Косой тройник

Тройник смещения — это трехпортовая сеть, используемая для установки точки смещения постоянного тока некоторых электронных компонентов, не нарушая работу других компонентов. Тройник смещения представляет собой диплексер . Низкочастотный порт используется для установки смещения; высокочастотный порт пропускает радиочастотные сигналы, но блокирует уровни смещения; комбинированный порт подключается к устройству, которое видит как смещение, так и RF. Его называют тройником , потому что три порта часто имеют Т- образную форму . ^[1]

Дизайн

Концептуально тройник смещения можно рассматривать как идеальный конденсатор , который пропускает переменный ток , но блокирует смещение постоянного тока , и идеальный дроссель , который блокирует переменный ток, но пропускает постоянный ток. Хотя некоторые тройники смещения могут быть изготовлены с использованием простого дросселя и конденсатора, широкополосные тройники смещения значительно сложнее, поскольку практические компоненты содержат паразитные элементы .

Тройники смещения предназначены для работы в линиях передачи. Обычно характеристическое сопротивление $Z$ _o будет составлять 50 Ом или 75 Ом. Сопротивление C конденсатора ( $X$ _{, а сопротивление} ) выбирается много меньше $Z$ _o дросселя ( $XL$ ₎ выбирается много больше $Z$ _o :

{\begin{aligned}X_{\text{C}}~&=~{\frac {1}{\omega C}}~=~{\frac {1}{2\pi fC}}~\ll ~Z_{\text{o}}~,\\\\X_{\text{L}}~&=~~\omega L~~=~~2\pi fL~~\gg ~Z_{\text{o}}~,\\\end{aligned}}

где $ω$ — угловая частота (в радианах в секунду), а $f$ — частота (в герцах ).

Тройники смещения предназначены для работы в диапазоне частот сигнала. Реактивные сопротивления выбираются так, чтобы оказывать минимальное влияние на самой низкой частоте.

Для тройников смещения широкого диапазона индуктивное сопротивление должно быть большим по величине даже на самой низкой частоте, следовательно, размеры дросселя должны быть большими по размеру. Большая катушка индуктивности будет иметь паразитную емкость (которая создает собственную резонансную частоту). На достаточно высокой частоте паразитная емкость представляет собой шунтирующий путь с низким импедансом для радиочастотного сигнала, и тройник смещения становится неэффективным. Практические широкополосные тройники смещения должны использовать сложную топологию схемы, чтобы избежать шунта. Вместо одного индуктора будет использована цепочка индукторов, соединенных последовательно, каждый со своей высокой резонансной частотой, в дополнение к общим между ними более низким составным резонансам. Для предотвращения резонансов будут установлены дополнительные резисторы и конденсаторы. ^[а]^[2] Например, тройник смещения модели 5580 компании Pico Second Pulse Labs работает в диапазоне от 10 кГц до 15 ГГц. ^[2]^{(стр. 3)} Следовательно, для простой конструкции потребуется индуктивность не менее 800 мкГн ( $XL$ _. около $j$ 50 Ом при 10 кГц), и эта дроссель все равно должна выглядеть как дроссель на частоте 15 ГГц Однако типичный коммерческий дроссель емкостью 820 мкГн имеет частоту собственного резонанса около 1,8 МГц, что на четыре порядка ниже. ^[3]

Джонсон приводит пример широкополосного микрополоскового тройника смещения, охватывающего диапазон от 50 кГц до 1 ГГц, с использованием четырех последовательных катушек индуктивности (330 нГн, 910 нГн, 18 мкГн и 470 мкГн). ^[4] Его дизайн позаимствован у коммерческой футболки с уклоном. Он смоделировал значения паразитных элементов, смоделировал результаты и оптимизировал выбор компонентов. Чтобы показать преимущества дополнительных компонентов, Джонсон смоделировал тройник смещения, в котором использовались только катушки индуктивности и конденсаторы без $подавления добротности$ . Джонсон предоставляет как смоделированные, так и фактические данные о производительности. ^[5] Жирарди продублировал и усовершенствовал дизайн Джонсона и указал на некоторые дополнительные проблемы конструкции. ^[6]

Приложение

Тройник смещения используется для подачи постоянного тока в переменного тока сигнал для питания удаленной антенны усилителей или других устройств. Обычно он располагается на приемном конце коаксиального кабеля для передачи мощности постоянного тока от внешнего источника к коаксиальному кабелю, идущему к питаемому устройству. Смещение «Т» состоит из питающего индуктора, подающего постоянный ток на разъем на стороне устройства, и блокирующего конденсатора, препятствующего прохождению постоянного тока на приемник . Радиочастотный . сигнал подключается напрямую от одного разъема к другому, последовательно подключая только блокирующий конденсатор Внутренний блокирующий диод предотвращает повреждение смещения «Т» при обратного напряжения подаче питания.

