Ülekandeliin ja RF

Reaalajas raadiosignaalid
Kõrgsageduslikud ühendused vajavad erilist tähelepanu, kuna need ei käitu sageli tavaliste juhtmetena, vaid pigem ülekandeliinidena.

Madala sagedusega süsteemides on komponendid ühendatud juhtmete või PCB jälgede abil. Nende juhtivate elementide takistus on piisavalt madal, et enamikus olukordades olla ebaoluline.

See vooluahela kujundamise ja analüüsi aspekt muutub sageduse suurenedes dramaatiliselt. RF-signaalid ei liigu mööda juhtmeid ega PCB-jälgi sirgjooneliselt, nagu me eeldame, tuginedes meie kogemusele madalsageduslike vooluahelate osas.

Ülekandeliin
Raadiosideühenduste käitumine on väga erinev tavaliste madalsagedussignaale edastavate juhtmete käitumisest - tegelikult nii erinev, et kasutatakse täiendavat terminoloogiat: ülekandeliin on kaabel (või lihtsalt juhtmete paar), mida tuleb vastavalt analüüsida kõrgsagedusliku signaali levimise karakteristikutele.

Esiteks selgitame kahte asja:
Kaabel vs jälg
“Kaabel” on selles kontekstis mugav, kuid ebatäpne sõna. Koaksiaalkaabel on kindlasti ülekandeliini klassikaline näide, kuid PCB jäljed toimivad ka ülekandeliinidena. „Mikrostriba” ülekandeliin koosneb jäljest ja lähedalasuvast põhitasandist järgmiselt:

Ribajuhtme ülekandeliin koosneb PCB jäljest ja kahest maapinnast:




PCB ülekandeliinid on eriti olulised, kuna nende omadusi kontrollib otseselt projekteerija. Kui ostame kaabli, on selle füüsikalised omadused fikseeritud; lihtsalt kogume vajaliku teabe andmelehelt. RF-PCB paigutamisel saame ülekandeliini mõõtmeid ja seega ka elektrilisi omadusi hõlpsalt kohandada vastavalt rakenduse vajadustele.

Ülekandeliini kriteerium
Mitte iga kõrgsageduslik ühendus pole ülekandeliin; see termin viitab peamiselt signaali ja kaabli vahelisele elektrilisele interaktsioonile, mitte signaali sagedusele või kaabli füüsilistele omadustele. Nii et millal peame oma analüüsi lülitama ülekandeliini efektid?

Üldine idee on see, et ülekandeliini efektid muutuvad märkimisväärseks, kui joone pikkus on võrreldav või suurem kui signaali lainepikkus. Täpsem suunis on üks neljandik lainepikkusest:

* Kui ühenduste pikkus on väiksem kui üks neljandik signaali lainepikkusest, pole ülekandeliini analüüs vajalik. Ühendus ise ei mõjuta oluliselt vooluahela elektrikäitumist.

* Kui ühenduse pikkus on suurem kui üks neljandik signaali lainepikkusest, muutuvad ülekandeliini efektid oluliseks ja tuleb arvestada ka ühenduse loomise mõjuga.

Tuletame meelde, et lainepikkus võrdub levimiskiirusega, jagatud sagedusega:

Kui eeldada, et levimiskiirus on 0.7-kordne valguse kiirusel, on meil järgmised lainepikkused:


 

Vastavad ülekandeliini künnised on järgmised:


 

Nii et väga madalate sageduste korral on ülekandeliiniefektid ebaolulised. Keskmise sageduse korral vajavad erilist tähelepanu ainult väga pikad kaablid. 1 GHz sagedusel tuleb aga paljusid PCB jälgi käsitleda ülekandeliinidena ja kui sagedused tõusevad kümnetesse gigahertsidesse, muutuvad ülekandeliinid kõikjal.

Iseloomulik takistus
Ülekandeliini kõige olulisem omadus on iseloomulik impedants (tähistatud numbriga Z0). Üldiselt on see üsna arusaadav kontseptsioon, kuid esialgu võib see tekitada segadust.

