Forstå grundlaget for koaksiale adaptere til bedre brug af disse meget nyttige komponenter

Brugere af elektronisk instrumentudstyr, der involverer transmission eller modtagelse af højfrekvente elektriske signaler, er fortrolige med koaksiale forbindelser, da de bruges i vid udstrækning. Så meget, at sådanne forbindelsestyper kan tages noget for givet - indtil det er tid til at forbinde flere instrumenter sammen eller forlænge koaksialkabler. På dette tidspunkt kan designere eller andet udstyrsbrugere henvende sig til adaptere; men inden de gør det, skal de forstå implikationerne og karakteristikaene for hver type adapter, de måtte bruge.

Der er en bred vifte af adaptere af en grund. "Tees" forbinder en enkelt signalkilde til flere instrumenter, mens "tønder" udvider koaksiale kabelforbindelser. Derefter er der jævnstrømsblokke, bias tees, impedanspuder, overspændingsbeskyttere og afslutninger - som alle er almindeligt anvendte, men nogle gange ikke helt forståede. Den korrekte anvendelse af disse adaptere kræver en vis grundlæggende viden om transmissionslinjer og pleje under udvælgelsen.

Denne artikel giver en kort oversigt over transmissionslinjer. Derefter introduceres forskellige typer koaksiale adaptere, beskriver hvordan de fungerer og viser, hvordan de bedst kan anvendes. Virkelige eksempler fraAmphenol R, Amphenol's Times mikrobølgesystemer, og Crystek Corporation er brugt.

Hvad er transmissionslinjer?

Transmissionslinjer, i form af koaksialkabler, flad linje, mikrobånd eller andre, forbinder en signalkilde til en belastning. Transmissionslinjer har en karakteristisk impedans bestemt af ledernes fysiske dimensioner, deres afstand og det dielektriske materiale, der bruges til at isolere lederne. Koaksialkabler har oftest en karakteristisk impedans på 50 ohm (W) til almindeligt RF-arbejde eller 75 W til videoapplikationer.

For at sikre den maksimale effektivitet ved overførsel af effekt fra kilden til belastningen skal impedansen af kilden, den karakteristiske impedans af transmissionsledningen og belastningsimpedansen matches. Hvis impedanserne adskiller sig, reflekteres noget energi fra det uoverensstemmende kryds. For eksempel, hvis belastningsimpedansen adskiller sig fra kilde- og transmissionslinjeimpedansen, reflekteres energi fra belastningen tilbage mod kilden (figur 1).

Figur 1: En koaksial linje med en uoverensstemmende belastning reflekterer energi fra belastningen tilbage mod kilden, hvilket skaber stående bølger i transmissionsstien. (Billedkilde: DigiKey)

Den indfaldende og reflekterede bølger kombineres yderligere langs transmissionsstien og danner stående bølger, hvor amplituden varierer periodisk over stiens fysiske længde. Stående bølger forårsager målefejl og kan resultere i beskadigelse af komponenter. Impedanstilpasning af kilde, transmissionslinje og belastning forhindrer oprettelse af stående bølger og hjælper således med at sikre den mest effektive transmission af strøm fra kilden til belastningen.

På grund af impedanstilpasningskravene er det vigtigt at bruge den rigtige adapter; men som designeren snart vil opdage, er adaptere mange og varierede og ofte med funktioner, der går ud over at danne en grundlæggende forbindelse.

T-adaptere

Overvej et grundlæggende instrumentsystem bestående af en enkelt kilde, oscilloskop og spektrumanalysator (figur 2).

Figur 2: Tilslutning af de tre instrumenter i dette eksempel ved hjælp af en tee-adapter kræver justering af oscilloskopets inputimpedans for at forhindre en uoverensstemmelse i signalkilden. (Billedkilde: DigiKey)

Signalkilden har en udgangsimpedans på 50 Ω og er beregnet til at fungere i en 50 Ω belastning. Hvis en tee-adapter bruges til at forbinde oscilloskopet og spektrumanalysatoren med begge indstillet til 50 Ω indgangsafslutninger, vil signalkilden se en 25 Ω belastning, reducere dens output og oprette stående bølger på kablerne. Hemmeligheden her er at indstille instrumentet midt i koaksialkørslen til en højimpedansindgangsafslutning, og instrumentet på den anden side af koaksialkørslen til dets 50 Ω indgangsafslutning, som vist. Signalkilden vil se dette som en 50 Ω belastning, og alt vil være godt.

