Linea di trasmissione e RF

Segnali RF reali
Le interconnessioni ad alta frequenza richiedono una considerazione speciale perché spesso si comportano non come normali cavi ma piuttosto come linee di trasmissione.

Nei sistemi a bassa frequenza, i componenti sono collegati tramite fili o tracce di PCB. La resistenza di questi elementi conduttivi è abbastanza bassa da essere trascurabile nella maggior parte delle situazioni.

Questo aspetto della progettazione e dell'analisi dei circuiti cambia drasticamente all'aumentare della frequenza. I segnali RF non viaggiano lungo i fili o le tracce PCB nel modo semplice che ci aspettiamo in base alla nostra esperienza con i circuiti a bassa frequenza.

La linea di trasmissione
Il comportamento delle interconnessioni RF è molto diverso da quello dei normali cavi che trasportano segnali a bassa frequenza - così diverso, infatti, che viene utilizzata una terminologia aggiuntiva: una linea di trasmissione è un cavo (o semplicemente una coppia di conduttori) che deve essere analizzato secondo alle caratteristiche della propagazione del segnale ad alta frequenza.

Innanzitutto, chiariamo due cose:
Cavo vs. traccia
"Cavo" è una parola comoda ma imprecisa in questo contesto. Il cavo coassiale è certamente un classico esempio di linea di trasmissione, ma le tracce del PCB funzionano anche come linee di trasmissione. La linea di trasmissione "microstrip" è composta da una traccia e un piano di terra vicino, come segue:

La linea di trasmissione "stripline" è composta da una traccia PCB e due piani di massa:




Le linee di trasmissione PCB sono particolarmente importanti perché le loro caratteristiche sono controllate direttamente dal progettista. Quando acquistiamo un cavo, le sue proprietà fisiche sono fisse; raccogliamo semplicemente le informazioni necessarie dalla scheda tecnica. Quando si prepara un PCB RF, possiamo facilmente personalizzare le dimensioni - e quindi le caratteristiche elettriche - della linea di trasmissione in base alle esigenze dell'applicazione.

Il criterio della linea di trasmissione
Non tutte le interconnessioni ad alta frequenza sono una linea di trasmissione; questo termine si riferisce principalmente all'interazione elettrica tra segnale e cavo, non alla frequenza del segnale o alle caratteristiche fisiche del cavo. Quindi, quando dobbiamo incorporare gli effetti della linea di trasmissione nella nostra analisi?

L'idea generale è che gli effetti della linea di trasmissione diventano significativi quando la lunghezza della linea è paragonabile o maggiore della lunghezza d'onda del segnale. Una linea guida più specifica è un quarto della lunghezza d'onda:

* Se la lunghezza dell'interconnessione è inferiore a un quarto della lunghezza d'onda del segnale, l'analisi della linea di trasmissione non è necessaria. L'interconnessione stessa non influisce in modo significativo sul comportamento elettrico del circuito.

* Se la lunghezza dell'interconnessione è maggiore di un quarto della lunghezza d'onda del segnale, gli effetti della linea di trasmissione diventano significativi e l'influenza dell'interconnessione stessa deve essere presa in considerazione.

Ricordiamo che la lunghezza d'onda è uguale alla velocità di propagazione divisa per frequenza:

Se assumiamo una velocità di propagazione di 0.7 volte la velocità della luce, abbiamo le seguenti lunghezze d'onda:


 

Le soglie della linea di trasmissione corrispondenti sono le seguenti:


 

Quindi per frequenze molto basse, gli effetti della linea di trasmissione sono trascurabili. Per le medie frequenze, solo i cavi molto lunghi richiedono una considerazione speciale. Tuttavia, a 1 GHz molte tracce PCB devono essere trattate come linee di trasmissione e quando le frequenze salgono nelle decine di gigahertz, le linee di trasmissione diventano onnipresenti.

Impedenza caratteristica
La proprietà più importante di una linea di trasmissione è l'impedenza caratteristica (indicata da Z0). Nel complesso questo è un concetto abbastanza semplice, ma inizialmente può causare confusione.

