Zrozumienie podstaw adapterów koncentrycznych, pozwala na lepsze wykorzystanie tych bardzo przydatnych komponentów

Użytkownikom aparatury elektronicznej, której działanie wiąże się z przesyłaniem lub odbiorem sygnałów elektrycznych wysokiej częstotliwości, znane są połączenia koncentryczne, ponieważ są one powszechnie stosowane. Tak powszechnie, że tego typu połączenia uważa się za coś oczywistego, do momentu, gdy przyjdzie czas na połączenie wielu przyrządów lub przedłużenie kabli koncentrycznych. W tym momencie projektanci lub użytkownicy urządzeń mogą pomyśleć o adapterach, jednak zanim to zrobią, muszą w pełni rozumieć skutki zastosowania i charakterystykę każdego stosowanego typu adaptera.

Różnorodne typy adapterów istnieją nie bez przyczyny. „Trójniki” łączą jedno źródło sygnału z wieloma przyrządami, a złącza cylindryczne służą do przedłużania połączeń kabli koncentrycznych. Istnieją również blokady prądu stałego, trójniki polaryzujące, transformatory impedancji, ochronniki przeciwprzepięciowe i zakończenia - wszystkie są powszechnie stosowane, lecz niekiedy bez pełnego zrozumienia ich roli. Prawidłowe korzystanie z adapterów wymaga pewnej podstawowej wiedzy o liniach przesyłowych i staranności podczas doboru adapterów.

Artykuł zawiera krótkie omówienie linii przesyłowych. Następnie wprowadza różne typy adapterów koncentrycznych, opisuje sposób ich działania i wskazuje optymalną metodę zastosowania. Posłużono się praktycznymi przykładami produktów firmy Amphenol RF, zależnej od spółki Amphenol firmy Times Microwave Systems oraz firmy Crystek Corporation.

Czym są linie przesyłowe?

Linie przesyłowe w postaci kabli koncentrycznych, płaskich, mikropasków itp. łączą źródło sygnału z odbiornikiem. Linie przesyłowe mają impedancję charakterystyczną zależną od fizycznych wymiarów żył, ich rozstawu i materiału dielektrycznego izolującego żyły. Kable koncentryczne najczęściej mają impedancję charakterystyczną 50Ω do zastosowań ogólnie związanych z częstotliwościami radiowymi (RF) lub 75Ω do zastosowań wideo.

Aby zapewnić najwyższą sprawność przesyłu energii ze źródła do odbiornika, impedancja źródła, impedancja charakterystyczna linii przesyłowej i impedancja odbiornika powinny być dopasowane. Jeśli impedancje się różnią, część energii odbije się od niedopasowanego połączenia. Na przykład jeśli impedancja odbiornika różni się od impedancji źródła i linii przesyłowej, energia zostanie odbita od odbiornika z powrotem w stronę źródła (ilustracja 1).

Ilustracja 1: linia koncentryczna z niedopasowanym odbiornikiem odbija energię od odbiornika z powrotem w stronę źródła, tworząc falę stojącą na torze przesyłowym. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Fale padające i odbite sumują się i łączą wzdłuż toru transmisyjnego, tworząc fale stojące, których amplituda zmienia się okresowo na całej fizycznej długości toru. Fale stojące prowadzą do błędów pomiarowych i mogą powodować uszkodzenia komponentów. Dopasowanie impedancji źródła, linii przesyłowej i odbiornika zapobiega powstawaniu fal stojących i sprzyja zapewnieniu sprawnego przesyłu energii ze źródła do odbiornika.

Z uwagi na wymagania związane z dopasowaniem impedancji ważne jest użycie właściwego adaptera. Projektant może się jednak szybko przekonać o istnieniu wielu rodzajów adapterów, które często mają cechy wykraczające poza utworzenie zwykłego połączenia.

Trójniki

Rozważmy podstawowy układ przyrządów składający się z pojedynczego źródła, oscyloskopu i analizatora widma (ilustracja 2).

