קו הילוכים ו- RF

אותות RF אמיתיים
חיבורים בתדרים גבוהים דורשים התחשבות מיוחדת מכיוון שהם לרוב מתנהגים לא כחוטים רגילים אלא כקווי הילוכים.

במערכות בתדר נמוך, רכיבים מחוברים באמצעות חוטים או עקבות PCB. ההתנגדות של אלמנטים מוליכים אלה נמוכה מספיק כדי להיות זניחה ברוב המצבים.

היבט זה של תכנון וניתוח מעגלים משתנה באופן דרמטי ככל שהתדירות גדלה. אותות RF אינם נודעים לאורך חוטים או עקבות PCB באופן פשוט שאנו מצפים על סמך הניסיון שלנו עם מעגלי תדרים נמוכים.

קו ההולכה
התנהגות קשרי RF שונה מאוד מזו של חוטים רגילים הנושאים אותות בתדר נמוך - כל כך שונה, למעשה, שמשתמשים במינוחים נוספים: קו הולכה הוא כבל (או פשוט זוג מוליכים) שיש לנתח בהתאם למאפיינים של הפצת אות בתדר גבוה.

ראשית, נבהיר שני דברים:
כבל מול עקבות
"כבל" היא מילה נוחה אך לא מדויקת בהקשר זה. הכבל הקואקסיאלי הוא בהחלט דוגמא קלאסית לקו תמסורת, אך עקבות ה- PCB פועלות גם כקווי תמסורת. קו ההולכה "מיקרוסטריפ" מורכב מתחקור ומישור קרקעי סמוך, כדלקמן:

קו ההולכה "פסי קו" מורכב מתמר PCB ושני מטוסים קרקעיים:




קווי העברה של PCB חשובים במיוחד מכיוון שהמאפיין שלהם נשלט ישירות על ידי המעצב. כאשר אנו קונים כבל, התכונות הפיזיקליות שלו קבועות; אנו פשוט אוספים את המידע הדרוש מגליון הנתונים. כאשר אנו מפרסים PCB RF RF, אנו יכולים להתאים אישית בקלות את הממדים - וכך את המאפיינים החשמליים - של קו ההולכה בהתאם לצרכי היישום.

קריטריון קו ההולכה
לא כל חיבור תדרים גבוהים הוא קו הולכה; מונח זה מתייחס בעיקר לאינטראקציה החשמלית בין אות לכבל, ולא לתדר האות או למאפיינים הפיזיים של הכבל. אז מתי עלינו לשלב את האפקטים של קו ההולכה בניתוח שלנו?

הרעיון הכללי הוא שאפקטים של קו ההולכה הופכים משמעותיים כאשר אורך הקו דומה לאורך הגל של האות או גדול ממנו. הנחיה ספציפית יותר היא רבע מאורך הגל:

* אם אורך החיבור בין החיבור פחות מרבע מאורך הגל של האות, אין צורך לבצע ניתוח קו הולכה. החיבור עצמו אינו משפיע באופן משמעותי על ההתנהגות החשמלית של המעגל.

* אם אורך החיבור בין החיבורים גדול מרבע מאורך הגל של האות, השפעות קו ההולכה הופכות להיות משמעותיות, ויש לקחת בחשבון את ההשפעה של החיבור עצמו.

נזכיר שאורך הגל שווה למהירות ההתפשטות מחולקת לפי תדר:

אם אנו מניחים מהירות התפשטות פי 0.7 ממהירות האור, יש לנו את אורכי הגל הבאים:


 

ספי קו ההולכה המתאימים הם הבאים:


 

אז לגבי תדרים נמוכים מאוד, השפעות קו ההולכה אפסי. עבור תדרים בינוניים, רק כבלים ארוכים מאוד דורשים התחשבות מיוחדת. עם זאת, ב 1 גיגה הרץ יש להתייחס אל עקבות PCB רבים כאל קווי הולכה, וככל שתדרים מטפסים לעשרות הגיגה-הרץ, קווי ההעברה הופכים להיות בכל מקום.

עכבה אופיינית
המאפיין החשוב ביותר של קו הולכה הוא עכבה אופיינית (מסומנת על ידי Z0). בסך הכל זהו מושג די פשוט, אך בתחילה זה יכול לגרום לבלבול.

