Übertragungsleitung und RF

Echte HF-Signale
Hochfrequenzverbindungen erfordern besondere Berücksichtigung, da sie sich häufig nicht wie normale Drähte, sondern wie Übertragungsleitungen verhalten.

In Niederfrequenzsystemen werden Komponenten durch Drähte oder Leiterplattenspuren verbunden. Der Widerstand dieser leitenden Elemente ist niedrig genug, um in den meisten Situationen vernachlässigbar zu sein.

Dieser Aspekt des Schaltungsdesigns und der Analyse ändert sich mit zunehmender Frequenz dramatisch. HF-Signale laufen nicht auf einfache Weise entlang von Drähten oder Leiterplattenspuren, die wir aufgrund unserer Erfahrung mit Niederfrequenzschaltungen erwarten.

Die Übertragungsleitung
Das Verhalten von HF-Verbindungen unterscheidet sich stark von dem von normalen Drähten, die niederfrequente Signale übertragen. Dies ist in der Tat so unterschiedlich, dass eine zusätzliche Terminologie verwendet wird: Eine Übertragungsleitung ist ein Kabel (oder einfach ein Leiterpaar), das entsprechend analysiert werden muss zu den Eigenschaften der Hochfrequenzsignalausbreitung.

Lassen Sie uns zunächst zwei Dinge klarstellen:
Kabel gegen Spur
"Kabel" ist in diesem Zusammenhang ein bequemes, aber ungenaues Wort. Das Koaxialkabel ist sicherlich ein klassisches Beispiel für eine Übertragungsleitung, aber Leiterplattenspuren fungieren auch als Übertragungsleitungen. Die "Mikrostreifen" -Übertragungsleitung besteht wie folgt aus einer Spur und einer nahe gelegenen Grundebene:

Die Übertragungsleitung „Streifenleitung“ besteht aus einer Leiterplattenspur und zwei Masseebenen:




PCB-Übertragungsleitungen sind besonders wichtig, da ihre Eigenschaften direkt vom Konstrukteur gesteuert werden. Wenn wir ein Kabel kaufen, sind seine physikalischen Eigenschaften festgelegt. Wir sammeln einfach die notwendigen Informationen aus dem Datenblatt. Bei der Auslegung einer HF-Leiterplatte können wir die Abmessungen - und damit die elektrischen Eigenschaften - der Übertragungsleitung leicht an die Anforderungen der Anwendung anpassen.

Das Übertragungsleitungskriterium
Nicht jede Hochfrequenzverbindung ist eine Übertragungsleitung. Dieser Begriff bezieht sich hauptsächlich auf die elektrische Wechselwirkung zwischen Signal und Kabel, nicht auf die Frequenz des Signals oder die physikalischen Eigenschaften des Kabels. Wann müssen wir also Übertragungsleitungseffekte in unsere Analyse einbeziehen?

Die allgemeine Idee ist, dass Übertragungsleitungseffekte signifikant werden, wenn die Länge der Leitung mit der Wellenlänge des Signals vergleichbar oder größer ist. Eine spezifischere Richtlinie ist ein Viertel der Wellenlänge:

* Wenn die Verbindungslänge weniger als ein Viertel der Signalwellenlänge beträgt, ist keine Übertragungsleitungsanalyse erforderlich. Die Verbindung selbst beeinflusst das elektrische Verhalten der Schaltung nicht wesentlich.

* Wenn die Verbindungslänge größer als ein Viertel der Signalwellenlänge ist, werden Übertragungsleitungseffekte signifikant und der Einfluss der Verbindung selbst muss berücksichtigt werden.

Denken Sie daran, dass die Wellenlänge gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit geteilt durch die Frequenz ist:

Wenn wir eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von 0.7-facher Lichtgeschwindigkeit annehmen, haben wir folgende Wellenlängen:


 

Die entsprechenden Übertragungsleitungsschwellen sind die folgenden:


 

Daher sind Übertragungsleitungseffekte bei sehr niedrigen Frequenzen vernachlässigbar. Bei mittleren Frequenzen müssen nur sehr lange Kabel besonders berücksichtigt werden. Bei 1 GHz müssen jedoch viele Leiterplattenspuren als Übertragungsleitungen behandelt werden, und wenn die Frequenzen in die Größenordnung von zehn Gigahertz steigen, werden Übertragungsleitungen allgegenwärtig.

Charakteristische Impedanz
Die wichtigste Eigenschaft einer Übertragungsleitung ist die charakteristische Impedanz (bezeichnet mit Z0). Insgesamt ist dies ein recht einfaches Konzept, das jedoch zunächst Verwirrung stiften kann.