Ilustracja 2: połączenie trzech przyrządów za pomocą trójnika w tym przykładzie wymaga dostosowania impedancji wejściowej oscyloskopu, aby zapobiec niedopasowaniu do źródła sygnału. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Źródło sygnału ma impedancję wejściową 50Ω i jest przeznaczone do współpracy z odbiornikiem o impedancji 50Ω. Jeśli do podłączenia oscyloskopu i analizatora widma zostanie użyty trójnik, a oba przyrządy mają zakończenia wejściowe 50Ω, źródło sygnału będzie widzieć odbiornik 25Ω ograniczający wyjście źródła i tworzący fale stojące w kablach. Tu rozwiązanie problemu polega na ustawieniu w przyrządzie znajdującym się w połowie długości kabla koncentrycznego zakończenia wejściowego o wysokiej impedancji, a przyrządu na drugim końcu kabla koncentrycznego na zakończenie wejściowe 50Ω, jak pokazano na ilustracji. Źródło sygnału będzie widzieć taki układ jako odbiornik 50Ω i wszystko zadziała.

Urządzenie 112461 firmy Amphenol RF (ilustracja 3) jest trójnikiem BNC z jedną wtyczką BNC, dwoma gniazdami BNC i szerokością pasma 4GHz. Można go użyć w konfiguracji przedstawionej w naszym przykładzie dla przyrządów o szerokości pasma poniżej 4GHz.

Ilustracja 3: trójnik BNC 112461 firmy Amphenol zapewnia szerokość pasma 4GHz. W przykładzie przedstawionym na ilustracji 1 wtyczka jest podłączona do wejścia oscyloskopu, a kable koncentryczne łączą gniazda adaptera BNC ze źródłem sygnału i analizatorem widma. (Źródło ilustracji: Amphenol RF)

Wybór typu trójnika zależy od złączy używanych w przyrządach i opiera się na szerokościach pasma poszczególnych przyrządów. Adaptery koncentryczne, takie jak „trójniki” zwykle nie są dostępne dla szerokości pasma przekraczających 40GHz, ponieważ przy tych częstotliwościach problemem stają się straty sygnału w adapterach. Poniżej przedstawiono listę typowych złączy kabli koncentrycznych do przyrządów, dla których zwykle dostępne są adaptery, razem z ich atrybutami wizualnymi (tabela 1).

Tabela 1: typowe grupy złączy do kabli koncentrycznych, do których dostępne są adaptery. Powyżej 40 GHz w adapterach występują straty, które czynią je nieprzydatnymi. (Źródło tabeli: DigiKey)

Adaptery do grup złączy

Posiadanie wielu typów złączy tworzy potrzebę konwersji z jednego typu złącza na inny. Rozważmy konieczność podłączenia kabla SMA do złącza wejściowego BNC oscyloskopu lub analizatora widma. W takiej sytuacji adapter 242103 firmy Amphenol RF zapewnia wtyczkę BNC do łączenia z przyrządem i gniazdo SMA do łączenia z kablem SMA (ilustracja 4).

Ilustracja 4: adapter BNC - SMA pośredniczy między gniazdem BNC i wtyczką SMA i może być niezbędny w celu podłączenia kabla SMA do wejścia przyrządu. (Źródło ilustracji: Amphenol RF)

Użytkownicy urządzeń powinni pamiętać, że w przypadku stosowania adaptera szerokość pasma połączenia jest redukowana do niższej wartości złącza należącego do jednej z dwóch grup złączy. W przypadku adaptera BNC - SMA szerokość pasma wynosi 4GHz, tak jak w przypadku złącza BNC.

Istnieją również adaptery, które umożliwiają zmianę impedancji z 50 na 75Ω i na odwrót.

Adaptery cylindryczne i grodziowe

Przedłużanie kabli lub przeprowadzanie ich przez panele wymaga zastosowania adaptera przelotowego (cylindrycznego) lub adaptera grodziowego. Są one dostępne dla grup złączy przedstawionych w tabeli 1. Przykładem jest adapter grodziowy 132170 firmy Amphenol RF, wyposażony w dwa gniazda SMA, do których można podłączyć kable za pomocą wtyczek SMA z dowolnej strony przegrody lub panelu (ilustracja 5).

