Liña de transmisión e RF

Sinais RF de vida real
As interconexións de alta frecuencia requiren especial consideración porque a miúdo non se comportan coma fíos comúns senón como liñas de transmisión.

Nos sistemas de baixa frecuencia, os compoñentes están conectados por fíos ou rastros de PCB. A resistencia destes elementos condutores é bastante baixa como para ser insignificante na maioría das situacións.

Este aspecto do deseño e análise do circuíto cambia drasticamente a medida que aumenta a frecuencia. Os sinais de RF non percorren fíos ou rastros de PCB dun xeito sinxelo que esperamos en base á nosa experiencia con circuítos de baixa frecuencia.

A liña de transmisión
O comportamento dos interconectores de radiofrecuencia é moi diferente do dos fíos comúns que levan sinais de baixa frecuencia, tan diferente, de feito, que se usa unha terminoloxía adicional: unha liña de transmisión é un cable (ou simplemente un par de condutores) que debe ser analizado segundo ás características da propagación do sinal de alta frecuencia.

Primeiro aclaremos dúas cousas:
Cable vs Rastrexo
"Cable" é unha palabra cómoda pero imprecisa neste contexto. O cable coaxial é certamente un exemplo clásico dunha liña de transmisión, pero os rastros de PCB tamén funcionan como liñas de transmisión. A liña de transmisión "microstrip" consta dunha traza e un plano terrestre próximo, do seguinte xeito:

A liña de transmisión "Stripine" consta dunha traza de PCB e dous planos terrestres:




As liñas de transmisión de PCB son especialmente importantes porque as súas características son controladas directamente polo deseñador. Cando compramos un cable, as súas propiedades físicas son fixas; simplemente recollemos a información necesaria na folla de datos. Ao establecer un PCB de RF, podemos personalizar facilmente as dimensións -e así as características eléctricas- da liña de transmisión segundo as necesidades da aplicación.

O criterio da liña de transmisión
Non todas as interconexións de alta frecuencia son unha liña de transmisión; este termo refírese principalmente á interacción eléctrica entre sinal e cable, non á frecuencia do sinal ou ás características físicas do cable. Entón, cando precisamos incorporar efectos da liña de transmisión á nosa análise?

A idea xeral é que os efectos da liña de transmisión cobren importancia cando a lonxitude da liña é comparable ou superior á lonxitude de onda do sinal. Unha directriz máis específica é a cuarta parte da lonxitude de onda:

* Se a lonxitude de interconexión é inferior á cuarta parte da lonxitude de onda do sinal, non é necesaria a análise da liña de transmisión. A propia interconexión non afecta significativamente o comportamento eléctrico do circuíto.

* Se a lonxitude de interconexión é superior á cuarta parte da lonxitude de onda do sinal, os efectos da liña de transmisión son significativos e hai que ter en conta a influencia da interconexión en si.

Lembre que a lonxitude de onda é igual á velocidade de propagación dividida en frecuencia:

Se asumimos unha velocidade de propagación de 0.7 veces a velocidade da luz, temos as seguintes lonxitudes de onda:


 

Os umbrales da liña de transmisión correspondentes son os seguintes:


 

Así que para frecuencias moi baixas, os efectos da liña de transmisión son insignificantes. Para frecuencias medias, só os cables moi longos requiren especial consideración. Non obstante, a 1 GHz moitas trazas de PCB deben ser tratadas como liñas de transmisión e, a medida que as frecuencias suben ás decenas de xigahertz, as liñas de transmisión fanse omnipresentes.

Impedancia característica
A propiedade máis importante dunha liña de transmisión é a impedancia característica (denotada por Z0). En xeral este é un concepto bastante sinxelo, pero inicialmente pode causar confusión.

En primeiro lugar, unha nota sobre terminoloxía: "Resistencia" refírese á oposición a calquera fluxo de corrente; non depende da frecuencia. A "impedancia" úsase no circuíto de CA e refírese a miúdo a unha resistencia dependente da frecuencia. Non obstante, ás veces usamos "impedancia" onde teoricamente sería máis axeitada a "resistencia"; por exemplo, podemos referirnos á "impedancia de saída" do circuíto puramente resistivo.

Así, é importante ter unha idea clara de que entendemos por "impedancia característica". Non é a resistencia do condutor de sinal dentro do cable; unha impedancia característica común é de 50 Ω, e unha resistencia de CC de 50 Ω para un cable curto sería absurdamente alta. Aquí tes algúns puntos destacados que axudan a aclarar a natureza da impedancia característica:

A impedancia característica vén determinada polas propiedades físicas da liña de transmisión; no caso dun cable coaxial, é función do diámetro interior (D1 no diagrama inferior), do diámetro exterior (D2) e da relativa permisividade do illamento entre os condutores internos e externos.

A impedancia característica non é función da lonxitude do cable. Está presente en todas partes ao longo do cable, porque resulta da capacidade e da inductancia inherentes ao cable.

 

Neste diagrama, úsanse indutores e condensadores individuais para representar a capacitancia e inductancia distribuídas que está continuamente presente en toda a lonxitude do cable.
 

* Na práctica, a impedancia dunha liña de transmisión non é relevante en corrente continua, pero unha liña teórica de transmisión de lonxitude infinita presentaría a súa impedancia característica ata unha fonte de corrente continua como unha batería. Este é o caso porque a liña de transmisión infinitamente longa sacaría a corrente de xeito perpetuo no intento de cargar a súa subministración infinita de capacitancia distribuída e a relación da tensión da batería coa corrente de carga sería igual á impedancia característica.

* A impedancia característica dunha liña de transmisión é puramente resistiva; non se introduce ningún cambio de fase e todas as frecuencias do sinal propagan á mesma velocidade.

 * Teoricamente isto só vale para as liñas de transmisión sen perda, é dicir, as liñas de transmisión que teñen resistencia cero ao longo dos condutores e unha resistencia infinita entre os condutores. Por suposto, estas liñas non existen, pero a análise das liñas sen perdas é o suficientemente precisa cando se aplica ás liñas de transmisión de baixa perda da vida real.

Reflexións e correspondencia
A impedancia dunha liña de transmisión non pretende restrinxir o fluxo de corrente do xeito que faría unha resistencia ordinaria. A impedancia característica é simplemente un resultado inevitable da interacción entre un cable composto por dous condutores en proximidade. A importancia da impedancia característica no contexto do deseño de RF reside en que o deseñador debe igualar impedancias para evitar reflexións e conseguir a máxima transferencia de potencia. Isto será discutido na seguinte páxina.

Resumo

* Considérase unha interconexión unha liña de transmisión cando a súa lonxitude é polo menos a cuarta parte da lonxitude de onda do sinal.

* Os cables coaxiais úsanse comunmente como liñas de transmisión, aínda que os rastros de PCB tamén serven para este propósito. Dúas liñas estándar de transmisión de PCB son a microstrip e a franxa.

Os interconectos PCB son normalmente curtos e, polo tanto, non presentan un comportamento en liña de transmisión ata que as frecuencias do sinal se acheguen a 1 GHz.

* A relación de tensión á corrente nunha liña de transmisión denomínase impedancia característica. É unha función das propiedades físicas do cable, aínda que non está afectada pola lonxitude, e para liñas idealizadas (é dicir, sen perda), é puramente resistente.

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes