สายส่งและ RF

สัญญาณ RF แบบ Real-Life
การเชื่อมต่อระหว่างกันที่มีความถี่สูงนั้นจำเป็นต้องมีการพิจารณาเป็นพิเศษเพราะมักจะทำตัวไม่เหมือนสายธรรมดา แต่เป็นสายส่ง

ในระบบความถี่ต่ำส่วนประกอบจะถูกเชื่อมต่อด้วยสายไฟหรือร่องรอย PCB ความต้านทานขององค์ประกอบนำไฟฟ้าเหล่านี้ต่ำพอที่จะไม่สำคัญในสถานการณ์ส่วนใหญ่

การออกแบบวงจรและการวิเคราะห์นี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมากเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น สัญญาณ RF ไม่เดินทางไปตามสายไฟหรือร่องรอย PCB ในแบบตรงไปตรงมาที่เราคาดหวังจากประสบการณ์ของเรากับวงจรความถี่ต่ำ

สายส่ง
พฤติกรรมของการเชื่อมต่อระหว่าง RF นั้นแตกต่างจากสายสามัญที่มีสัญญาณความถี่ต่ำซึ่งแตกต่างกันมากในความเป็นจริงแล้วมีการใช้คำศัพท์เพิ่มเติม: สายส่งเป็นสายเคเบิล (หรือคู่ตัวนำ) ที่ต้องวิเคราะห์ตาม ถึงลักษณะของการแพร่กระจายสัญญาณความถี่สูง

ก่อนอื่นเรามาอธิบายสองสิ่ง:
สายเคเบิลเทียบกับร่องรอย
“ เคเบิล” เป็นคำที่สะดวก แต่ไม่ชัดเจนในบริบทนี้ สายโคแอกเชียลเป็นตัวอย่างคลาสสิกของสายส่งอย่างแน่นอน แต่ร่องรอยของ PCB ยังทำหน้าที่เป็นสายส่ง สายส่ง“ microstrip” ประกอบด้วยร่องรอยและระนาบกราวน์ใกล้เคียงดังนี้:

สายส่ง“ stripline” ประกอบด้วยแผ่น PCB และระนาบกราวด์สองแบบ:




สายส่ง PCB มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากลักษณะของมันถูกควบคุมโดยตรงโดยผู้ออกแบบ เมื่อเราซื้อสายเคเบิลคุณสมบัติทางกายภาพของมันจะคงที่ เราเพียงรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นจากแผ่นข้อมูล เมื่อวางโครงร่าง RF PCB เราสามารถปรับแต่งขนาดได้อย่างง่ายดายและทำให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของสายส่งตามความต้องการของแอปพลิเคชัน

เกณฑ์ของสายส่ง
ไม่ใช่ทุกการเชื่อมต่อระหว่างกันที่มีความถี่สูงคือสายส่ง คำนี้หมายถึงการมีปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าระหว่างสัญญาณและสายเคเบิลเป็นหลักไม่ใช่กับความถี่ของสัญญาณหรือลักษณะทางกายภาพของสายเคเบิล ดังนั้นเมื่อใดที่เราต้องรวมเอฟเฟกต์ของสายส่งเข้ากับการวิเคราะห์ของเรา?

แนวคิดทั่วไปคือเอฟเฟกต์ของสายส่งมีความสำคัญเมื่อความยาวของเส้นเทียบเคียงหรือมากกว่าความยาวคลื่นของสัญญาณ แนวทางที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นคือหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น:

* หากความยาวการเชื่อมต่อน้อยกว่าหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นของสัญญาณการวิเคราะห์สายส่งนั้นไม่จำเป็น การเชื่อมต่อระหว่างกันนั้นไม่ส่งผลกระทบต่อพฤติกรรมทางไฟฟ้าของวงจรอย่างมีนัยสำคัญ

* หากความยาวของการเชื่อมต่อมากกว่าหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นของสัญญาณเอฟเฟกต์ของสายส่งจะมีความสำคัญและต้องคำนึงถึงอิทธิพลของการเชื่อมต่อระหว่างกันด้วย

จำได้ว่าความยาวคลื่นเท่ากับความเร็วการขยายพันธุ์หารด้วยความถี่:

หากเราสมมติความเร็วการแพร่กระจายที่ 0.7 เท่าของความเร็วแสงเรามีความยาวคลื่นต่อไปนี้:


 

ขีด จำกัด ของสายส่งที่สอดคล้องกันมีดังต่อไปนี้:


 

ดังนั้นสำหรับความถี่ที่ต่ำมากเอฟเฟกต์ของสายส่งจึงมีความสำคัญน้อยมาก สำหรับความถี่กลางสายเคเบิลที่ยาวมากเท่านั้นจำเป็นต้องพิจารณาเป็นพิเศษ อย่างไรก็ตามที่ 1 GHz PCB จำนวนมากจะต้องได้รับการปฏิบัติเหมือนเป็นสายส่งและเมื่อความถี่ปีนขึ้นสู่หลักสิบกิกะเฮิร์ตซ์สายส่งจะกลายเป็นที่แพร่หลาย

ลักษณะความต้านทาน
คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของสายส่งคือความต้านทานลักษณะ (แสดงโดย Z0) โดยรวมแล้วนี่เป็นแนวคิดที่ค่อนข้างตรงไปตรงมา แต่เริ่มแรกมันอาจทำให้เกิดความสับสน