Ilustracja 5: przykład złącza grodziowego SMA, które można zamontować na panelu, w celu przeprowadzenia przezeń połączenia koncentrycznego. (Źródło ilustracji: Amphenol RF)

Złącza cylindryczne można konfigurować w układzie gniazdo - gniazdo, wtyczka - wtyczka lub rzadziej wtyczka - gniazdo.

Zakończenia

Szeregowe podłączanie wielu przyrządów wejściowych o wysokiej impedancji do źródła 50Ω wymaga zakończenia 50Ω (ilustracja 6).

Ilustracja 6: przy łączeniu kilku urządzeń wejściowych o wysokiej impedancji ze źródłem 50Ω wymagane jest zewnętrzne zakończenie 50Ω, aby zapobiec odbiciom w liniach koncentrycznych. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Zakończenie 50Ω 202120 firmy Amphenol RF jest przykładem zakończenia koncentrycznego skonfigurowanego jako gniazdo BNC (ilustracja 7).

Ilustracja 7: zakończenie 50Ω 202120 firmy Amphenol RF skonfigurowane jako gniazdo BNC. (Źródło ilustracji: Amphenol RF)

Kabel koncentryczny można podłączyć bezpośrednio do gniazda BNC. Istnieją również zakończenia w postaci wtyczek BNC pasujących do gniazda BNC. Są one przydatne w przypadku zakończenia przyrządu bezpośrednio na jego panelu czołowym. Chociaż w większości oscyloskopów dostępne są wejścia zarówno wysokiej impedancji, jak i 50Ω, to w przypadku wejść oscyloskopowych o impedancji 50Ω obowiązuje ograniczenie napięcia, zwykle 5V. Oscyloskopy mają również ograniczenie mocy do 0,5W na wejściach 50Ω. Parametry znamionowe zakończenia 202120 to 1W i napięcie ponad 7V.

Dostępne są również zakończenia dla innych impedancji. Na przykład zakończenia 75Ω są powszechnie używane w zastosowaniach telewizyjnych i wideo. Podczas kalibracji analizatorów sieciowych stosowane są zakończenia zero Ω lub zwarciowe.

Blokady prądu stałego i trójniki polaryzacyjne

Blokada prądu stałego to adapter koncentryczny, który blokuje sygnały prądu stałego i przepuszcza sygnały o częstotliwościach radiowych (RF). Chroni ona wrażliwe komponenty RF przed prądem stałym, który jest blokowany przez kondensator. Istnieją trzy typy blokad prądu stałego:

• Wewnętrzna blokada prądu stałego wykorzystuje pojedynczy kondensator połączony szeregowo z wewnętrzną lub centralną żyłą kabla koncentrycznego
• Zewnętrzna blokada prądu stałego wykorzystuje kondensator połączony szeregowo z przewodzącym ekranem kabla koncentrycznego
• Wewnętrzno-zewnętrzna blokada prądu stałego posiada kondensatory połączone szeregowo zarówno z żyłą wewnętrzną, jak i zewnętrzną

Wszystkie typy blokad prądu stałego posiadają określone impedancje charakterystyczne, zwykle 50 lub 75Ω. Urządzenie CBLK-300-3 firmy Crystek Corporation jest blokadą prądu stałego na żyle wewnętrznej o impedancji 50Ω, która przepuszcza sygnały o częstotliwościach od 300kHz do 3GHz, blokując jednocześnie prąd stały o napięciu do 16V, charakteryzującą się niską tłumiennością wtrąceniową i stratami odbiciowymi w zakresie częstotliwości roboczych (ilustracja 8).

Ilustracja 8: urządzenie CBLK-300-3 firmy Crystek blokuje sygnały prądu stałego i przepuszcza sygnały o częstotliwościach od 300kHz do 3GHz. (Źródło ilustracji: Crystek Corporation)

Trójniki polaryzacyjne

Trójnik polaryzacyjny jest podobny do blokady prądu stałego. Jest to adapter z trzema portami, w którym do jednego portu doprowadzone jest zasilanie prądem stałym. Drugi port łączy polaryzację prądu stałego z sygnałem o częstotliwości radiowej (RF) pochodzącym z izolowanego portu RF (ilustracja 9).

