Пассивные компоненты в радиочастотных цепях

Резисторы, конденсаторы, генераторы с температурной компенсацией... Узнайте о пассивных компонентах, используемых в радиочастотных системах.

Радиочастотные системы принципиально не отличаются от других типов электрических схем. Применяются те же законы физики, и, следовательно, базовые компоненты, используемые в радиочастотных конструкциях, также встречаются и в цифровых схемах, и в низкочастотных аналоговых схемах.

Тем не менее, радиочастотное проектирование включает в себя уникальный набор проблем и задач, и поэтому, когда мы работаем в контексте радиочастот, характеристики и использование компонентов требуют особого внимания. Кроме того, некоторые интегральные микросхемы выполняют функции, которые очень специфичны для радиочастотных систем – они не используются в низкочастотных схемах и могут быть не совсем понятны тем, у кого мало опыта в технологиях радиочастотного проектирования.

Мы часто классифицируем компоненты как активные или пассивные, и этот подход в равной степени применим и в области радиочастот. В этом разделе обсуждаются пассивные компоненты, в частности, в отношении радиочастотных схем, а в следующем разделе – активные компоненты.

Конденсаторы

Идеальный конденсатор должен обеспечить точно такую же функциональность и для сигнала 1 Гц, и для сигнала 1 ГГц. Но компоненты никогда не бывают идеальными, а неидеальности конденсатора могут быть весьма существенными на высоких частотах.

«C» соответствует идеальному конденсатору, который закопан среди множества паразитных элементов. У нас есть бесконечное сопротивление между пластинами (R_D), последовательное сопротивление (R_S), последовательная индуктивность (L_S) и параллельная емкость (C_P) между площадками на печатной плате и плоскостью земли (мы предполагаем, что используются компоненты поверхностного монтажа, но об этом позже).

Самой значительной неидеальностью, когда мы работаем с высокочастотными сигналами, является индуктивность. Мы ожидаем, что импеданс (полное сопротивление) конденсатора будет бесконечно уменьшаться по мере увеличения частоты, но наличие паразитной индуктивности заставляет импеданс опускаться на резонансную частоту, а затем начинать увеличиваться:

Катушки индуктивности

Ниже приведена эквивалентная схема катушки индуктивности:

Идеальная катушка индуктивности обеспечила бы импеданс (полное сопротивление), который неуклонно возрастает по мере увеличения частоты, но параллельный конденсатор в конечном итоге преобладает в отклике, и результат – импеданс, который уменьшается по мере увеличения частоты. Таким образом, мы можем видеть, что для использования в радиочастотных схемах и конденсатор, и индуктивность должны выбираться тщательно, особенно в радиочастотных схемах с частотами выше 1 ГГц.

Резисторы и прочее

На высоких частотах могут вызывать проблемы даже резисторы, поскольку они имеют последовательную индуктивность, параллельную емкость и типовую емкость, связанную с площадками на печатной плате.

И это поднимает важный момент: когда вы работаете с высокими частотами, паразитные элементы будут повсюду. Независимо от того, насколько прост и идеален резистивный элемент, его всё еще необходимо помещать в корпус и припаивать на печатную плату, а в результате – паразитные элементы. То же самое относится к любому другому компоненту, если он помещен в корпус и припаян на плату, то паразитные элементы будут присутствовать.

Кварцевые резонаторы

Суть радиотехники заключается в том, чтобы манипулировать высокочастотными сигналами, чтобы они передавали информацию, но прежде чем манипулировать, нам необходима генерация. Как и в других типах схем, кварцевые резонаторы являются основным средство генерации стабильной опорной частоты.

Однако в цифровых проектах и проектах со смешанными сигналами часто бывает, что схемы на базе кварцевых резонаторов на самом деле не требуют точности, которую может обеспечить кварц, и, следовательно, легко стать небрежным в отношении выбора кварцевого резонатора. Радиочастотная схема, напротив, может иметь строгие требования к частоте, и это требует не только точности начальной частоты, но и стабильности частоты.