Amphenol RF112461 (Figur 3) er en BNC-tee med et enkelt BNC-stik, to BNC-stik og en båndbredde på 4 gigahertz (GHz). Det kunne bruges i den konfiguration, der er vist i vores eksempel, til instrumenter med båndbredder under 4 GHz.

Figur 3: Amphenol 112461 BNC-tee tilbyder en 4 GHz båndbredde. I eksemplet vist i figur 1 er stikket forbundet til oscilloskopindgangen, og koaksialkabler er forbundet fra BNC-stikkene til signalkilden og spektrumanalysatoren. (Billedkilde: Amphenol RF)

Den type tee, der skal vælges, afhænger af de stik, der bruges på instrumenterne, og vil være baseret på båndbredden på de respektive instrumenter. Generelt er koaksiale adaptere som tees ikke tilgængelige for båndbredder på over 40 GHz, da signaltab bliver problematiske i adaptere ved disse frekvenser. En liste over de almindelige instrumentkoaksiale stik, som adaptere generelt er tilgængelige for, vises sammen med deres fremtrædende egenskaber (tabel 1).

Tabel 1: Almindelige koaksiale stikfamilier, for hvilke adaptere er tilgængelige. Over 40 GHz har adaptere tab, der gør dem uegnede til drift. (Tabelkilde: DigiKey)

Stikfamilie adaptere

At have flere stikstyper giver anledning til behovet for at kunne konvertere fra en type stik til en anden. Overvej at skulle montere et SMA-kabel fra input BNC-stikket på et oscilloskop eller spektrumanalysator. For denne situation skal Amphenol RF242103 indeholder et BNC-stik til tilslutning til instrumentet og et SMA-stik til modtagelse af SMA-kablet (figur 4).

Figur 4: En BNC til SMA-adapter passer ind mellem et BNC-stik og et SMA-stik efter behov for at forbinde et SMA-kabel til en instrumentindgang. (Billedkilde: Amphenol RF)

Brugere af udstyr skal huske på, at når der bruges en adapter, reduceres båndbredden til sammenkoblingen til den nedre båndbredde i de to stikfamilier. For BNC til SMA-adapteren er båndbredden 4 GHz, nedarvet fra BNC.

Der er også adaptere, der tilbyder impedansændringer fra 50 til 75 Ω og omvendt.

Adaptere til tønder og skotter

Forlængelse af kabler eller føring af et kabel gennem et panel kræver brug af lige (tønde) eller skotteadaptere. Disse er tilgængelige for stikfamilierne vist i tabel 1. Et eksempel er Amphenol RF132170 skotadapter, som har to SMA-stik, som kabler, der bruger SMA-stik, kan tilsluttes på hver side af et skot eller panel (figur 5).

Figur 5: Et eksempel på et SMA-stik i skottet, som kan monteres på et panel for at føre en koaksial forbindelse gennem det. (Billedkilde: Amphenol RF)

Tønde-stik kan konfigureres som jack-til-jackstik eller som stik til stik og mindre almindeligt som stik til stik.

Terminering

Tilslutning af flere højimpedansinputinstrumenter i serie fra en 50 Ω kilde kræver en 50 Ω terminering (figur 6).

Figur 6: Når der tilsluttes flere højimpedansindgangsenheder til en 50 Ω kilde, kræves en ekstern 50 Ω terminator for at forhindre refleksion i koaksiallinjerne. (Billedkilde: DigiKey)

Amphenol RF202120 50 Ω terminator er et eksempel på en koaksial terminering konfigureret som et BNC-stik (figur 7).

Figur 7: Amphenol RF 202120 er en 50 Ω terminering konfigureret som et BNC-stik. (Billedkilde: Amphenol RF)

BNC-stikket accepterer koaksialkabel direkte. Der er også afslutninger i form af BNC-stik, der passer sammen med et BNC-stik. Disse er nyttige, når du afslutter et instrument direkte på frontpanelet. Mens de fleste oscilloskoper tilbyder både høj impedans og 50 Ω indgange, er der en spændingsgrænse på 50 Ω omfangsindgange, normalt 5 volt. Oscilloskoper har også en effektbegrænsning på 0,5 watt på deres 50 Ω indgange. 202120 er klassificeret til 1 watt og kan håndtere over 7 volt.