Ilustracja 9: trójnik polaryzacyjny posiada trzy porty: jeden do przyłożenia polaryzacji prądu stałego, drugi jest izolowanym portem częstotliwości radiowych (RF), a trzeci port łączy sygnał RF z polaryzacją prądu stałego. (Źródło ilustracji: Crystek Corporation)

Trójniki polaryzacyjne służą do zasilania prądem stałym oddalonych urządzeń elektronicznych takich jak np. wzmacniacz niskoszumny (LNA) zamontowany na antenie, jednocześnie zapewniając port wolny od prądu stałego do podłączenia odbiornika częstotliwości radiowych (RF). Polaryzacja prądu stałego jest przykładana przez szeregową cewkę indukcyjną, która zapobiega przekazywaniu częstotliwości radiowych do źródła prądu stałego. Podobnie jak w przypadku blokady prądu stałego, port częstotliwości radiowych (RF) jest izolowany od wejścia prądu stałego przez szeregowy kondensator. Port łączony przepuszcza obie składowe, czyli częstotliwości radiowe (RF) i prąd stały.

Urządzenie BTEE-01-50-6000 firmy Crystek Corporation jest trójnikiem polaryzacyjnym o szerokości pasma częstotliwości radiowych (RF) od 50MHz do 6GHz, wykorzystującym gniazda SMA. Port częstotliwości radiowych (RF) przyjmuje sygnały RF o maksymalnym poziomie mocy 2W. Port prądu stałego przyjmuje na wejściu napięcie maksymalnie 16V=. Tłumienność wtrąceniowa trójnika polaryzacyjnego zwykle wynosi 0,5dB dla częstotliwości 2GHz. W praktycznym zastosowaniu port łączący składowe częstotliwości radiowych (RF) i prądu stałego (RF+DC) jest połączony ze wzmacniaczem niskoszumnym (LNA) i anteną. Źródło zasilania prądem stałym jest połączone z portem prądu stałego (DC), a odbiornik jest połączony z portem częstotliwości radiowych (RF).

Filtry liniowe

Innym przydatnym adapterem koncentrycznym jest filtr liniowy. Filtry dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe i pasmowo-przepustowe są dostępne dla typów złączy typu BNC lub SMA. Służą one do kontrolowania widma sygnału przesyłanego przez kabel. Na przykład, aby zmierzyć efektywną liczbę bitów w przetworniku analogowo-cyfrowym (ADC), między generatorem sygnału i przetwornikiem ADC należy umieścić filtr dolnoprzepustowy. Filtr tłumi poziomy częstotliwości harmonicznych generatora, w ten sposób znacznie poprawiając dokładność pomiaru. Dzięki temu można korzystać z tańszych generatorów sygnału.

Dobrym przykładem takiego urządzenia jest filtr dolnoprzepustowy 7 rzędu CLPFL-0100 firmy Crystek o częstotliwości granicznej 100MHz (ilustracja 10).

Ilustracja 10: CLPFL-0100 jest siedmiobiegunowym filtrem dolnoprzepustowym 100MHz, włączanym liniowo w kablu SMA. (Źródło ilustracji: Crystek Corporation)

Druga harmoniczna sygnału wejściowego 100MHz będzie tłumiona o 30dB, a wyższa o ponad 60dB. Gdyby generator sygnału w powyższym przykładzie miał specyfikację poziomu harmonicznych -66dB, filtr ograniczyłby go do poziomu poniżej -96dB.

Ochronniki przeciwprzepięciowe

Ochronniki przeciwprzepięciowe, czasami nazywane odgromnikami, chronią wrażliwą elektronikę przed udarami stanów nieustalonych, takimi jak uderzenie pioruna. Może to być realizowane za pomocą przerw iskrowych, iskierników gazowych lub diod, które ulegają awarii elektrycznej w celu rozładowania przepięć do masy, zanim chronione urządzenia ulegną uszkodzeniu.

