Для чего предназначены согласованные коаксиальные нагрузки
Для передачи максимального количества энергии от источника к нагрузке, его сопротивление должно соответствовать импедансу источника. Необходимая мощность передается, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника. Это достигается путем сопоставления нагрузок. Это и есть согласованные коаксильные нагрузки.
Что такое коаксильность
Коаксильность означает наличие общей оси. В кабеле центральный проводник, окруженный изолятором, который, в свою очередь, оборачивается вторым проводником. Он называется щитом. Почти во всех случаях над ним располагается последняя внешняя изоляционная оболочка. Она защищает от повреждений и коррозии. Такая компоновка впервые применена в 1929 году. Но со временем она стала востребованной.
На высоких частотах сигнал передается, если длина кабеля превышает длину волны сигнала. Вместо движения электронов он передается как электромагнитная волна. Но на очень высоких частотах или на микроволнах коаксильные кабели не используются. В этом случае применяются волноводы. У них нет центрального проводника. Пример его действия – перенос энергии от магнетрона к камере приготовления микроволновой печи.
Важно учесть, что высокочастотные сигналы концентрируются на внешней стороне проводника. Из-за этого внутренняя часть остается незадействованной. Эта проблема решается использованием скрученных, но изолированных друг от друга проводов.
Сопротивление элементов определяется несколькими взаимосвязанными факторами, включая:
- наружный диаметр внутреннего проводника;
- внутренний диаметр внешнего проводника или щита;
- относительная диэлектрическая проницаемость;
- индуктивность на единицу длины;
- емкость на единицу длины.
Если известны последние 2 фактора, то комплексное электрическое сопротивление рассчитывается по следующей формуле:
Z0 = √ (L/C) Ом
В ней L – индуктивность, а C – емкость.
Формула может использоваться для расчета комплексного электрического сопротивления кабелей с витыми парами, а также параллельных конструкций. Кроме того, импеданс рассчитывается по диаметрам внешнего, внутреннего проводника, а также диэлектрической проницаемости.
Для уменьшения импеданса необходимо снизить индуктивность и увеличить емкость. Но нужно помнить, что элементы с низким комплексным электрическим сопротивлением могут стать причиной снижения стабильности работы системы.
Соответствие импеданса или комплексного электрического сопротивления
Несоответствие нагрузки и импедансов источника – распространенная проблема. Она решается подключением специализированного устройства или сопоставителя между источником и нагрузкой. Он может быть компонентом, схемой или частью оборудования. Такая схема позволяет применять различные технические решения для приведения в соответствие импеданса. Наиболее простые – 2 следующих способа:
- Использование трансформатора. В этом случае электрические сопротивления приводятся в соответствие за счет коэффициента поворота. Например, выходное сопротивление 300 Ом источника привода преобразуется трансформатором в 75 Ом для соответствия такой же нагрузке с коэффициентом поворота 2:1. Особенно эффективны трансформаторы с ферритовыми сердечниками.
- Раздел соответствия или Q-секция линии передачи. Тут импеданс 36 Ом вертикальной антенны соответствует выходному импедансу передатчика 75 Ом с коаксиальным кабелем 52 Ом.
Использование второго способа требует соблюдения условий. Кабель должен иметь соответствующее сопротивление. Наиболее распространенные значения: 50, 75, 93, 125 Ом. Длина кабеля должна соответствовать рабочей частоте для вычисления длины волны и коэффициента скорости. Описанные условия необходимо соблюдать только при использовании на низкочастотной технике.
Способы согласования коаксильных нагрузок
Для согласования используются сосредоточенный резистор, сопротивление которого аналогично волновому сопротивлению потока. Главное условие приведения в соответствие нагрузок – резистор должен быть в несколько раз меньше длины волны. На сантиметровых волнах это условие работает не так хорошо.
Еще один способ согласования – использование элементов из керамики. Это цилиндры, которые покрываются пленками на основе металлооксидных, углеродистых материалов. Их толщина подбирается так, чтобы частота не влияла на сопротивляемость.
Дополнительно керамические элементы комплектуются металлическими профилями определенного размера. Это делается для обеспечения стабильного сопротивления при нужной частотности. Но, если сопротивление линии и нагрузка совпадают, длина линии не имеет значения.
Для физического разделения внутреннего проводника и экрана используется диэлектрический материал. Он должен иметь стабильные следующие электрические характеристики в широком частотном диапазоне:
- Диэлектрическая проницаемость.
- Коэффициент рассеивания.
Чаще всего используется полиэтилен, полипропилен, фторированный этиленпропилен, тефлон. Полиэтилен и полипропилен стоят дешевле, отличаются относительно низкой устойчивостью к воздействию температуры. Максимальный нагрев материалов составляет 85º и 105º C. Тефлон и фторированный этиленпропилен выдерживают воздействие температуры до 200º C. Кроме того, они устойчивы к разрушающим внешним факторам и стоят дороже.
Для согласования нагрузок используются коаксильные разъемы. Они часто доступны в одном импедансе. Также важно подобрать соответствующий кабель. Например, нельзя использовать многожильный кабель с F-разъемом. Он предназначен для использования с кабелем RG-6/U или RG-59/U.
В Интернете есть информация о характеристиках материалов, специальные калькуляторы для расчета. Проблемы возникают с поиском значения диэлектрической проницаемости. Чтобы подобрать устройства, соответствующие характеристикам систем, воспользуйтесь услугами опытных специалистов.