Esiteks, märkus terminoloogia kohta: “Vastupanu” viitab igasuguse vooluvoolu vastuseisule; see ei sõltu sagedusest. „Takistus” on vahelduvvooluahelate kontekstis ja see viitab sageli sagedusest sõltuvale takistusele. Kuid mõnikord kasutame “impedantsi” seal, kus “takistus” oleks teoreetiliselt sobivam; näiteks võiksime viidata puhtalt takistusskeemi väljundtakistusele.

Seega on oluline omada selget ettekujutust sellest, mida mõtleme „iseloomuliku takistuse” all. See ei ole kaabli sees oleva signaalijuhi takistus - üldine iseloomulik takistus on 50 Ω ja lühikese kaabli alaline alalistakistus 50 Ω oleks absurdselt kõrge. Siin on mõned olulisemad punktid, mis aitavad selgitada iseloomuliku takistuse olemust:

Iseloomulik impedants määratakse ülekandeliini füüsikaliste omaduste järgi; koaksiaalkaabli puhul on see siseläbimõõdu (D1 alloleval joonisel), välisläbimõõdu (D2) ja sisemise ja välimise juhi vahelise isolatsiooni suhtelise lubatavuse funktsioon.

Iseloomulik impedants ei sõltu kaabli pikkusest. See on olemas kõikjal kaabli kohal, kuna see tuleneb kaabli loomupärasest mahtuvusest ja induktiivsusest.

 

Sellel diagrammil kasutatakse individuaalseid induktiivjuhtmeid ja kondensaatoreid hajutatud mahtuvuse ja induktiivsuse tähistamiseks, mis on kogu kaabli pikkuses pidevalt olemas.
 

* Praktikas pole ülekandeliini takistus alalisvoolu korral asjakohane, kuid lõpmatu pikkusega teoreetiline ülekandeliin annaks iseloomuliku impedantsi isegi alalisvooluallikale nagu aku. See on nii juhul, kui lõpmata pikk ülekandeliin tõmbab alaliselt voolu, et laadida oma hajutatud mahtuvuse lõpmatu pakkumine, ja aku pinge ja laadimisvoolu suhe oleks võrdne iseloomuliku impedantsiga.

* Ülekandeliini iseloomulik takistus on puhtalt takistuslik; faasinihet ei toimu ja kõik signaali sagedused levivad sama kiirusega.

 * Teoreetiliselt kehtib see ainult kadudeta ülekandeliinide kohta, st ülekandeliinide suhtes, millel on nulltakistus piki juhtmeid ja lõpmatu takistus juhtide vahel. Selliseid liine ilmselgelt ei eksisteeri, kuid kadudeta liinide analüüs on piisavalt täpne, kui neid rakendatakse reaalse elu madala kahjumiga ülekandeliinidele.

Peegeldused ja sobitamine
Ülekandeliini takistus ei ole ette nähtud voolu voolu piiramiseks viisil, nagu tavaline takisti. Iseloomulik impedants on lihtsalt lähestikku paiknevast kahest juhist koosneva kaabli vastastikmõju vältimatu tulemus. Iseloomuliku impedantsi tähtsus raadiosagedusliku projekteerimise kontekstis seisneb selles, et projekteerija peab peegelduste vältimiseks ja maksimaalse jõuülekande saavutamiseks takistusi sobitama. Seda arutatakse järgmisel lehel.

kokkuvõte

* Ühendust peetakse ülekandeliiniks, kui selle pikkus on vähemalt üks neljandik signaali lainepikkusest.

* Koaksiaalkaableid kasutatakse tavaliselt ülekandeliinidena, ehkki ka PCB jäljed vastavad sellele eesmärgile. Kaks standardset PCB ülekandeliini on mikrolinti ja ribaliin.

* PCB-ühendused on tavaliselt lühikesed ja järelikult ei käitu nad ülekandeliini viisil enne, kui signaali sagedused lähenevad 1 GHz-le.

* Pinge ja voolu suhet ülekandeliinil nimetatakse iseloomulikuks takistuseks. See on kaabli füüsikaliste omaduste funktsioon, kuigi pikkus seda ei mõjuta ning idealiseeritud (st kadudeta) liinide puhul on see puhtalt takistuslik.

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri