Что такое линия передачи?

Высокочастотные соединения требуют особого рассмотрения, потому что они часто ведут себя не как обычные провода, а скорее как линии передачи.

В низкочастотных системах компоненты соединяются проводами или дорожками на печатных платах. Сопротивление этих проводящих элементов достаточно низкое, чтобы в большинстве случаев быть незначительным.

Этот аспект проектирования и анализа схем резко меняется по мере увеличения частоты. Радиочастотные сигналы не распространяются по проводам или дорожкам на печатных платах прямолинейно, как мы ожидаем, основываясь на нашем опыте работы с низкочастотными схемами.

Линия передачи

Поведение ВЧ соединений очень отличается от поведения обычных проводов, несущих низкочастотные сигналы, поэтому фактически используется дополнительная терминология: линия передачи – это кабель (или просто пара проводников), который должен быть проанализирован в соответствии с характеристиками распространения высокочастотного сигнала.

Во-первых, давайте проясним две вещи.

Кабель и печатные дорожки

«Кабель» – это удобный, но неточный термин в этом контексте. Коаксиальный кабель, безусловно, является классическим примером линии передачи, но дорожки на печатных платах также работают как линии передачи. Несимметричная микрополосковая («microstrip») линия передачи состоит из дорожки и близлежащего слоя земли, как показано на рисунке ниже.

Симметричная микрополосковая («stripline») линия передачи состоит из дорожки печатной платы и двух слоев земли:

Линии передачи на печатных платах особенно важны, поскольку их характеристики контролируются непосредственно разработчиком. Когда мы покупаем кабель, его физические свойства неизменны; мы просто собираем необходимую информацию из технического описания. При компоновке печатной платы для работы в RF диапазоне мы можем легко настроить размеры и, следовательно, электрические характеристики линии передачи в соответствии с потребностями приложения.

Критерий оценки линии передачи

Не каждое высокочастотное соединение является линией передачи; этот термин в первую очередь относится к электрическому взаимодействию между сигналом и кабелем, а не к частоте сигнала или физическим характеристикам кабеля. Итак, когда при анализе нам нужно принять во внимание влияние линии передачи?

Общая идея заключается в том, что влияние линии передачи становятся значительным, когда длина линии сравнима с длиной волны сигнала или больше нее. Более конкретный ориентир составляет одну четверть длины волны:

• Если длина соединения составляет менее четверти длины волны сигнала, анализ линии передачи не требуется. Само соединение не оказывает существенного влияния на электрическое поведение схемы.
• Если длина соединения превышает одну четверть длины волны сигнала, влияние линии передачи становится существенным, и необходимо учитывать влияние самого соединения.

Напомним, что длина волны равна скорости распространения, деленной на частоту:

\[\lambda = {v \over f}\]

Если предположить, что скорость распространения составляет 0,7 от скорости света, мы получим следующие длины волн

Соответствующие пороги учета линий передачи будут следующими:

Поэтому на очень низких частотах влияние линии передачи незначительно. Для средних частот важно учитывать только очень длинные кабели. Однако на частоте 1 ГГц многие печатные дорожки на плате следует рассматривать как линии передачи, а по мере того, как частоты поднимаются до десятков гигагерц, линии передачи становятся повсеместным явлением.

Характеристическое сопротивление (импеданс)

Наиболее важным параметром линии передачи является характеристическое сопротивление (импеданс) (обозначается как Z₀). В целом это довольно простая концепция, но изначально она может вызвать путаницу.

Во-первых, примечание к терминологии. «Сопротивление» означает противодействие любому потоку электрического тока; оно не зависит от частоты. «Импеданс» или «характеристическое сопротивление» используется в контексте цепей переменного тока и часто относится к частотно-зависимому сопротивлению. Однако иногда мы используем термин «импеданс», где теоретически более целесообразно использовать термин «сопротивление»; например, мы можем ссылаться на «выходной импеданс» чисто резистивной схемы.

Таким образом, важно иметь четкое представление о том, что мы подразумеваем под «характеристическим сопротивлением (импедансом)». Это не сопротивление проводника сигнала внутри кабеля – распространенное значение характеристического импеданса составляет 50 Ом, но сопротивление 50 Ом по постоянному току для короткого кабеля было бы абсурдно высоким. Вот некоторые важные моменты, которые помогают прояснить характер характеристического сопротивления:

• Характеристический импеданс определяется физическими свойствами линии передачи; в случае коаксиального кабеля он зависит от внутреннего диаметра (D1 на рисунке ниже) и внешнего диаметра (D2), а также от относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика между внутренним и внешним проводниками.

  

• Характеристический импеданс не зависит от длины кабеля. Он присутствует по всей длине кабеля, потому что он возникает из-за присущих кабелю емкости и индуктивности.

  

• На практике импеданс линии передачи не имеет отношения к постоянному току, но теоретическая линия передачи бесконечной длины будет оказывать свое характеристическое сопротивление даже для источника постоянного тока, такого как аккумулятор. Это связано с тем, что бесконечно длинная линия передачи будет постоянно проводить ток в попытке зарядить свой бесконечный источник распределенной емкости, а отношение напряжения аккумулятора к току заряда будет равно характеристическому импедансу.
• Характеристический импеданс линии передачи носит чисто резистивный характер; фазовый сдвиг не вносится, и все частоты распространяются с одинаковой скоростью. Теоретически это справедливо только для линий передачи без потерь, то есть линий передачи, которые имеют нулевое сопротивление вдоль проводников и бесконечное сопротивление между проводниками. Очевидно, что таких линий не существует, но анализ без потерь является достаточно точным, когда применяется к реальным линиям передачи с низким уровнем потерь.

Отражения и согласование

Импеданс линии передачи не предназначен для ограничения потока электрического тока таким же образом, как обычный резистор. Характеристический импеданс просто является неизбежным результатом взаимодействия внутри кабеля, состоящего из двух проводников, находящихся в непосредственной близости друг к другу. Важность характеристического сопротивления в контексте радиочастотного проектирования заключается в том, чтобы предотвратить отражения и добиться максимальной передачи мощности. Это будет рассмотрено в следующей статье.

Резюме

• Соединение считается линией передачи, когда его длина составляет не менее четверти длины волны сигнала.
• В качестве линий передачи обычно используются коаксиальные кабели, хотя для этой цели также служат и дорожки на печатных платах. Двумя стандартными линиями передачи на печатных платах являются несимметричная микрополосковая линия (microstrip) и симметричная микрополосковая линия (stripline).
• Соединения на печатных платах обычно короткие, и, следовательно, они не показывают поведения линии передачи, пока частоты сигналов не приблизятся к 1 ГГц.
• Отношение напряжения к току в линии передачи называется характеристическим импедансом. Он зависит от физических свойств кабеля, хотя на него не влияет длина кабеля, а для идеализированных (то есть без потерь) линий это сопротивление чисто резистивное.

Теги