ก่อนอื่นหมายเหตุเกี่ยวกับคำศัพท์:“ การต่อต้าน” หมายถึงการต่อต้านกระแสใด ๆ มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับความถี่ “ อิมพีแดนซ์” ใช้ในบริบทของวงจร AC และมักจะอ้างถึงความต้านทานที่ขึ้นกับความถี่ อย่างไรก็ตามบางครั้งเราใช้ "อิมพีแดนซ์" ซึ่ง "ความต้านทาน" ในทางทฤษฎีจะมีความเหมาะสมมากกว่า ตัวอย่างเช่นเราอาจอ้างถึง "ความต้านทานเอาต์พุต" ของวงจรตัวต้านทานอย่างหมดจด

ดังนั้นสิ่งสำคัญคือต้องมีความคิดที่ชัดเจนเกี่ยวกับสิ่งที่เราหมายถึงโดย "อิมพีแดนซ์ลักษณะ" มันไม่ได้เป็นความต้านทานของตัวนำสัญญาณภายในสายเคเบิล - ความต้านทานลักษณะทั่วไปคือ 50 Ωและความต้านทานกระแสตรงที่ 50 Ωสำหรับสายสั้นจะสูงอย่างไร้เหตุผล ต่อไปนี้เป็นจุดสำคัญบางจุดที่ช่วยให้ธรรมชาติของอิมพิแดนซ์มีความชัดเจนยิ่งขึ้น:

ลักษณะความต้านทานจะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติทางกายภาพของสายส่ง; ในกรณีของสายโคแอกเซียลมันเป็นฟังก์ชั่นของเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน (D1 ในแผนภาพด้านล่าง) เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (D2) และการอนุญาติของฉนวนระหว่างตัวนำภายในและภายนอก

ลักษณะความต้านทานไม่ได้เป็นฟังก์ชั่นของความยาวสายเคเบิล มีอยู่ทุกหนทุกแห่งตามสายเคเบิลเนื่องจากเป็นผลมาจากความจุและการเหนี่ยวนำโดยธรรมชาติของสายเคเบิล

 

ในแผนภาพนี้ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแต่ละตัวใช้เพื่อเป็นตัวแทนของความจุและตัวเหนี่ยวนำแบบกระจายที่มีอยู่อย่างต่อเนื่องตลอดความยาวของสายเคเบิล
 

* ในทางปฏิบัติความต้านทานของสายส่งไม่เกี่ยวข้องที่ DC แต่สายส่งเชิงทฤษฎีที่มีความยาวไม่สิ้นสุดจะแสดงความต้านทานที่เป็นลักษณะเฉพาะของมันแม้จะเป็นแหล่งจ่ายกระแสตรงเช่นแบตเตอรี่ ในกรณีนี้เนื่องจากสายส่งไฟฟ้าที่มีความยาวไม่ จำกัด จะดึงกระแสไฟฟ้าตลอดเวลาในความพยายามที่จะชาร์จประจุที่ไม่สิ้นสุดของความจุแบบกระจายและอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ต่อกระแสไฟในการชาร์จจะเท่ากับอิมพิแดนซ์เฉพาะ

* อิมพีแดนซ์ลักษณะของสายส่งนั้นมีความต้านทานอย่างหมดจด; ไม่แนะนำให้ทำการเปลี่ยนเฟสและความถี่สัญญาณทั้งหมดจะแพร่กระจายด้วยความเร็วเดียวกัน

 * ในทางทฤษฎีนี่เป็นความจริงเฉพาะสำหรับสายส่งแบบไม่สูญเสียเช่นสายส่งที่มีความต้านทานเป็นศูนย์ตามตัวนำและความต้านทานไม่ จำกัด ระหว่างตัวนำ เห็นได้ชัดว่าไม่มีเส้นดังกล่าว แต่การวิเคราะห์แบบไม่สูญเสียเส้นมีความแม่นยำเพียงพอเมื่อใช้กับสายส่งสัญญาณการสูญเสียต่ำในชีวิตจริง

ภาพสะท้อนและการจับคู่
ความต้านทานของสายส่งไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อ จำกัด การไหลของกระแสในลักษณะที่ตัวต้านทานธรรมดาจะเกิดขึ้น ลักษณะความต้านทานเป็นเพียงผลลัพธ์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสายเคเบิลที่ประกอบด้วยตัวนำสองตัวที่อยู่ใกล้กัน ความสำคัญของอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะในบริบทของการออกแบบ RF นั้นอยู่ที่ความจริงที่ว่านักออกแบบจะต้องจับคู่อิมพีแดนซ์เพื่อป้องกันการสะท้อนกลับ จะกล่าวถึงในหน้าถัดไป

สรุป

* การเชื่อมต่อระหว่างกันนั้นถือว่าเป็นสายส่งเมื่อความยาวของมันเป็นอย่างน้อยหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นของสัญญาณ

* สายเคเบิลโคแอกเซียลมักใช้เป็นสายส่งถึงแม้ว่าร่องรอยของ PCB ก็ทำหน้าที่นี้เช่นกัน สายส่ง PCB มาตรฐานสองเส้นคือ microstrip และ stripline

* โดยทั่วไปแล้วการเชื่อมต่อระหว่าง PCB จะสั้นและดังนั้นพวกเขาจึงไม่แสดงพฤติกรรมของสายส่งจนกว่าความถี่สัญญาณจะเข้าหา 1 GHz

* อัตราส่วนของแรงดันต่อกระแสไฟฟ้าในสายส่งเรียกว่าอิมพีแดนซ์ลักษณะ มันเป็นฟังก์ชั่นของคุณสมบัติทางกายภาพของสายเคเบิลแม้ว่ามันจะไม่ได้รับผลกระทบจากความยาวและสำหรับสาย (คือไม่สูญเสีย) ในอุดมคติมันเป็นความต้านทานอย่างหมดจด

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