Forstå det grunnleggende om koaksiale kort for å utnytte disse svært nyttige komponentene bedre

Brukere av elektronisk instrumenteringsutstyr som involverer overføring eller mottak av høyfrekvente elektriske signaler, er kjent med koaksiale tilkoblinger ettersom de brukes produktivt. Så mye, at slike tilkoblingstyper kan tas noe for gitt – inntil det er på tide å koble flere instrumenter sammen eller forlenge koaksialkabler. På dette tidspunktet kan konstruktører eller andre utstyrsbrukere bruke adaptere, men før de gjør det, må de fullt ut forstå implikasjonene og egenskapene til hver type adapter de kan bruke.

Det finnes et bredt utvalg av adaptere for en grunn. T-koblinger, eller «T-er» kobler en enkelt signalkilde til flere instrumenter, mens «tønnef» (rundstifter) forlenger koaksiale kabeltilkoblinger. Deretter er det DC-blokkeringer, T-koblinger med forspenning (forspenningsforgreninger), impedanskoblinger, overspenningsvern og termineringer – som alle brukes ofte, men noen ganger ikke er helt forstått. Korrekt bruk av disse adapterne krever grunnleggende kunnskap om overføringsledninger og valg med omhu.

Denne artikkelen gir en kort oversikt over overføringslinjer. Deretter introduseres ulike typer koaksialadaptere, det beskrives hvordan de fungerer og det vises hvordan de best kan brukes. Eksempler fra virkeligheten fra Amphenol RF, Amphenol sitt Times Microwave Systems og Crystek Corporation brukes.

Hva er overføringslinjer?

Overføringslinjer, i form av koaksialkabler, flatkabler, mikrobåndleder (mikrostrips) eller andre, kobler en signalkilde til en last. Overføringslinjer har en karakteristisk impedans bestemt av ledernes fysiske dimensjoner, deres avstand og det dielektriske materialet som brukes til å isolere lederne. Koaksialkabler har vanligvis en karakteristisk impedans på 50 ohm (W) for generelt RF-operasjon, eller 75 W for apparater med video.

For å sikre maksimal effektivitet ved overføring av strøm fra kilden til lasten, bør kildens impedans, overføringsledningens karakteristiske impedans og lastimpedansen samsvare. Hvis impedansene er forskjellige, reflekteres noe energi fra det uoverensstemmende koblingspunktet. Hvis lastimpedansen for eksempel er forskjellig fra kilden og overføringsledningen, reflekteres energien fra lasten tilbake mot kilden (figur 1).

Figur 1: Koaksiallinje med en uoverensstemmende last reflekterer energi fra lasten tilbake mot kilden som skaper stående bølger i overføringsveien. (Bildekilde: DigiKey)

De tilhørende og reflekterte bølgene kombineres i tillegg langs overføringsveien og danner stående bølger der amplituden varierer periodisk over veiens fysiske lengde. Stående bølger forårsaker målefeil og kan føre til skade på komponenter. Impedansetilpasning av kilden, overføringsledningen og lasten hindrer dannelsen av stående bølger, samt det bidrar dermed til å sikre den mest effektive overføringen av strøm fra kilden til lasten.

På grunn av kravene til impedans er det viktig å bruke riktig adapter, men som designeren snart vil oppdage, er adapterne mange og varierte og har ofte funksjoner som går utover å danne en grunnleggende tilkobling.

T-koblingsadaptere (forgreningsadaptere)

I tilfelle med et grunnleggende instrumentsystem som består av en enkelt kilde, oscilloskop og spektrumanalysator (figur 2).

Figur 2: Tilkobling av de tre instrumentene i dette eksempelet ved hjelp av en T-koblingsadaptere (forgreningsadaptere) krever justering av oscilloskopets inngangsimpedans for å forhindre en uoverensstemmelse ved signalkilden. (Bildekilde: DigiKey)

Signalkilden har en utgangsimpedans på 50 Ω og er ment å fungere inn i en 50 Ω last. Hvis et T-koblingsadapter (forgreningsadapter) brukes til å koble oscilloskopet og spektrumanalysatoren med begge satt til 50 Ω inngangsavslutninger, vil signalkilden se en 25 Ω belastning, redusere utgangen og sette opp stående bølger på kablene. Hemmeligheten her er å stille instrumentet til en høyimpedans med inngangsterminering midt under koaksialdriften, samt instrumentet på den andre siden av koaksialdriften til 50 Ω inngangsterminering, som vist. Signalkilden vil se dette som en 50 Ω belastning, og det vil gå bra på den måten.