Urządzenie LP-GTR-NFF firmy Amphenol Time Microwave Systems jest liniowym ochronnikiem przeciwprzepięciowym ze złączem typu N, w którym zastosowano wymienny iskiernik gazowy. Iskiernik ulega awarii przy napięciach prądu stałego przekraczających ±90V/20A i wytrzymuje udary do 50W. Ten wbudowywany w linię ochronnik ma szerokość pasma od zera do 3GHz przy tłumienności wtrąceniowej 0,1dB do 1GHz i 0,2dB do 3GHz (ilustracja 11).

Ilustracja 11: ochronnik przeciwprzepięciowy LP-GTR-NFF firmy Amphenol Times Microwave Systems jest urządzeniem liniowym ze złączem typu N służącym do ochrony linii koncentrycznych przed udarami stanów nieustalonych do 50W. (Źródło ilustracji: Amphenol Times Microwave Systems)

Ochronniki przeciwprzepięciowe są zwykle montowane na wspornikach kątowych L, które są połączone elektrycznie i mechanicznie z uziemieniem o niskiej impedancji za pomocą grubych żył o niskiej indukcyjności. Należy zauważyć, że jakość połączenia z ziemią ma wpływ na parametry działania ochronnika przeciwprzepięciowego.

Tłumiki liniowe

Tłumiki liniowe ograniczają poziom mocy sygnału bez zniekształcania jego przebiegu. Koncentryczne wersje liniowe oferują stałe tłumienie i są dostępne z dużą liczbą typów złączy i konfiguracji wtyczek i gniazd.

Urządzenie CATTEN-03R0-BNC firmy Crystek Corporation jest tłumikiem 3dB, 50Ω ze złączem BNC o szerokości pasma od 0 do 1GHz i mocy znamionowej 2W (ilustracja 12). Jest to jeden z trzynastu modeli tłumików dostępnych w tej grupie produktów o tłumieniu od 1 do 20dB.

Ilustracja 12: urządzenie CATTEN-03RO-BNC firmy Crystek jest koncentrycznym tłumikiem liniowym 3dB ze złączem BNC o szerokości pasma od 0 do 1GHz. (Źródło ilustracji: Crystek Corporation)

Tłumiki liniowe oczywiście służą do obniżania poziomu mocy sygnału, ale mniej oczywiste jest to, że służą one również do zapewnienia izolacji pomiędzy impedancjami w urządzeniach połączonych szeregowo, jak również do zmniejszenia niedopasowania impedancji i niepożądanych odbić.

Rozważmy wstawienie dopasowanego tłumika 3dB przed odbiornikiem o niedopasowanej impedancji. Sygnał wejściowy tłumika przechodzący do niedopasowanego odbiornika jest obniżany przez tłumik o 3dB. Zakładając, że niedopasowanie jest obwodem otwartym, cały sygnał jest odbijany na odbiorniku z powrotem przez tłumik, gdzie na wejściu tłumika występuje kolejne 3dB straty. Straty odbiciowe na wejściu tłumika są poprawiane o 6dB. Niedopasowanie obserwowane na wejściu tłumika ulega poprawie o wartość równą dwukrotnej wartości tłumika - w tym przypadku całkowita redukcja wynosi 6dB.

Technika ta ma tę wadę, że amplituda przechodzącego sygnału zostaje zmniejszona o 3dB, co musi być skompensowane w innym miejscu sieci. W tym zastosowaniu dobrze sprawdziłby się tłumik CATTEN-03R0-BNC firmy Crystek.

Podsumowanie

Przy podłączaniu przyrządów lub innych urządzeń za pomocą adapterów koncentrycznych, projektanci i inni użytkownicy urządzeń muszą być zaznajomieni z podstawami linii przesyłowych. Po ich zrozumieniu, użytkownicy mogą lepiej wykorzystywać omówione, bardzo użyteczne komponenty w szerokiej gamie zastosowań, obejmującej zmianę typu złącza i impedancji charakterystycznej, rozgałęzienie sygnału, filtrowanie, ochronę przeciwprzepięciową, tłumienie sygnału oraz kontrolę i izolację prądu stałego.