In primo luogo, una nota sulla terminologia: "resistenza" si riferisce all'opposizione a qualsiasi flusso di corrente; non dipende dalla frequenza. "Impedenza" viene utilizzata nel contesto dei circuiti CA e spesso si riferisce a una resistenza dipendente dalla frequenza. Tuttavia, a volte usiamo "impedenza" dove "resistenza" sarebbe teoricamente più appropriata; per esempio, potremmo riferirci all '"impedenza di uscita" del circuito puramente resistivo.

Pertanto, è importante avere un'idea chiara di cosa intendiamo per "impedenza caratteristica". Non è la resistenza del conduttore del segnale all'interno del cavo: un'impedenza caratteristica comune è 50 Ω e una resistenza CC di 50 Ω per un cavo corto sarebbe assurdamente alta. Ecco alcuni punti salienti che aiutano a chiarire la natura dell'impedenza caratteristica:

L'impedenza caratteristica è determinata dalle proprietà fisiche della linea di trasmissione; nel caso di un cavo coassiale, è una funzione del diametro interno (D1 nello schema seguente), del diametro esterno (D2) e della permittività relativa dell'isolamento tra i conduttori interno ed esterno.

L'impedenza caratteristica non è una funzione della lunghezza del cavo. È presente ovunque lungo il cavo, poiché deriva dalla capacità e dall'induttanza intrinseche del cavo.

 

In questo diagramma, i singoli induttori e condensatori vengono utilizzati per rappresentare la capacità distribuita e l'induttanza che è continuamente presente per tutta la lunghezza del cavo.
 

* In pratica, l'impedenza di una linea di trasmissione non è rilevante in DC, ma una linea di trasmissione teorica di lunghezza infinita presenterebbe la sua impedenza caratteristica anche a una sorgente DC come una batteria. Questo è il caso perché la linea di trasmissione infinitamente lunga assorbirebbe continuamente corrente nel tentativo di caricare la sua infinita fornitura di capacità distribuita e il rapporto tra la tensione della batteria e la corrente di carica sarebbe uguale all'impedenza caratteristica.

* L'impedenza caratteristica di una linea di trasmissione è puramente resistiva; non viene introdotto lo sfasamento e tutte le frequenze del segnale si propagano alla stessa velocità.

 * Teoricamente questo è vero solo per le linee di trasmissione senza perdita di dati, ovvero le linee di trasmissione che hanno resistenza zero lungo i conduttori e resistenza infinita tra i conduttori. Ovviamente tali linee non esistono, ma l'analisi delle linee senza perdita è sufficientemente accurata quando applicata a linee di trasmissione a bassa perdita nella vita reale.

Riflessioni e abbinamento
L'impedenza di una linea di trasmissione non ha lo scopo di limitare il flusso di corrente come farebbe una normale resistenza. L'impedenza caratteristica è semplicemente un risultato inevitabile dell'interazione tra un cavo composto da due conduttori nelle immediate vicinanze. L'importanza dell'impedenza caratteristica nel contesto della progettazione RF risiede nel fatto che il progettista deve abbinare le impedenze al fine di prevenire i riflessi e ottenere il massimo trasferimento di potenza. Questo sarà discusso nella prossima pagina.

Sommario

* Un'interconnessione è considerata una linea di trasmissione quando la sua lunghezza è almeno un quarto della lunghezza d'onda del segnale.

* I cavi coassiali sono comunemente usati come linee di trasmissione, anche se le tracce del PCB servono anche a questo scopo. Due linee di trasmissione PCB standard sono la microstriscia e la stripline.

* Le interconnessioni PCB sono in genere brevi e, di conseguenza, non mostrano un comportamento sulla linea di trasmissione fino a quando le frequenze del segnale non si avvicinano a 1 GHz.

* Il rapporto tra tensione e corrente in una linea di trasmissione viene definito impedenza caratteristica. È una funzione delle proprietà fisiche del cavo, sebbene non sia influenzato dalla lunghezza e per linee idealizzate (cioè senza perdita di dati) è puramente resistivo.

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