Amfenol RF 112461 (figur 3) er en BNC-T-kobling med en enkelt BNC-plugg, to BNC-uttak og en båndbredde på 4 gigahertz (GHz). Den kan brukes i konfigurasjonen vist i vårt eksempel for instrumenter med båndbredde under 4 GHz.

Figur 3: Amphenol 112461 BNC-T-kobling tilbyr en båndbredde på 4 GHz. I eksemplet vist i figur 1 er pluggen koblet til oscilloskopinngangen, koaksialkabler er koblet fra BNC-kontaktene til signalkilden og spektrumanalysatoren. (Bildekilde: Amphenol RF)

Hvilken type T-kobling som skal velges avhenger av kontaktene som brukes på instrumentene, og vil være basert på båndbreddene på de respektive instrumentene. Generelt er koaksiale adaptere som T-stykker (forspenningsforgreninger) ikke tilgjengelige for båndbredder over 40 GHz siden signaltap blir problematisk i adaptere ved disse frekvensene. En liste over de adaptere som vanligvis er tilgjengelige for koaksialkoblingene til instrument vises sammen med deres viktigste attributter (tabell 1).

Tabell 1: Vanlige koaksiale koblingsfamilier med tilgjengelige adaptere. Over 40 GHz, adaptere har tap som gjør dem uegnet for drift. (Tabellkilde: DigiKey)

Adaptere i kontaktfamilie

Å ha flere typer kontakter gir behov for å kunne konvertere fra en type kontakt til en annen. I tilfelle du måtte montere en SMA-kabel fra inngangs-BNC-kontakten på et oscilloskop eller spektrumanalysator. For denne situasjonen har Amphenol RF 242103 en BNC-kontakt for å koble til instrumentet og en SMA-kontakt for å motta SMA-kabelen (figur 4).

Figur 4: En BNC til SMA-adapter passer inn mellom en BNC-kontakt og en SMA-plugg kan være nødvendig for å koble en SMA-kabel til en instrumentinngang. (Bildekilde: Amphenol RF)

Utstyrsbrukere bør huske at når et kort brukes, reduseres båndbredden for forbindelsen til den nedre båndbredden til de to tilkoblingsfamiliene. Når det gjelder BNC til SMA-kortet, er båndbredden 4 GHz, arvet fra BNC-en.

Det er også adaptere som tilbyr impedansendringer fra 50 til 75 Ω og omvendt.

Adaptere til rundstifter (tønner) og gjennomføringer

Å forlenge kabler eller bringe en kabel gjennom et panel krever bruk av gjennomgående rundstifter (tønner) og gjennomføringer. Disse er tilgjengelige for familiene av kontakter vist i tabell 1. Et eksempel er Amphenol RF 132170 gjennomføringsadapteren, som har to SMA-uttak der kabler ved hjelp av SMA-plugger kan kobles til på hver side av en gjennomføring eller panel (figur 5).

Figur 5: Et eksempel på en SMA-gjennomføring for SMA-kontakter som kan monteres i et panel for å passere en koaksial forbindelse gjennom panelet. (Bildekilde: Amphenol RF)

Rundstiftkontakter (tønnekontakter) kan konfigureres som uttak til uttak, eller som plugg til plugg, samt det mindre vanlige; plugg til uttak.

Termineringer

Tilkobling til flere instrumenter med høy inngangsimpedans i serie fra en 50 Ω-kilde krever en 50 Ω-terminering (figur 6).

Figur 6: Når flere inngangsenheter med høy impedans kobles til en 50 Ω-kilde, kreves en ekstern 50 Ω-terminator for å hindre refleksjon i koaksial-linjene. (Bildekilde: DigiKey)

Amfenol RF 202120 50 Ω-terminator er et eksempel på en koaksial-terminering, konfigurert som en BNC-kontakt (figur 7).

Figur 7: Amfenol RF 202120 er en 50 Ω-avslutning konfigurert som et BNC-uttak. (Bildekilde: Amphenol RF)

BNC-uttaket tar direkte inn koaksialkabelen. Det er også termineringer i form av BNC-plugger som passer med en BNC-kontakt. Disse er nyttige når du avslutter et instrument direkte på frontpanelet. Mens de fleste oscilloskoper tilbyr både høy impedans og 50 Ω-innganger, er det en spenningsgrense på 50 Ω-skopinngangene (oscilloskop), vanligvis 5 volt. Oscilloskoper har også en effektgrense på 0,5 watt på sine 50 Ω-innganger. 202120 er klassifisert til 1 watt, samt den kan håndtere over 7 volt.

