Ymmärrä koaksiaalisovitinten perusteet, jotta osaat käyttää paremmin näitä erittäin hyödyllisiä komponentteja.

Monet elektroniset mittauslaitteet lähettävät ja vastaanottavat elektronisia signaaleja korkealla taajuudella. Koaksiaaliliitännät ovat tuttuja tällaisten laitteiden käyttäjille, sillä niitä käytetään runsaasti. Niitä käytetään niin paljon, että tällaisia liitäntätyyppejä pidetään itsestäänselvyyksinä – kunnes tulee hetki, jolloin useita laitteita pitää liittää yhteen tai koaksiaalikaapeleita täytyy pidentää. Tässä tilanteessa suunnittelijat ja muut laitteiden käyttäjät voivat hyödyntää sovittimia. Mutta sitä ennen heidän täytyy ymmärtää täysin kunkin mahdollisen sovitintyypin vaikutukset ja ominaisuudet.

Sovittimia on saatavana laaja valikoima hyvästä syystä. ”T-kappaleet” liittävät yksittäisen signaalilähteen moniin laitteisiin, kun taas ”holkit” pidentävät koaksiaalikaapeliyhteyksiä. Lisäksi on DC-estäjiä, bias-T-kappaleita, impedanssipadeja, ylijännitesuojia ja päätevastuksia – kaikkia niistä käytetään yleisesti, mutta ei aina ymmärretä täysin. Näiden sovittimien oikeaoppinen käyttö edellyttää perustietämystä siirtojohdoista ja huolellisuutta niiden valinnassa.

Tämä artikkeli tarjoaa lyhyen yleiskatsauksen siirtojohtoihin. Sen jälkeen artikkelissa esitellään erityyppisiä koaksiaalisovittimia, kuvaillaan niiden toimintatapoja ja näytetään niiden parhaat käyttötavat. Käytännön esimerkkeinä käytetään malleja yrityksiltä Amphenol RF, Amphenolin Times Microwave Systems ja Crystek Corporation.

Mitä siirtojohdot ovat?

Siirtojohdot liittävät signaalilähteen kuormaan esimerkiksi koaksiaalikaapelien, lattakaapelien tai mikroliuskajohtojen välityksellä. Siirtojohdoilla on ominaisimpedanssi, jonka määrittää johdinten fyysiset mitat, niiden etäisyydet ja johdinten eristykseen käytettävä dielektrinen materiaali. Koaksiaalikaapelien yleisin ominaisimpedanssi on 50 ohmia (W) yleisiin RF-töihin tai 75 W videosovelluksiin.

Lähteen impedanssin, siirtojohdon ominaisimpedanssin ja kuormitusimpedanssin pitäisi olla sovitettu toisiinsa, jotta teho siirtyisi lähteestä kuormaan mahdollisimman tehokkaasti. Jos impedanssit ovat erilaisia, osa energiasta heijastuu sovittamattomasta liitoksesta pois. Jos esimerkiksi kuormitusimpedanssi poikkeaa lähteen ja siirtojohdon impedanssista, silloin energia heijastuu kuormasta takaisin lähteeseen (kuva 1).

Kuva 1: Koaksiaalijohto sovittamattomalla kuormalla heijastaa energiaa takaisin kuormasta lähteeseen ja luo seisovia aaltoja siirtoreitille. (Kuvan lähde: DigiKey)

Tulevat ja heijastuneet aallot yhdistyvät additiivisesti siirtoreitillä ja muodostavat seisovia aaltoja, joiden amplitudi vaihtelee jaksoittain reitin fyysisellä pituudella. Seisovat aallot aiheuttavat mittausvirheitä ja voivat johtaa komponenttien vaurioitumiseen. Lähteen, siirtojohdon ja kuorman impedanssien yhteensovittaminen estää seisovien aaltojen syntymistä ja myötävaikuttaa siten tehon mahdollisimman tehokkaaseen siirtoon lähteestä kuormaan.

Impedanssin yhteensovitusvaatimusten vuoksi on tärkeää käyttää sopivaa sovitinta. Mutta kuten suunnittelija pian huomaa, on olemassa paljon erilaisia sovittimia, jotka sisältävät usein muita toimintoja perusliitännän muodostamisen ohella.