Тройники смещения используются в различных приложениях, но обычно используются для подачи радиочастотного сигнала и питания (постоянного тока) на удаленное устройство, где использование двух отдельных кабелей нецелесообразно. ^[7] Смещение часто используется с фотодиодами (вакуумными и твердотельными), микроканальными пластинчатыми детекторами , транзисторами и триодами , чтобы высокие частоты сигнала не просачивались в общую шину питания. И наоборот, шум от блока питания не появляется на сигнальной линии. Другие примеры включают в себя: Питание через Ethernet , ^[8]^[9] активные антенны, малошумящие усилители и понижающие преобразователи. ^[10]

Телефонная линия для старой телефонной связи и некоторые ранние микрофоны используют схему смещения тройника - часто с гиратором, заменяющим индуктор - это позволяет тонкому кабелю всего с двумя проводниками передавать питание от системы к устройству и передавать звук с устройство обратно в систему. В современных микрофонах часто используются 3 проводника в цепи фантомного питания , очень похожей на схему тройника смещения.

Строительство

Существует несколько конструкций диагональных тройников.

Особая конструкция

Конструкция турника Т основана на жестком коаксиальном кабеле с воздухом в качестве диэлектрика. Радиус выбирается как можно большим, не допуская высших мод. Схема смещения «Т» основана на том, что мощность поступает на удаленное устройство, но не видна базовой станции или приемнику. Это достигается за счет использования конденсатора на выходной клемме RF, эффективно создавая разомкнутую цепь для постоянного тока. ^[11] Входящий радиочастотный сигнал или сигнал от антенны является выходом постоянного тока. Этот входной каскад смещения «Т» обычно состоит из полосового фильтра , малошумящего усилителя и смесителя, соединенного с гетеродином. ^[11]

Конденсатор

В один момент у центрального проводника вырезается небольшой кусочек, в результате чего образуется конденсатор и блокируются низкие частоты. Преимущество этого типа конденсатора заключается в том, что он почти невидим для более высоких частот. Для пропускания частот до 1 МГц емкость необходимо увеличить. Диэлектрик, такой как NPO, увеличивает емкость в 65 раз. Толщина конденсатора должна быть минимальной, не приводя к электрическому пробою диэлектрика, это означает, что необходимо избегать любых пиков электрического поля, а это означает гладкие электроды с закругленными краями и диэлектрик, выступающий между электродами (конструкция дверной ручки). Можно использовать стопку конденсаторов, но каждому конденсатору необходим доступ к поверхности внутреннего проводника, потому что, если он спрятан за другим конденсатором, высокие частоты его не увидят, потому что электрическому полю требуется много времени, чтобы пройти через проводник. диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью

Катушка

Небольшая катушка из тонкой проволоки с воздушным сердечником или MnFeZn-сердечником соединяет внутренний проводник одной из сторон конденсатора с портом a внешнего проводника, идущего вниз по Т. Частоты выше 1 ГГц попадают на катушку сбоку. и приложите равное электрическое поле ко всей катушке. Следовательно, внутри катушки не возбуждаются высшие моды. Из-за индуктивности катушки утечка тока от центрального проводника к порту практически отсутствует. Частоты от 1 МГц до 1 ГГц проникают в этот порт, поэтому имеется вторая катушка с конусообразным сердечником снаружи внешнего проводника, но внутри корпуса, чтобы избежать помех другим компонентам. Этот конус действует как конический трансформатор линии передачи. Он начинается с высокого импеданса, поэтому большая часть мощности будет отражена, но остальная часть пройдет по катушке, и произойдет некоторая утечка в низкочастотный порт.

Колебания

Любые колебания в конденсаторе, катушке или составной LC-цепи гасятся диэлектриком и сердечником. Также небольшая катушка должна иметь сопротивление около 10 Ом, чтобы дополнительно демпфировать колебания и избежать пульсаций в передаваемом спектре.

См. также

Диплексер

Сноски

^ Нельзя использовать один индуктор для широкополосных тройников смещения. Таким образом, для широкополосных тройников смещения один дроссель $L,$ показанный на рисунке 1 , на самом деле представляет собой несколько дросселей, соединенных последовательно. Каждый индуктор оптимизирован для работы в различных диапазонах частот: от СВЧ, УВЧ, ОВЧ, ВЧ и СЧ до звуковых частот. СВЧ-индуктор наименьшего наногенри подключается непосредственно к центральному проводнику коаксиальной линии сопротивлением 50 Ом. Затем последовательно к порту постоянного тока подключаются катушки индуктивности все большего размера (от мкГн до мГн). Дополнительные $компоненты R$ , $L$ и $C$ также необходимы для обеспечения контролируемой $добротности$ и плавного перехода частоты от одного индуктора к другому. Таким образом, хороший широкополосный тройник смещения представляет собой очень сложную $сеть R-L-C$ . ^[2]^{[ нужна страница ]}