Avslutninger er også tilgjengelige for andre impedanser. For eksempel brukes 75 Ω-terminatorer ofte i fjernsyns- og video apparater. Null Ω eller kortslutninger brukes ved kalibrering av nettverksanalysatorer.

DC blokkeringer og T-koblinger med forspenning (forspenningsforgreninger)

DC-blokkeringer er en koaksial adapter som blokkeringerer likestrømssignaler og tillater passering av RF-signaler. Den brukes til å beskytte følsomme RF-komponenter mot DC, som blokkeres av en kondensator. Det finnes tre typer DC-blokkeringer:

• En indre DC-blokkering bruker en enkelt kondensator i serie med den indre eller sentrale lederen til koaksialkabelen
• En ytre DC-blokkering har en kondensator i serie med skjermlederen til koaksialkabelen
• En indre/ytre DC-blokkering har kondensatorer i serie med både den indre og ytre lederen

Alle typer DC-blokkeringer er utpekt for spesifikke karakteristiske impedanser, vanligvis 50 eller 75 Ω. Crystek CorporationCBLK-300-3 er en 50 Ω, DC-blokkering med indre leder som overfører signaler med frekvenser fra 300 kilohertz (kHz) til 3 GHz, mens den blokkerer DC-spenningsnivåer på opptil 16 volt med lave innsettings- og returtap over driftsfrekvensområdet (Figur 8).

Figur 8: Crystek CBLK-300-3 blokkerer likestrøm og sender signaler med frekvenser fra 300 kHz til 3 GHz. (Bildekilde: Crystek Corporation)

T-koblinger med forspenning (forspenningsforgrening)

T-koblinger med forspenning (forspenningsforgrening) er relatert til DC-blokkeringen. Det er en tre-ports adapter der likestrøm påføres en port. En annen port kombinerer DC-forspenningen med det tilhørende RF-signalet fra en isolert RF-port (figur 9).

Figur 9: T-kobling med forspenning har tre porter: en for å påføre en DC-forspenning, en isolert RF-port, mens den tredje kombinerer RF-signalet og DC-forspenningen. (Bildekilde: Crystek Corporation)

T-koblinger med forspenning (forspenningsforgreninger) brukes til å levere strøm til ekstern elektronikk, som en lavstøyforsterker (low noise amplifier – LNA) montert på en antenne med DC-strøm, mens de gir en DC-fri port for å koble til en RF-mottaker. Likestrømsforspenning påføres gjennom en serieinduktor, som blokkerer RF fra å påføres likestrømskilden. På samme måte som en DC-blokkering, er den eneste RF-porten isolert fra DC-inngangen av en seriekondensator. Den kombinerte porten passerer både RF- og DC-komponentene.

Crystek Corporation BTEE-01-50-6000 er en T-kobling med forspenning med en RF-båndbredde på 50 megahertz (MHz) til 6 GHz ved hjelp av SMA-kontakter. RF-porten tar imot et RF-signal med et maksimalt effektnivå på 2 watt. DC-porten har en maksimal DC-inngang (vekselspenning) på 16 volt. Innføringstapet til forspennings-T-kolingen er vanligvis 0,5 desibel (dB) ved 2 GHz. I drift er RF+DC-porten koblet til LNA og antennen. DC-strømkilden er koblet til DC-porten, og mottakeren er koblet til RF-porten.

Linjefilter

Et annet nyttig koaksialadapter er linjefilteret. Lavpass-, høypass- og båndpassfiltre er tilgjengelige for BNC- eller SMA-tilkoblingstyper. Disse brukes til å styre spekteret av signalet som overføres på kabelen. For eksempel, for å måle det effektive antallet bits i en analog-til-digital-omformer (A-D-omformer – ADC), vil et lavpassfilter bli satt inn mellom signalgeneratoren og ADC. Filteret vil dempe generatorens harmoniske nivåer, og dermed forbedre målenøyaktigheten betraktelig. Dette gjør det mulig å bruke en signalgenerator med rimelig pris.

Et godt eksempel på en slik enhet er Crysteks CLPFL-0100, et lavpassfilter av 7. klasse på 100 MHz med en grensefrekvens på 100 MHz (figur 10).