ראשית, הערה על המינוחים: "התנגדות" מתייחסת להתנגדות לכל זרם זרם; זה לא תלוי בתדר. "עכבה" משמש בהקשר של מעגלי זרם חילופין ומתייחס לרוב להתנגדות תלויה בתדר. עם זאת, אנו משתמשים לפעמים ב"ה עכבה "כאשר" התנגדות "תהיה תיאורטית יותר מתאימה; לדוגמה, אנו עשויים להתייחס ל"ה עכבת הפלט "של מעגל התנגדות גרידא.

לכן חשוב לקבל מושג ברור על כוונתנו ב"ה עכבה אופיינית ". זו אינה ההתנגדות של מוליך האות בתוך הכבל - עכבה אופיינית נפוצה היא 50 Ω, והתנגדות DC של 50 Ω לכבל קצר תהיה גבוהה עד אבסורד. להלן כמה נקודות בולטות המסייעות להבהיר את טיב הה עכבה האופיינית:

עכבה אופיינית נקבעת על פי התכונות הפיזיות של קו ההולכה; במקרה של כבל קואקסיאלי, מדובר בפונקציה של הקוטר הפנימי (D1 בתרשים למטה), הקוטר החיצוני (D2), והמתן היחסי של הבידוד בין המוליכים הפנימיים והחיצוניים.

עכבה אופיינית אינה פונקציה של אורך הכבל. הוא קיים בכל מקום לאורך הכבל, מכיוון שהוא נובע מהקיבול וההשראות המובנים של הכבל.

 

בתרשים זה משתמשים במשרנים וקבלים בודדים לייצוג הקיבול והמשראות המופצים שנמצאים ברציפות לאורך כל הכבל.
 

* בפועל, עכבת קו הולכה אינה רלוונטית ב DC, אך קו העברה תיאורטי באורך אינסופי יציג את עכבתו האופיינית אפילו למקור DC כמו סוללה. זה המקרה מכיוון שקו ההולכה הארוך עד אינסוף היה מושך תמיד זרם בניסיון להעלות את אספקת הקיבול המופץ האינסופית שלו, ויחס מתח הסוללה לזרם הטעינה יהיה שווה ל עכבה האופיינית.

* עכבתו האופיינית של קו הולכה היא התנגדות גרידא; לא מוצגת שום מעבר שלב, וכל תדרי האות מתפשטים באותה המהירות.

 תיאורטית זה נכון רק לגבי קווי הילוכים חסרי אובדן - כלומר, קווי הילוכים שיש להם התנגדות אפסית לאורך המוליכים והתנגדות אינסופית בין המוליכים. ברור שקווים כאלה אינם קיימים, אך ניתוח קו הפסד הוא די מדויק כאשר מיושם על קווי הילוכים עם אובדן נמוך בחיים האמיתיים.

הרהורים והתאמה
עכבת קו ההולכה אינה מיועדת להגביל את זרימת הזרם באופן בו היה מתנגד רגיל. עכבה אופיינית היא פשוט תוצאה בלתי נמנעת מהאינטראקציה בין כבל המורכב משני מוליכים בסמיכות. החשיבות של עכבה אופיינית בהקשר של תכנון RF נעוצה בעובדה שעל המתכנן להתאים עכבות על מנת למנוע השתקפויות ולהשיג העברת כוח מרבית. זה יידון בעמוד הבא.

<br> סיכום

* קישוריות נחשבת לקו הילוכים כאשר אורכו לפחות רבע מאורך הגל של האות.

* כבלים קואקסיאליים משמשים בדרך כלל כקווי הולכה, אם כי עקבות PCB משמשים גם למטרה זו. שני קווי העברה סטנדרטיים של PCB הם המיקרוסטריפ והפספוס.

* קשרי PCB הם בדרך כלל קצרים, וכתוצאה מכך הם אינם מראים התנהגות קו הולכה עד שתדרי האות מתקרבים ל -1 GHz.

* יחס המתח לזרם בקו הילוכים מכונה עכבה אופיינית. זוהי פונקציה של התכונות הפיזיקליות של הכבל, אם כי היא לא מושפעת מהאורך, ועבור קווים אידיאליסטיים (כלומר חסרי אובדן) היא מתנגדת לחלוטין.

השאר הודעה 

רשימת הודעות