Afslutninger er også tilgængelige for andre impedanser. For eksempel anvendes 75 Ω-terminatorer ofte i tv- og videoapplikationer. Nul Ω- eller kortslutninger bruges til kalibrering af netværksanalysatorer.

DC blokke og bias tees

DC-blokken er en koaksial adapter, der blokerer jævnstrømsignaler og tillader passage af RF-signaler. Det bruges til at beskytte følsomme RF-komponenter mod jævnstrøm, som er blokeret af en kondensator. Der er tre typer DC-blok:

• En indre DC-blok bruger en enkelt kondensator i serie med den indre eller midterleder af koaksialkablet
• En ydre DC-blok har en kondensator i serie med koaksialkabelets skærmleder
• En indre/ydre DC-blok har kondensatorer i serie med både den indre og den ydre leder

Alle typer DC-blokke er udpeget til specifikke karakteristiske impedanser, normalt 50 eller 75 Ω. Crystek Corporation CBLK-300-3 er en 50 Ω, indre leder DC-blok, der sender signaler med frekvenser fra 300 kilohertz (kHz) til 3 GHz, mens den blokerer DC-niveauer på op til 16 volt med lave indsættelses- og returtab over dets driftsfrekvensområde (figur 8).

Figur 8: Crystek CBLK-300-3 blokerer DC og sender signaler med frekvenser fra 300 kHz til 3 GHz. (Billedkilde: Crystek Corporation)

Bias tee

Bias-tee er relateret til DC-blokken. Det er en adapter med tre porte, hvor der tilføres jævnstrøm til en port. En anden port kombinerer DC-bias med det indfaldende RF-signal fra en isoleret RF-port (figur 9).

Figur 9: Bias-tee har tre porte: en til at anvende en DC-bias, en anden er en isoleret RF-port, mens den tredje kombinerer RF-signalet og DC-bias. (Billedkilde: Crystek Corporation)

Bias tees bruges til at levere strøm til fjernelektronik, som en lavstøjsforstærker (LNA) monteret på en antenne med jævnstrøm, mens de leverer en jævnstrømsfri port til at forbinde en RF-modtager. DC-bias påføres gennem en serieinduktor, som blokerer RF fra at blive anvendt på DC-kilden. Ligesom en DC-blok er den eneste RF-port isoleret fra DC-indgangen af en seriekondensator. Den kombinerede port passerer både RF- og DC-komponenterne.

Crystek Corporation' BTEE-01-50-6000 er en bias-tee med en RF-båndbredde på 50 megahertz (MHz) til 6 GHz ved hjælp af SMA-stik. RF-porten accepterer et RF-signal med et maksimalt effektniveau på 2 watt. DC-porten har en maksimal DC-indgang på 16 volt. Indsættelsestabet for bias-tee er typisk 0,5 decibel (dB) ved 2 GHz. I drift er RF+ DC-porten tilsluttet LNA og antennen. DC-strømkilden er tilsluttet DC-porten, og modtageren er forbundet til RF-porten.

In-line filtre

En anden nyttig koaksialadapter er in-line filteret. Lavpas-, højpas- og båndpasfiltre fås til BNC- eller SMA-stiktyper. Disse anvendes til at styre spektret af signalet, der transmitteres på kablet. For eksempel for at måle det effektive antal bits i en analog-til-digital-konverter (ADC), vil et lavpasfilter blive indsat mellem signalgeneratoren og ADC'en. Filteret dæmper generatorens harmoniske niveauer og forbedrer dermed målenøjagtigheden væsentligt. Dette gør det muligt at bruge en signalgenerator med lavere omkostninger.

Et godt eksempel på en sådan enhed er Crysteks CLPFL-0100, et syvende orden, 100 MHz lavpasfilter med en afskæringsfrekvens på 100 MHz (figur 10).