Figur 10: CLPFL-0100 er et syv-polet, 100 MHz lavpassfilter for linjeinnføring i en SMA-kabel. (Bildekilde: Crystek Corporation)

Et 100 MHz-inngangssignal vil få sin andre harmoni dempet med 30 dB og sin høyere harmoni dempet med mer (bedre) enn 60 dB. Hvis signalgeneratoren i eksempelet ovenfor hadde en harmonisk nivåspesifikasjon på -66 dB, ville filteret redusere den til under -96 dB.

Overspenningsvern

Overspenningsvern, noen ganger kalt lynavleder (overspenningsavleder), beskytter sensitiv elektronikk mot forbigående overspenninger, som lyn. Dette kan gjøres med gnistgap, gassrør eller dioder som brytes ned elektrisk for å tømme elektriske overspenninger til jord før de kan skade de beskyttede enhetene.

Amfenol Time Microwave Systems LP-GTR-NFF er en N-type tilkobling linje-overspenningsvern som bruker et utskiftbart gassutladningsrør. Røret brytes ned ved likestrømspenninger over ±90 volt / 20 A og kan håndtere overspenninger på opptil 50 watt. Den settes inn på linje og har en båndbredde på fra DC til 3 GHz med et innsettingstap på 0,1 dB opp til 1 GHz og 0,2 dB opp til 3 GHz (figur 11).

Figur 11: Amphenol Times Microwave Systems LP-GTR-NFF overspenningsvern er en linje-N-tilkoblingsenhet som brukes til å beskytte koaksiale ledninger mot forbigående overspenninger på opptil 50 watt. (Bildekilde: Amphenol Times Microwave Systems)

Overspenningsvern er vanligvis montert på L-braketter som er elektrisk og mekanisk forbundet til en lavimpedansjord ved hjelp av store ledere med lav induksjon. Det er viktig å være oppmerksom på at kvaliteten på jordforbindelsen påvirker ytelsen til overspenningsverneret.

Linjedempere

Dempere reduserer effektnivået til et signal uten å forvrenge signalbølgeformen. Koaksiale linje-versjoner tilbyr en fast demping og er tilgjengelige i et stort antall koblingstyper med en rekke plugg- og uttak-konfigurasjoner.

Crystek Corporation CATTEN-03R0-BNC er en 3 dB, 50 Ω, BNC-demper med en båndbredde på 0 til 1 GHz og effekt på 2 watt (Figur 12). Det er en av tretten dempningsmodeller som finnes i produktserien, med dempninger på fra 1 til 20 dB.

Figur 12: CATTEN-03RO-BNC fra Crystek er en linje-koaksial-BNC 3 dB demper med en båndbredde på 0 til 1 GHz. (Bildekilde: Crystek Corporation)

Linjedempere brukes åpenbart til å trappe ned effektnivået til et signal, men mindre åpenbart brukes de også til å gi isolasjon mellom impedanser i serietilkoblede enheter, samt til å redusere impedansuoverensstemmelser og uønskede refleksjoner.

I tilfelle der man setter inn en matchende 3 dB demper foran en uoverensstemmende belastningsimpedans. Inngangssignalet til demperen reduseres med 3 dB av demperen når den forplanter seg til den uoverensstemmende lasten. Forutsatt at uoverensstemmelsen er en åpen krets, reflekteres hele signalet ved belastningen og spretter tilbake gjennom demperen der det lider ytterligere 3 dB-tap ved demperinngangen. Returtapet ved demperinngangen forbedres med 6 dB. Uoverensstemmelsen som observeres ved inngangen til demperen forbedres med en mengde som er lik to ganger verdien av demperen – i dette tilfellet er den totale reduksjonen 6 dB.

Denne teknikken har en ulempe ved at amplituden til gjennomgangssignalet reduseres med 3 dB, som må kompenseres andre steder i nettet. Crystek CATTEN-03R0-BNC vil fungere bra i dette apparatet.

Konklusjon

Når du kobler instrumenter eller andre enheter med koaksiale adaptere, må utviklere (designere) og andre utstyrsbrukere være klar over det grunnleggende med overføringsledningen. Når disse er forstått, kan brukerne bedre dra nytte av disse svært nyttige komponentene med sitt brede spekter av verktøy, inkludert å endre kontakttyper og karakteristiske impedanser, signalforgrening, filtrering, overspenningsvern, signaldemping, samt DC-styring og isolasjon.