Ссылки

^ APITech. «Косиные футболки» . info.apitech.com . Проверено 19 июля 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Эндрюс, Джеймс Р. (ноябрь 2000 г.). Широкополосные коаксиальные тройники смещения (PDF) (Отчет). Примечание по применению. Том. АН-01э. Боулдер, Колорадо: Лаборатория пикосекундных импульсов. Архивировано из оригинала (PDF) 6 февраля 2012 г.
^ «Дроссель Тамура для поверхностного монтажа» . ДигиКей. Т1812-821J-ND.
^ Джонсон, Гэри В. (8 ноября 2008 г.), Широкополосная футболка смещения (PDF)
^ Джонсон, Гэри В. (2 мая 2008 г.). Косые тройники WB9JPS. Протестировано 5 февраля 2008 г. HP 8753B (PDF) (Отчет).
^ Жирарди, Клаудио (6 августа 2015 г.). «Широкополосный тройник смещения» .
^ Bias T для предусилителей для крепления антенны (PDF) , 2007 г. , получено 8 августа 2008 г.
^ Power Over Ethernet Bias T Power Module (PDF) , заархивировано из оригинала (PDF) 24 февраля 2008 г. , получено 8 августа 2008 г.
^ PoE — сомнительная футболка с уклоном. Включение мощности в конце диапазона осуществляется путем подачи синфазного сигнала между двумя парами сигналов. Вставка Midspan выполняется на неиспользуемых парах, а не на сигнальной линии.
^ WR-BT-650 HF/VHF Power Injector (смещение «T») , заархивировано из оригинала 5 июля 2008 г. , получено 8 августа 2008 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б США 6229408 , Йованович, Алан и Лам, для Сандера, «Смещение с нулевыми потерями «Т»», выпущен в 2001 г.

Дальнейшее чтение

Миннис, Брайан Дж. (1996), Проектирование микроволновых схем с помощью точного синтеза , Artech House, ISBN 0-89006-741-4
Миннис, Б.Дж. (июнь 1987 г.), «Смещение полосы пропускания T за десятилетие для приложений MIC до 50 ГГц», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , 35 (6), IEEE: 597–600, doi : 10.1109/TMTT.1987.1133711

Внешние ссылки

Бейлис, Чарльз; Данливи, Лоуренс; Клаузен, Уильям (октябрь 2006 г.), «Проектирование тройников смещения для испытательной системы с импульсным смещением и ВЧ-излучением с использованием точных моделей компонентов» (PDF) , Microwave Journal
Хикс, Брайан; Эриксон, Билл (21 мая 2008 г.), Рекомендации по проектированию Bias-T для LWA (PDF) (проектирование одного дросселя 4,7 мкГн от 15 МГц до 115 МГц)

[3] Нельзя использовать один индуктор для широкополосных тройников смещения. Таким образом, для широкополосных тройников смещения один дроссель $L,$ показанный на рисунке 1 , на самом деле представляет собой несколько дросселей, соединенных последовательно. Каждый индуктор оптимизирован для работы в различных диапазонах частот: от СВЧ, УВЧ, ОВЧ, ВЧ и СЧ до звуковых частот. СВЧ-индуктор наименьшего наногенри подключается непосредственно к центральному проводнику коаксиальной линии сопротивлением 50 Ом. Затем последовательно к порту постоянного тока подключаются катушки индуктивности все большего размера (от мкГн до мГн). Дополнительные $компоненты R$ , $L$ и $C$ также необходимы для обеспечения контролируемой $добротности$ и плавного перехода частоты от одного индуктора к другому. Таким образом, хороший широкополосный тройник смещения представляет собой очень сложную $сеть R-L-C$ . ^[2]^{[ нужна страница ]}

[1] APITech. «Косиные футболки» . info.apitech.com . Проверено 19 июля 2021 г.

[Andrews-2000-11-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Эндрюс, Джеймс Р. (ноябрь 2000 г.). Широкополосные коаксиальные тройники смещения (PDF) (Отчет). Примечание по применению. Том. АН-01э. Боулдер, Колорадо: Лаборатория пикосекундных импульсов. Архивировано из оригинала (PDF) 6 февраля 2012 г.

[4] «Дроссель Тамура для поверхностного монтажа» . ДигиКей. Т1812-821J-ND.

[5] Джонсон, Гэри В. (8 ноября 2008 г.), Широкополосная футболка смещения (PDF)

[6] Джонсон, Гэри В. (2 мая 2008 г.). Косые тройники WB9JPS. Протестировано 5 февраля 2008 г. HP 8753B (PDF) (Отчет).

[7] Жирарди, Клаудио (6 августа 2015 г.). «Широкополосный тройник смещения» .

[HamtvbiasT-8] Bias T для предусилителей для крепления антенны (PDF) , 2007 г. , получено 8 августа 2008 г.

[Intel-9] Power Over Ethernet Bias T Power Module (PDF) , заархивировано из оригинала (PDF) 24 февраля 2008 г. , получено 8 августа 2008 г.

[10] PoE — сомнительная футболка с уклоном. Включение мощности в конце диапазона осуществляется путем подачи синфазного сигнала между двумя парами сигналов. Вставка Midspan выполняется на неиспользуемых парах, а не на сигнальной линии.

[WiNRADiO-11] WR-BT-650 HF/VHF Power Injector (смещение «T») , заархивировано из оригинала 5 июля 2008 г. , получено 8 августа 2008 г.

[patent6229408-12] Перейти обратно: ^а ^б США 6229408 , Йованович, Алан и Лам, для Сандера, «Смещение с нулевыми потерями «Т»», выпущен в 2001 г.

[1]

[а]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]