T-sovittimet

Ajatellaanpa peruslaitejärjestelmää, joka koostuu yhdestä lähteestä, oskilloskoopista ja spektrianalysaattorista (kuva 2).

Kuva 2: Kolmen laitteen liittäminen tässä esimerkissä T-sovitinta käyttämällä edellyttää oskilloskoopin tuloimpedanssin säätöä signaalilähteen impedanssieron estämiseksi. (Kuvan lähde: DigiKey)

Signaalilähteen lähtöimpedanssi on 50 Ω, ja se on tarkoitettu käytettäväksi 50 Ω:n kuormassa. Jos T-sovitinta käytetään oskilloskoopin ja spektrianalysaattorin liittämiseen ja kumpikin on asetettu 50 Ω:n impedanssiarvoon, signaalilähde näkee 25 Ω:n kuorman, jolloin sen teho laskee ja kaapeleihin syntyy seisovia aaltoja. Salaisuutena on tällöin asettaa laite koaksiaalireitin keskellä korkeaan tuloimpedanssiarvoon ja laite koaksiaalireitin kauemmassa päässä 50 Ω:n tuloimpedanssiarvoon kuvan mukaisesti. Signaalilähde näkee tämän 50 Ω:n kuormana ja kaikki on hyvin.

Amphenol RF 112461 (kuva 3) on BNC-T-kappale yhdellä BNC-pistotulpalla, kahdella BNC-jakilla ja 4 gigahertsin (GHz) kaistanleveydellä. Sitä voidaan käyttää esimerkissämme näytettävässä konfiguroinnissa laitteille, joiden kaistanleveydet ovat alle 4 GHz.

Kuva 3: Amphenolin 112461 BNC-T-kappale tarjoaa 4 GHz:n kaistanleveyden. Kuvassa 1 näkyvässä esimerkissä pistotulppa on liitetty oskilloskoopin tuloon ja koaksiaalikaapelit on liitetty BNC-jakeista signaalilähteeseen ja spektrianalysaattoriin. (Kuvan lähde: Amphenol RF)

T-kappaleen tyyppi riippuu laitteissa käytettävistä liittimistä ja perustuu kyseisten laitteiden kaistanleveyksiin. T-kappaleiden kaltaisia koaksiaaliadaptereita ei ole yleensä saatavilla yli 40 GHz:n kaistanleveyksille, koska tällaisilla taajuuksilla signaalihäviöt muodostuvat ongelmaksi sovittimissa. Kuvassa on luettelo yleisistä laitekoaksiaaliliittimistä, joille on yleensä saatavilla sovittimia, ja niiden keskeisistä ominaisuuksista (taulukko 1).

Taulukko 1: Yleiset koaksiaaliliitinperheet, joille on saatavilla sovittimia. Sovittimia ei voi käyttää yli 40 GHz:n taajuuksilla niiden häviöiden vuoksi. (Taulukon lähde: DigiKey)

Liitinperheen sovittimet

Useita liitintyyppejä käytettäessä jokin liitintyyppi täytyy pystyä muuntamaan toiseksi. Ajatellaanpa SMA-kaapelin kytkemistä oskilloskoopin tai spektrianalysaattorin BNC-tuloliittimeen. Amphenol RF 242103 tarjoaa tätä tilannetta varten BNC-pistotulpan laitteeseen liitäntää ja SMA-jakin SMA-kaapeliin liitäntää (kuva 4) varten.

Kuva 4: A BNC-SMA-sovitin sopii BNC-pistotulpan ja SMA-pistotulpan väliin. Sitä voidaan tarvita esimerkiksi SMA-kaapelin liittämiseen laitetuloon. (Kuvan lähde: Amphenol RF)

Laitteen käyttäjien tulee muistaa, että sovittimia käytettäessä liitoksen kaistanleveys laskee näiden kahden liitinperheen alempaan kaistanleveyteen. BNC-SMA-sovittimen tapauksessa kaistanleveys on BNC:stä tuleva 4 GHz

Myös sellaisia sovittimia on olemassa, jotka tarjoavat impedanssimuutoksia 50 ohmista 75 ohmiin ja päinvastoin.

