Línia de transmissió i RF

Senyals RF de vida real
Les interconnexions d'alta freqüència requereixen una consideració especial, ja que sovint no es comporten com a cables normals, sinó com a línies de transmissió.

En sistemes de baixa freqüència, els components es connecten mitjançant cables o traces de PCB. La resistència d’aquests elements conductors és prou baixa com per ser menyspreable en la majoria de les situacions.

Aquest aspecte del disseny i l’anàlisi del circuit canvia notablement a mesura que augmenta la freqüència. Els senyals de radiofreqüència no viatgen per fils ni traces de PCB de la manera senzilla que esperem en funció de la nostra experiència amb circuits de baixa freqüència.

La línia de transmissió
El comportament de les interconnexions de radiofreqüència és molt diferent del dels cables ordinaris que porten senyals de baixa freqüència, tan diferents, de fet, que s’utilitza una terminologia addicional: una línia de transmissió és un cable (o simplement un parell de conductors) que s’ha d’analitzar segons a les característiques de la propagació del senyal d’alta freqüència.

Primer, aclarim dues coses:
Cable vs Trace
"Cable" és una paraula convenient però imprecisa en aquest context. El cable coaxial és certament un exemple clàssic d’una línia de transmissió, però les traces del PCB també funcionen com a línies de transmissió. La línia de transmissió "microstrip" consta d'una traça i un pla terrestre proper, de la següent manera:

La línia de transmissió "Stripine" consta d'una traça de PCB i dos plànols terrestres:




Les línies de transmissió de PCB són especialment importants perquè les seves característiques són controlades directament pel dissenyador. Quan comprem un cable, les seves propietats físiques són fixes; simplement recollim la informació necessària del full de dades. Quan s'estableix un PCB de RF, podem personalitzar fàcilment les dimensions —i, per tant, les característiques elèctriques— de la línia de transmissió segons les necessitats de l'aplicació.

El criteri de la línia de transmissió
No totes les interconnexions d'alta freqüència són una línia de transmissió; aquest terme es refereix principalment a la interacció elèctrica entre senyal i cable, no a la freqüència del senyal o a les característiques físiques del cable. Aleshores, quan hem d’incorporar efectes de línia de transmissió a la nostra anàlisi?

La idea general és que els efectes de la línia de transmissió es fan significatius quan la longitud de la línia és comparable o superior a la longitud d'ona del senyal. Una directriu més específica és la quarta part de la longitud d'ona:

* Si la longitud d’interconnexió és inferior a un quart de la longitud d’ona del senyal, no és necessària l’anàlisi de la línia de transmissió. La interconnexió en sí no afecta significativament el comportament elèctric del circuit.

* Si la longitud de la interconnexió és superior a la quarta part de la longitud d'ona del senyal, els efectes de la línia de transmissió esdevenen importants i cal tenir en compte la influència de la interconnexió en si.

Recordem que la longitud d’ona és igual a la velocitat de propagació dividida per freqüència:

Si assumim una velocitat de propagació de 0.7 vegades la velocitat de la llum, tenim les longituds d’ona següents:


 

Els llindars de línia de transmissió corresponents són els següents:


 

Així doncs, per a freqüències molt baixes, els efectes de la línia de transmissió són menyspreables. Per a freqüències mitjanes, només calen cables molt llargs. No obstant això, a 1 GHz moltes traces de PCB han de ser tractades com a línies de transmissió i, a mesura que les freqüències s’enfilen a les desenes de gigahertz, les línies de transmissió es tornen omnipresents.

Impedància característica
La propietat més important d'una línia de transmissió és la impedància característica (denotada per Z0). En general, aquest és un concepte força senzill, però inicialment pot causar confusió.

Primer, una nota sobre terminologia: “Resistència” fa referència a l’oposició a qualsevol flux de corrent; no depèn de la freqüència. La "impedància" s'utilitza en el context dels circuits de CA i sovint es refereix a una resistència depenent de la freqüència. Tot i això, de vegades s'utilitza una "impedància" on la "resistència" en teoria seria més adequada; per exemple, podríem referir-nos a la "impedància de sortida" del circuit purament resistent.

Per tant, és important tenir una idea clara del que entenem per "impedància característica". No és la resistència del conductor de senyal dins del cable: una impedància característica comuna és de 50 Ω, i una resistència de corrent continu de 50 Ω per a un cable curt seria absurdament alta. A continuació, es detallen alguns punts destacats que ajuden a aclarir la naturalesa de la impedància característica:

La impedància característica està determinada per les propietats físiques de la línia de transmissió; en el cas d’un cable coaxial, és funció del diàmetre interior (D1 al diagrama inferior), el diàmetre exterior (D2) i la relativa permissivitat de l’aïllament entre els conductors interiors i exteriors.

La impedància característica no és funció de la longitud del cable. Està present a tot arreu al llarg del cable, perquè resulta de la capacitat i la inductància inherents del cable.

 

En aquest diagrama, s'utilitzen inductors i condensadors individuals per representar la capacitança i la inductància distribuïdes que es troben contínuament a tota la longitud del cable.
 

* A la pràctica, la impedància d’una línia de transmissió no és rellevant a corrent continu, però una línia de transmissió teòrica de longitud infinita presentaria la seva impedància característica fins i tot a una font de corrent continu com una bateria. Aquest és el cas perquè la línia de transmissió infinitament llarga atrauria perpètuament el corrent en un intent de carregar el seu subministrament infinit de capacitança distribuïda, i la relació de la tensió de la bateria amb el corrent de càrrega seria igual a la impedància característica.

* La impedància característica d’una línia de transmissió és purament resistiva; no s’introdueix cap canvi de fase i totes les freqüències del senyal es propaguen a la mateixa velocitat.

 * Teòricament això és cert només per a les línies de transmissió sense pèrdues, és a dir, les línies de transmissió que tenen resistència zero al llarg dels conductors i una resistència infinita entre els conductors. Evidentment, aquestes línies no existeixen, però l’anàlisi de línies sense pèrdues és prou precisa quan s’aplica a les línies de transmissió de pèrdues de vida real.

Reflexions i concordança
La impedància d'una línia de transmissió no pretén restringir el flux de corrent tal com ho faria una resistència ordinària. La impedància característica és simplement un resultat inevitable de la interacció entre un cable compost de dos conductors propers. La importància de la impedància característica en el context del disseny de RF radica en el fet que el dissenyador ha de coincidir amb les impedàncies per evitar reflexions i aconseguir la màxima transferència de potència. Això es parlarà a la pàgina següent.

resum

* Es considera una línia d'interconnexió com a línia de transmissió quan la seva longitud és almenys un quart de la longitud d'ona del senyal.

* Els cables coaxials s’utilitzen habitualment com a línies de transmissió, tot i que les traces de PCB també serveixen per aquest propòsit. Dues línies estàndard de transmissió de PCB són el microstrip i la tirolina.

* Les interconnexions PCB són generalment curtes i, per tant, no presenten un comportament de la línia de transmissió fins que les freqüències del senyal s'aproximen a 1 GHz.

* La relació de tensió amb corrent en una línia de transmissió es coneix com a impedància característica. És una funció de les propietats físiques del cable, tot i que no es veu afectada per la longitud i, per a les línies idealitzades (és a dir, sense pèrdues), és purament resistent.

Deixa un missatge 

Llista de missatges