Linha de transmissão e RF

Sinais de RF da vida real
As interconexões de alta frequência requerem uma consideração especial, porque geralmente se comportam não como fios comuns, mas como linhas de transmissão.

Em sistemas de baixa frequência, os componentes são conectados por fios ou traços de PCB. A resistência desses elementos condutores é baixa o suficiente para ser desprezível na maioria das situações.

Esse aspecto do projeto e análise do circuito muda drasticamente à medida que a frequência aumenta. Os sinais de RF não trafegam pelos fios ou traços de PCB da maneira direta que esperamos, com base em nossa experiência com circuitos de baixa frequência.

A linha de transmissão
O comportamento das interconexões de RF é muito diferente daquele dos fios comuns que transmitem sinais de baixa frequência - tão diferentes que são usadas terminologias adicionais: uma linha de transmissão é um cabo (ou simplesmente um par de condutores) que deve ser analisado de acordo com às características da propagação do sinal de alta frequência.

Primeiro, vamos esclarecer duas coisas:
Cabo x rastreamento
"Cabo" é uma palavra conveniente, mas imprecisa, neste contexto. O cabo coaxial é certamente um exemplo clássico de uma linha de transmissão, mas os traços de PCB também funcionam como linhas de transmissão. A linha de transmissão "microstrip" consiste em um traço e um plano de terra próximo, como segue:

A linha de transmissão “stripline” consiste em um traço de PCB e dois planos de terra:




As linhas de transmissão de PCB são particularmente importantes porque suas características são controladas diretamente pelo projetista. Quando compramos um cabo, suas propriedades físicas são fixas; simplesmente coletamos as informações necessárias na folha de dados. Ao montar uma placa de circuito impresso de RF, podemos personalizar facilmente as dimensões - e, portanto, as características elétricas - da linha de transmissão de acordo com as necessidades da aplicação.

O critério da linha de transmissão
Nem toda interconexão de alta frequência é uma linha de transmissão; esse termo refere-se principalmente à interação elétrica entre sinal e cabo, não à frequência do sinal ou às características físicas do cabo. Então, quando precisamos incorporar os efeitos da linha de transmissão em nossa análise?

A idéia geral é que os efeitos da linha de transmissão se tornem significativos quando o comprimento da linha for comparável ou maior que o comprimento de onda do sinal. Uma diretriz mais específica é um quarto do comprimento de onda:

* Se o comprimento da interconexão for menor que um quarto do comprimento de onda do sinal, a análise da linha de transmissão não será necessária. A interconexão em si não afeta significativamente o comportamento elétrico do circuito.

* Se o comprimento da interconexão for maior que um quarto do comprimento de onda do sinal, os efeitos da linha de transmissão se tornarão significativos e a influência da própria interconexão deverá ser levada em consideração.

Lembre-se de que o comprimento de onda é igual à velocidade de propagação dividida pela frequência:

Se assumirmos uma velocidade de propagação de 0.7 vezes a velocidade da luz, teremos os seguintes comprimentos de onda:


 

Os limites correspondentes da linha de transmissão são os seguintes:


 

Portanto, para frequências muito baixas, os efeitos da linha de transmissão são desprezíveis. Para frequências médias, apenas cabos muito longos requerem consideração especial. Entretanto, em 1 GHz, muitos traços de PCB devem ser tratados como linhas de transmissão e, à medida que as frequências sobem às dezenas de gigahertz, as linhas de transmissão se tornam onipresentes.

Impedância característica
A propriedade mais importante de uma linha de transmissão é a impedância característica (indicada por Z0). No geral, este é um conceito bastante direto, mas inicialmente pode causar confusão.

Primeiro, uma observação sobre terminologia: "Resistência" refere-se à oposição a qualquer fluxo de corrente; não depende da frequência. "Impedância" é usada no contexto de circuitos CA e geralmente se refere a uma resistência dependente da frequência. No entanto, às vezes usamos "impedância", onde "resistência" seria teoricamente mais apropriada; por exemplo, podemos nos referir à “impedância de saída” do circuito puramente resistivo.

Portanto, é importante ter uma idéia clara do que entendemos por "impedância característica". Não é a resistência do condutor de sinal dentro do cabo - uma impedância característica comum é de 50 Ω e uma resistência CC de 50 Ω para um cabo curto seria absurdamente alta. Aqui estão alguns pontos importantes que ajudam a esclarecer a natureza da impedância característica:

A impedância característica é determinada pelas propriedades físicas da linha de transmissão; no caso de um cabo coaxial, é uma função do diâmetro interno (D1 no diagrama abaixo), do diâmetro externo (D2) e da permissividade relativa do isolamento entre os condutores interno e externo.

A impedância característica não é uma função do comprimento do cabo. Está presente em toda parte ao longo do cabo, porque resulta da capacitância e indutância inerentes ao cabo.

 

Neste diagrama, indutores e capacitores individuais são usados ​​para representar a capacitância e a indutância distribuídas que estão continuamente presentes em todo o comprimento do cabo.
 

* Na prática, a impedância de uma linha de transmissão não é relevante em CC, mas uma linha de transmissão teórica de comprimento infinito apresentaria sua impedância característica mesmo a uma fonte de CC, como uma bateria. Esse é o caso, porque a linha de transmissão infinitamente longa consumia perpetuamente a corrente na tentativa de carregar seu suprimento infinito de capacitância distribuída, e a razão entre a tensão da bateria e a corrente de carregamento seria igual à impedância característica.

* A impedância característica de uma linha de transmissão é puramente resistiva; nenhuma mudança de fase é introduzida e todas as frequências de sinal se propagam na mesma velocidade.

 * Teoricamente, isso é verdade apenas para linhas de transmissão sem perdas - ou seja, linhas de transmissão que têm resistência zero ao longo dos condutores e resistência infinita entre os condutores. Obviamente, essas linhas não existem, mas a análise de linhas sem perdas é suficientemente precisa quando aplicada a linhas de transmissão de baixa perda na vida real.

Reflexões e correspondência
A impedância de uma linha de transmissão não se destina a restringir o fluxo de corrente da maneira que um resistor comum faria. A impedância característica é simplesmente um resultado inevitável da interação entre um cabo composto por dois condutores nas proximidades. A importância da impedância característica no contexto do projeto de RF reside no fato de que o projetista deve corresponder às impedâncias para evitar reflexões e obter a máxima transferência de potência. Isso será discutido na próxima página.

Resumo

* Uma interconexão é considerada uma linha de transmissão quando seu comprimento é pelo menos um quarto do comprimento de onda do sinal.

* Cabos coaxiais são comumente usados ​​como linhas de transmissão, embora os traços de PCB também atendam a esse propósito. Duas linhas de transmissão de PCB padrão são a microtira e a tira de linha.

* As interconexões de PCB são tipicamente curtas e, conseqüentemente, não exibem comportamento da linha de transmissão até que as frequências de sinal se aproximem de 1 GHz.

* A relação tensão / corrente em uma linha de transmissão é referida como impedância característica. É uma função das propriedades físicas do cabo, embora não seja afetado pelo comprimento, e para linhas idealizadas (sem perdas) é puramente resistivo.

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