Holkki- ja laipiosovittimet

Kaapeleiden pidentäminen tai kaapelin vienti paneelin läpi edellyttää suoran (holkki) tai laipiosovitinten käyttöä. Niitä on saatavilla taulukossa 1 näkyville liitinperheille. Yksi esimerkki on Amphenol RF 132170 -laipioliitin, jossa on kaksi SMA-jakkia, joihin kaapelit voidaan liittää SMA-pistotulpilla laipion tai paneelin kummaltakin puolelta (kuva 5).

Kuva 5: Esimerkki SMA-laipioliittimestä, joka voidaan asentaa paneeliin koaksiaaliliitännän viemiseksi sen läpi. (Kuvan lähde: Amphenol RF)

Holkkiliittimet voidaan konfiguroida jakista jakkiin tai pistotulpasta pistotulppaan ja harvemmissa tapauksissa pistotulpasta jakkiin.

Päätevastukset

Useiden korkean impedanssin tulolaitteiden liittäminen sarjaan 50 Ω:n lähteestä edellyttää 50 Ω:n päätevastusta (kuva 6).

Kuva 6: Kun useita korkean impedanssin tulolaitteita liitetään 50 Ω:n lähteeseen, tarvitaan ulkoinen 50 Ω:n päätevastus koaksiaalijohtojen heijastumisen estämiseksi. (Kuvan lähde: DigiKey)

50 Ω:n Amphenol RF 202120 -päätevastus on esimerkki BNC-jakiksi konfiguroidusta koaksiaalisesta päätevastuksesta (kuva 7).

Kuva 7: Amphenol RF 202120 on BNC-jakiksi konfiguroitu 50 Ω:n päätevastus. (Kuvan lähde: Amphenol RF)

Koaksiaalikaapeli voidaan liittää suoraan BNC-jakkiin. On myös BNC-pistotulppien muodossa olevia päätevastuksia, jotka sopivat yhteen BNC-jakin kanssa. Ne ovat hyödyllisiä kun päätevastus halutaan liittää suoraan laitteen etupaneeliin. Vaikka useimmat oskilloskoopit tarjoavat sekä korkean impedanssin että 50 Ω:n tulot, niiden 50 Ω:n tuloilla on jänniteraja, yleensä 5 V. Oskilloskooppien 50 Ω:n tuloihin pätee myös 0,5 W:n tehoraja. 202120:n nimellisteho on 1 W ja se voi käsitellä yli 7 V:n jännitteitä.

Päätevastuksia on saatavilla myös muille impedansseille. Esimerkiksi televisio- ja videosovelluksissa käytetään yleisesti 75 Ω:n päätevastuksia. Nollan Ω:n tai oikosulkupäätevastuksia käytetään verkkoanalysaattoreita kalibroitaessa.

DC-estäjät ja bias-T-kappaleet

DC-estäjä on koaksiaalisovitin, joka estää tasavirtasignaalit ja päästää RF-signaalit läpi. Sillä suojataan herkkiä RF-komponentteja tasavirralta, joka estetään kondensaattorilla. DC-estäjiä on kolmea tyyppiä:

• Sisäinen DC-estäjä käyttää yhtä kondensaattoria sarjassa koaksiaalikaapelin sisä- tai keskijohtimen kanssa
• Ulkoisessa DC-estäjässä kondensaattori on sarjassa koaksiaalikaapelin suojajohtimen kanssa
• Sisäisessä/ulkoisessa DC-estäjässä on kondensaattorit sarjassa sekä sisä- että ulkojohtimen kanssa

Kaikki DC-estäjätyypit on tarkoitettu tietyille ominaisimpedansseille, yleensä 50 tai 75 Ω. Crystek Corporationin CBLK-300-3 on 50 Ω:n DC-sisäjohdinestäjä, joka päästää läpi signaalit taajuuksilla 300 kilohertsistä (kHz) 3 GHz:iin. Se estää enintään 16 V:n DC-tasot alhaisilla kytkentä- ja paluuhäviöillä käyttötaajuusalueellaan (kuva 8).