Частота колебаний обычного кварцевого резонатора чувствительна к колебаниям температуры. Результирующая нестабильность частоты создает проблемы для радиочастотных систем, особенно для систем, которые будут подвергаться большим изменениям температуры окружающей среды. Таким образом, системе может потребоваться кварцевый генератор с температурной компенсацией. Эти устройства включают в себя схемы, которые компенсируют частоту колебаний кристалла:

Симметрирующие трансформаторы (балуны)

Одним из компонентов, который распространен в радиочастотных системах, но редко встречается в других местах, является симметрирующий трансформатор (балун). Название «балун» (balun) происходит от «balanced to unbalanced» (симметричный в несимметричный), фраза, которая поможет нам запомнить, что балун (balun) используется для преобразования симметричных (balanced) сигналов в несимметричные (unbalanced) сигналы.

Как видно из условного обозначения, балуны относятся к общей категории трансформаторов:

В низкочастотных схемах мы часто используем усилители для преобразования сигналов между симметричными и несимметричными, в то время как на радиочастотах более распространены симметрирующие трансформаторы (балуны). В чем разница? Ну, объяснение связано с фактом, который влияет на многие решение в радиочастотном проектировании: простые пассивные компоненты часто более практичны, чем их эквиваленты на базе микросхем, когда вы имеете дело с высокими частотами.

Антенны

Антенна является пассивным компонентом, который используется для преобразования радиочастотного электрического сигнала в электромагнитное излучение (ЭМИ) или наоборот. С другими компонентами и проводниками мы стараемся минимизировать влияние ЭМИ, а с антеннами мы пытаемся оптимизировать генерацию или прием ЭМИ в соответствии с требованиями системы.

Антенная наука отнюдь не так проста. На процесс выбора или проектирования антенны, оптимальной для конкретного приложения, влияют различные факторы. На RadioProg есть две статьи (нажмите здесь и здесь), которые обеспечивают отличное введение в основы антенн.

Более высокие частоты сопровождаются различными проблемами проектирования, хотя антенная часть системы может стать на самом деле менее проблематичной по мере увеличения частоты, поскольку более высокие частоты позволяют использовать более короткие антенны. В настоящее время принято использовать либо «чип-антенну», которая припаивается к печатной плате, как обычный компонент для поверхностного монтажа, или печатную антенну, которая создается путем включения на печатную плату специально разработанной дорожки.

Поверхностный монтаж против сквозного монтажа

Ранее я говорил о том, что эквивалентные схемы предполагают, что мы используем компоненты поверхностного монтажа. Компоненты сквозного монтажа ни в коем случае не подходят для радиочастот, но важно понимать, что при работе с высокочастотными сигналами поверхностный монтаж (и корпуса поверхностного монтажа), по сути, превосходит сквозной монтаж.

Технология поверхностного монтажа приносит различные преимущества, но в данном случае мы говорим конкретно об индуктивности: мы хотим минимизировать паразитную индуктивность в высокочастотных схемах. Более длинные выводы имеют бо́льшую индуктивность, и, следовательно, предпочтительнее использовать корпуса поверхностного монтажа.

Резюме

• Некоторые компоненты распространены только в радиочастотных приложениях, а другие должны отбираться и реализовываться более тщательно из-за своего неидеального поведения на высоких частотах.
• Пассивные компоненты в результате влияния паразитных индуктивности и емкости демонстрируют неидеальный отклик на изменение частоты.
• В радиочастотных приложениях могут потребоваться более точные и/или стабильные кварцевые резонаторы, чем те, которые обычно используются в цифровых схемах.
• Симметрирующие трансформаторы (балуны) обеспечивают высокочастотное преобразование между несимметричными и симметричными сигналами.
• Антенны являются критически важными компонентами, которые должны выбираться в соответствии с характеристиками и требованиями радиочастотной системы.

Теги