifat fizikalnya tetap; kami hanya mengumpulkan maklumat yang diperlukan dari lembaran data. Semasa meletakkan PCB RF, kita dapat dengan mudah menyesuaikan dimensi - dan dengan demikian ciri elektrik - saluran transmisi sesuai dengan kebutuhan aplikasi.

Kriteria Talian Penghantaran
Tidak setiap interkoneksi frekuensi tinggi adalah saluran penghantaran; istilah ini merujuk terutamanya kepada interaksi elektrik antara isyarat dan kabel, bukan pada frekuensi isyarat atau ciri fizikal kabel. Oleh itu, bilakah kita perlu memasukkan kesan saluran penghantaran ke dalam analisis kita?

Idea umum adalah bahawa kesan saluran penghantaran menjadi ketara apabila panjang saluran dapat dibandingkan dengan atau lebih besar daripada panjang gelombang isyarat. Garis panduan yang lebih spesifik adalah seperempat panjang gelombang:

* Sekiranya panjang interkoneksi kurang dari satu perempat dari panjang gelombang isyarat, analisis saluran penghantaran tidak diperlukan. Sambungan itu sendiri tidak mempengaruhi tingkah laku elektrik litar dengan ketara.

* Jika panjang interkoneksi lebih besar daripada seperempat panjang gelombang isyarat, kesan saluran penghantaran menjadi ketara, dan pengaruh interkoneksi itu sendiri mesti diambil kira.

Ingat bahawa panjang gelombang sama dengan halaju perambatan dibahagi dengan frekuensi:

Sekiranya kita menganggap kecepatan perambatan 0.7 kali ganda kecepatan cahaya, kita mempunyai panjang gelombang berikut:


 

Ambang talian penghantaran yang sesuai adalah seperti berikut:


 

Jadi untuk frekuensi yang sangat rendah, kesan saluran penghantaran tidak dapat diabaikan. Untuk frekuensi sederhana, hanya kabel yang sangat panjang yang memerlukan pertimbangan khas. Namun, pada 1 GHz banyak jejak PCB harus diperlakukan sebagai saluran transmisi, dan ketika frekuensi naik ke puluhan gigahertz, saluran transmisi menjadi di mana-mana.

Impedans Ciri
Harta terpenting saluran penghantaran adalah sifat impedans (dilambangkan oleh Z0). Secara keseluruhan ini adalah konsep yang cukup mudah, tetapi pada awalnya ia boleh menimbulkan kekeliruan.

Pertama, catatan mengenai terminologi: "Penentangan" merujuk kepada penentangan terhadap arus arus; ia tidak bergantung pada frekuensi. "Impedance" digunakan dalam konteks rangkaian AC dan sering merujuk pada rintangan yang bergantung pada frekuensi. Namun, kadang-kadang kita menggunakan "impedansi" di mana "rintangan" secara teorinya lebih sesuai; sebagai contoh, kita mungkin merujuk kepada "impedans keluaran" rangkaian resistif murni.

Oleh itu, penting untuk mempunyai idea yang jelas tentang apa yang kita maksudkan dengan "impedans ciri." Ini bukan rintangan konduktor isyarat di dalam kabel - impedans ciri umum adalah 50 Ω, dan rintangan DC 50 Ω untuk kabel pendek akan tinggi. Berikut adalah beberapa perkara penting yang membantu menjelaskan sifat impedans ciri:

Impedansi ciri ditentukan oleh sifat fizikal saluran penghantaran; sekiranya kabel sepaksi, ia adalah fungsi dari diameter dalam (D1 dalam rajah di bawah), diameter luar (D2), dan kebolehtelapan relatif penebat antara konduktor dalaman dan luaran.

Impedans ciri bukanlah fungsi panjang kabel. Ia terdapat di mana-mana di sepanjang kabel, kerana ia berpunca dari kapasitansi dan induktansi yang ada pada kabel.

 

Dalam rajah ini, induktor dan kapasitor individu digunakan untuk mewakili kapasitans dan induktansi yang diedarkan yang sentiasa ada sepanjang panjang kabel.
 

* Dalam praktiknya, impedansi saluran transmisi tidak relevan pada DC, tetapi garis transmisi teoritis dengan panjang tak terbatas akan menunjukkan sifat impedansnya bahkan ke sumber DC seperti bateri. Ini terjadi kerana saluran transmisi panjang yang panjang akan terus-menerus menarik arus dalam usaha untuk mengisi bekalan kapasitans terdistribusi yang tidak terbatas, dan nisbah voltan bateri dengan arus pengecasan akan sama dengan impedans ciri.

* Impedansi ciri saluran transmisi murni tahan; tidak ada pergeseran fasa yang diperkenalkan, dan semua frekuensi isyarat menyebar pada kelajuan yang sama.

 * Secara teorinya ini berlaku hanya untuk saluran transmisi tanpa kerugian — iaitu, saluran transmisi yang tidak mempunyai rintangan di sepanjang konduktor dan rintangan yang tidak terhingga antara konduktor. Jelas bahawa garis seperti itu tidak ada, tetapi analisis garis tanpa kerugian cukup tepat apabila diterapkan pada saluran transmisi kerugian rendah kehidupan nyata.

Refleksi dan Padanan
Impedansi saluran penghantaran tidak bertujuan untuk menyekat aliran arus dengan cara yang mungkin dilakukan oleh perintang biasa. Impedans ciri hanyalah hasil yang tidak dapat dielakkan dari interaksi antara kabel yang terdiri daripada dua konduktor dalam jarak dekat. Pentingnya impedans ciri dalam konteks reka bentuk RF terletak pada kenyataan bahawa pereka harus menyesuaikan impedansi untuk mencegah pantulan dan mencapai pemindahan daya maksimum. Perkara ini akan dibincangkan di halaman seterusnya.

Ringkasan

* Interkoneksi dianggap sebagai saluran penghantaran apabila panjangnya sekurang-kurangnya seperempat dari panjang gelombang isyarat.

* Kabel sepaksi biasanya digunakan sebagai saluran penghantaran, walaupun jejak PCB juga berfungsi untuk tujuan ini. Dua saluran penghantaran PCB standard adalah garis mikro dan garis lurus.

* Sambungan PCB biasanya pendek, dan akibatnya mereka tidak menunjukkan tingkah laku saluran penghantaran sehingga frekuensi isyarat mendekati 1 GHz.

* Nisbah voltan ke arus dalam saluran transmisi disebut sebagai ciri impedans. Ini adalah fungsi sifat fizikal kabel, walaupun tidak dipengaruhi oleh panjang, dan untuk garis ideal (iaitu tanpa kehilangan), ia benar-benar tahan.

Tinggalkan pesanan 

Senarai mesej