Kuva 8: Crystek CBLK-300-3 estää DC:n ja päästää läpi signaalit, joiden taajuus on 300 kHz – 3 GHz. (Kuvan lähde: Crystek Corporation)

Bias-T-kappale

Bias-T-kappale liittyy DC-estäjään. Se on kolmiporttinen sovitin, jossa DC-jännite kytketään yhteen porttiin. Toinen portti yhdistää DC-esijännitteen eristetystä RF-portista tulevaan RF-signaaliin (kuva 9).

Kuva 9: Bias-T-kappaleessa on kolme porttia: yksi DC-esijännitteelle, toinen on eristetty RF-portti ja kolmas yhdistää RF-signaalin ja DC-esijännitteen. (Kuvan lähde: Crystek Corporation)

Bias-T-kappaleita käytetään DC-virran syöttöön matkan päässä olevaan elektroniikkaan, esimerkkinä antenniin asennettu pienikohinainen vahvistin (LNA). Ne tarjoavat portin ilman DC-jännitettä RF-vastaanottimen liittämiseksi. DC-esijännite tuodaan sarjainduktorin kautta, joka estää RF-taajuuksien pääsyn DC-lähteeseen. Kuten DC-estäjässä, vain RF-taajuuksia sisältävä portti on eristetty DC-tulosta sarjakondensaattorilla. Yhdistetty portti päästää läpi sekä RF- että DC-komponentit.

Crystek Corporationin BTEE-01-50-6000 on bias-T-kappale RF-kaistanleveydellä 50 MHz – 6 GHz ja siinä käytetään SMA-jakkeja. RF-portti hyväksyy RF-signaalin enimmäisteholtaan 2 W. DC-portin maksimi DC-tulo on 16 V. Bias-T-kappaleen väliinkytkentävaimennus on tyypillisesti 0,5 desibeliä (dB) taajuudella 2 GHz. Käytön aikana RF+DC-portti liitetään pienikohinaiseen vahvistimeen ja antenniin. DC-virtalähde liitetään DC-porttiin ja vastaanotin liitetään RF-porttiin.

Linjasuodattimet

Toinen hyödyllinen koaksiaalisovitin on linjasuodatin. BNC- ja SMA-liitintyypeille on saatavilla alipäästö-, ylipäästö- ja kaistapäästösuodattimia. Niitä käytetään kaapelilla siirrettävän signaalin spektrin hallintaan. Esimerkiksi A/D-muuntimen (ADC) bittien todellisen määrän mittauksessa alipäästösuodatin liitettäisiin signaaligeneraattorin ja ADC:n väliin. Suodatin vaimentaa generaattorin harmonisia tasoja ja parantaa siten huomattavasti mittaustarkkuutta. Tämä mahdollistaa edullisemman signaaligeneraattorin käytön.

Hyvä esimerkki tällaisesta laitteesta on Crystekin CLPFL-0100, joka on 7. asteen 100 MHz:n alipäästösuodatin, jonka leikkaustaajuus on 100 MHz (kuva 10).

Kuva 10: CLPFL-0100 on 7-napainen, 100 MHz:n alipäästösuodatin asennettavaksi SMA-kaapeliin. (Kuvan lähde: Crystek Corporation)

100 MHz:n tulosignaalilla toista harmonista aaltoa vaimennetaan 30 dB ja sen korkeampaa harmonista aaltoa vaimennetaan enemmän kuin 60 dB. Jos esimerkissä olevalla signaaligeneraattorilla olisi harmonisen tason spesifikaationa -66 dB, suodatin alentaisi sen alle -96 dB.

Ylijännitesuojat

Ylijännitesuojat, joita kutsutaan joskus salamanpysäyttimiksi, suojaavat herkkiä elektroniikkalaitteita ylijännitetransienteilta, esimerkkinä salamat. Tämä voidaan toteuttaa kipinäväleillä, kaasuputkilla tai diodeilla, jotka purkavat jännitepiikin maahan ennen kuin ne voivat vahingoittaa suojattuja laitteita.