Zunächst ein Hinweis zur Terminologie: „Widerstand“ bezieht sich auf den Widerstand gegen einen Stromfluss; es ist nicht abhängig von der Frequenz. "Impedanz" wird im Zusammenhang mit Wechselstromkreisen verwendet und bezieht sich häufig auf einen frequenzabhängigen Widerstand. Manchmal verwenden wir jedoch "Impedanz", wo "Widerstand" theoretisch angemessener wäre; Zum Beispiel könnten wir uns auf die "Ausgangsimpedanz" einer rein resistiven Schaltung beziehen.

Daher ist es wichtig, eine klare Vorstellung davon zu haben, was wir unter „charakteristischer Impedanz“ verstehen. Es ist nicht der Widerstand des Signalleiters im Kabel - eine gemeinsame charakteristische Impedanz beträgt 50 Ω, und ein Gleichstromwiderstand von 50 Ω für ein kurzes Kabel wäre absurd hoch. Hier sind einige wichtige Punkte, die helfen, die Art der charakteristischen Impedanz zu verdeutlichen:

Die charakteristische Impedanz wird durch die physikalischen Eigenschaften der Übertragungsleitung bestimmt; Bei einem Koaxialkabel ist dies eine Funktion des Innendurchmessers (D1 im folgenden Diagramm), des Außendurchmessers (D2) und der relativen Permittivität der Isolierung zwischen Innen- und Außenleiter.

Die charakteristische Impedanz ist keine Funktion der Kabellänge. Es ist überall entlang des Kabels vorhanden, da es aus der inhärenten Kapazität und Induktivität des Kabels resultiert.

 

In diesem Diagramm werden einzelne Induktivitäten und Kondensatoren verwendet, um die verteilte Kapazität und Induktivität darzustellen, die über die gesamte Länge des Kabels kontinuierlich vorhanden sind.
 

* In der Praxis ist die Impedanz einer Übertragungsleitung bei Gleichstrom nicht relevant, aber eine theoretische Übertragungsleitung mit unendlicher Länge würde ihre charakteristische Impedanz selbst einer Gleichstromquelle wie einer Batterie präsentieren. Dies ist der Fall, weil die unendlich lange Übertragungsleitung bei dem Versuch, ihre unendliche Versorgung mit verteilter Kapazität aufzuladen, ständig Strom ziehen würde und das Verhältnis der Batteriespannung zum Ladestrom gleich der charakteristischen Impedanz wäre.

* Die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung ist rein ohmsch; Es wird keine Phasenverschiebung eingeführt, und alle Signalfrequenzen breiten sich mit derselben Geschwindigkeit aus.

 * Theoretisch gilt dies nur für verlustfreie Übertragungsleitungen, dh Übertragungsleitungen, die entlang der Leiter keinen Widerstand und zwischen den Leitern einen unendlichen Widerstand aufweisen. Offensichtlich existieren solche Leitungen nicht, aber die Analyse verlustfreier Leitungen ist ausreichend genau, wenn sie auf reale verlustarme Übertragungsleitungen angewendet wird.

Reflexionen und Matching
Die Impedanz einer Übertragungsleitung soll den Stromfluss nicht so einschränken, wie es ein gewöhnlicher Widerstand tun würde. Die charakteristische Impedanz ist einfach ein unvermeidbares Ergebnis der Wechselwirkung zwischen einem Kabel, das aus zwei Leitern in unmittelbarer Nähe besteht. Die Bedeutung der charakteristischen Impedanz im Zusammenhang mit dem HF-Design liegt in der Tatsache, dass der Konstrukteur die Impedanzen anpassen muss, um Reflexionen zu vermeiden und eine maximale Leistungsübertragung zu erreichen. Dies wird auf der nächsten Seite erläutert.

Zusammenfassung

* Eine Verbindung wird als Übertragungsleitung betrachtet, wenn ihre Länge mindestens ein Viertel der Signalwellenlänge beträgt.

* Koaxialkabel werden üblicherweise als Übertragungsleitungen verwendet, obwohl auch Leiterplattenspuren diesem Zweck dienen. Zwei Standard-PCB-Übertragungsleitungen sind der Mikrostreifen und die Streifenleitung.

* PCB-Verbindungen sind normalerweise kurz und zeigen folglich kein Übertragungsleitungsverhalten, bis sich die Signalfrequenzen 1 GHz nähern.

* Das Verhältnis von Spannung zu Strom in einer Übertragungsleitung wird als charakteristische Impedanz bezeichnet. Es ist eine Funktion der physikalischen Eigenschaften des Kabels, obwohl es nicht von der Länge beeinflusst wird, und für idealisierte (dh verlustfreie) Leitungen ist es rein resistiv.

Hinterlass eine Nachricht 

Nachrichtenliste