Figur 10: CLPFL-0100 er et syv-polet, 100 MHz lavpasfilter til inline-indsættelse i et SMA-kabel. (Billedkilde: Crystek Corporation)

Et 100 MHz indgangssignal vil have sin anden harmoniske dæmpet med 30 dB og dens højere harmoniske dæmpet med bedre end 60 dB. Hvis signalgeneratoren i eksemplet ovenfor havde en harmonisk niveau-specifikation på -66 dB, ville filteret reducere det til under -96 dB.

Overspændingsbeskyttere

Overspændingsbeskyttere, undertiden kaldet lynafskærmere, beskytter følsom elektronik mod forbigående overspændinger, som lyn. Dette kan gøres med gnistgab, gasrør eller dioder, der nedbrydes elektrisk for at aflade elektriske overspændinger til jorden, før de kan beskadige de beskyttede enheder.

Amphenol Time Microwave Systems LP-GTR-NFF er et N-type stik in-line overspændingsbeskytter, der bruger et udskifteligt gasudladningsrør. Røret nedbrydes ved jævnspænding over ± 90 volt / 20 A og kan håndtere overspændinger på op til 50 watt. Det indsættes i linje og har en båndbredde fra DC til 3 GHz med et indsættelsestab på 0,1 dB op til 1 GHz og 0,2 dB op til 3 GHz (figur 11).

Figur 11: Amphenol Times Microwave Systems LP-GTR-NFF overspændingsbeskytter er en in-line N-stikindretning, der bruges til at beskytte koaksiale ledninger mod forbigående bølger på op til 50 watt. (Billedkilde: Amphenol Times Microwave Systems)

Overspændingsbeskyttere er generelt monteret på L-beslag, der er bundet elektrisk og mekanisk til en jord med lav impedans ved hjælp af store ledere med lav induktans. Det er vigtigt at bemærke, at kvaliteten af jordforbindelsen påvirker overspændingsbeskyttelsens ydeevne.

In-line dæmpere

Dæmpere reducerer effektniveauet for et signal uden at forvride signalbølgeformen. Koaksiale in-line-versioner tilbyder en fast dæmpning og fås i et stort antal tilslutningstyper med en række stik og jack-konfigurationer.

Crystek Corporation CATTEN-03R0-BNC er en 3 dB, 50 Ω, BNC-dæmper med en båndbredde på 0 til 1 GHz og en effekt på 2 watt (Figur 12). Det er en af tretten dæmpningsmodeller, der er tilgængelige i sin produktserie med dæmpninger på fra 1 til 20 dB.

Figur 12: CATTEN-03RO-BNC fra Crystek er en in-line koaksial BNC 3 dB dæmper med en båndbredde på 0 til 1 GHz. (Billedkilde: Crystek Corporation)

In-line dæmpere bruges naturligvis til at nedbringe et signaleffektniveau, men mindre tydeligt bruges de også til at tilvejebringe isolation mellem impedanser i serielt tilsluttede enheder såvel som til at reducere impedansfejl og uønskede refleksioner.

Overvej at indsætte en matchet 3 dB dæmper foran en uoverensstemmende belastningsimpedans. Lyddæmperens indgangssignal reduceres med 3 dB af dæmperen, når det spredes til den uoverensstemmende belastning. Under forudsætning af, at misforholdet er et åbent kredsløb, reflekteres hele signalet ved belastningen og sprang tilbage gennem dæmperen, hvor det lider yderligere 3 dB-tab ved dæmpningsindgangen. Returtabet ved dæmpningsindgangen forbedres med 6 dB. Den uoverensstemmelse, der observeres ved indgangen til dæmperen, forbedres med et beløb svarende til det dobbelte af værdien af dæmperen - i dette tilfælde er den samlede reduktion 6 dB.

Denne teknik har en ulempe ved, at amplituden af gennemgangssignalet reduceres med 3 dB, hvilket skal kompenseres for andre steder i netværket. Crystek CATTEN-03R0-BNC fungerer godt i denne applikation.

Konklusion

Ved tilslutning af instrumenter eller andre enheder med koaksiale adaptere skal designere og andet udstyr være opmærksom på de grundlæggende transmissionslinjer. Når først disse er forstået, kan brugerne bedre drage fordel af disse meget nyttige komponenter med deres brede anvendelsesområde, herunder skiftende forbindelsestyper og karakteristiske impedanser, signalforgrening, filtrering, overspændingsbeskyttelse, signaldæmpning og DC-kontrol og isolering.