Amphenol Time Microwave Systemsin LP-GTR-NFF on N-tyypin liitintä käyttävä johtoon asennettava ylijännitesuoja, jossa käytetään vaihdettavaa kaasupurkausputkea. Putki laukeaa yli ±90 V:n DC-jännitteillä ja virralla 20 A. Se kestää jopa 50 W:n virtapiikkejä. Se asennetaan johtoon ja sen kaistanleveys on DC – 3 GHz. Sen kytkentähäviö on 0,1 dB taajuuteen 1 GHz saakka ja 0,2 dB taajuuteen 3 GHz saakka (kuva 11).

Kuva 11: Amphenol Times Microwave Systemsin jännitesuoja LP-GTR-NFF on johtoon asennettava N-liitin, jota käytetään koaksiaalijohtojen suojaukseen ylijännitetransienteilta 50 W:iin saakka. (Kuvan lähde: Amphenol Times Microwave Systems)

Ylijännitesuojat asennetaan yleensä L-kiinnikkeisiin, jotka liitetään sähköisesti ja mekaanisesti alhaisen impedanssin maahan suuria, alhaisen induktanssin johtimia käyttämällä. On tärkeää huomata, että maadoitusliitännän laatu vaikuttaa ylijännitesuojan suorituskykyyn.

Johtoon asennettavat vaimentimet

Vaimentimet laskevat signaalin tehotasoa signaalin aaltomuotoa vääristämättä. Koaksiaaliset johtoon asennettavat mallit tarjoavat kiinteän vaimennuksen, ja niitä on saatavilla lukuisina liitintyyppeinä erilaisina pistotulppa- ja jakkikonfiguraatioina.

Crystek Corporationin CATTEN-03R0-BNC on 3 dB:n ja 50 Ω:n BNC-vaimennin 0–1 GHz:n kaistanleveydellä ja 2 W:n nimellisteholla (kuva 12). Se on yksi kolmestatoista vaimenninmallista, joita tuotesarjassa on saatavilla vaimennuksilla 1–20 dB.

Kuva 12: Crystekin CATTEN-03RO-BNC on johtoon asennettava koaksiaalinen 3 dB:n BNC-vaimennin kaistanleveydellä 0–1 GHz. (Kuvan lähde: Crystek Corporation)

Johtoon asennettavia vaimentimia käytetään luonnollisestikin signaalin tehotason alennukseen, mutta niitä käytetään myös vähemmän ilmeisiin käyttötarkoituksiin: erotuksen luontiin sarjaan kytkettyjen laitteiden impedanssien välille sekä vähentämään impedanssiongelmia ja ei-haluttuja heijastuksia.

Esimerkkinä sovitetun 3 dB:n vaimentimen asennus sovittamattoman kuormitusimpedanssin eteen. Vaimennin alentaa tulosignaalia 3 dB sen edetessä sovittamattomaan kuormaan. Jos sovittamaton piiri on avoin piiri, silloin koko signaali heijastuu kuormasta ja kimmahtaa takaisin vaimentimen kautta, jolloin se vaimenee vielä 3 dB vaimentimen tulossa. Paluuhäviö paranee vaimentimen tulossa 6 dB. Vaimentimen tulossa havaittu impedanssiongelma paranee vaimentimen kaksinkertaista arvoa vastaavan määrän verran – tässä tapauksessa kokonaisvaimennus on 6 dB.

Tämän tekniikan huono puoli on se, että kuorman saapuvan signaalin amplitudi laskee 3 dB, mikä täytyy kompensoida muualla verkossa. Crystekin CATTEN-03R0-BNC toimisi hyvin tässä käyttötarkoituksessa.

Yhteenveto

Kun suunnittelijat ja muut laitteiden käyttäjät liittävät instrumentteja tai muita laitteita koaksiaalisovittimiin, heidän täytyy tuntea siirtojohtojen perusteet. Kun käyttäjät ymmärtävät nämä perusteet, he voivat hyödyntää paremmin näitä erittäin hyödyllisiä komponentteja niiden laajalla käyttömahdollisuusalueella, joihin sisältyvät liitintyyppien ja ominaisimpedanssien vaihto, signaalien haaroitus, suodatus, ylijännitesuojaus, signaalien vaimennus sekä DC-jännitteiden hallinta ja erotus.