הבנת יסודות המתאמים הקואקסיאליים כדי להשתמש טוב יותר ברכיבים שימושיים ביותר אלו

המשתמשים בציוד מכשור אלקטרוני הכרוך בשידור או קליטה של אות חשמלי בתדר גבוה מכירים היטב את החיבורים הקואקסיאליים שלהם מאחר והם בשימוש גורף. עד כדי כך שניתן להתייחס לחיבורים אלו כמובנים מאליהם - עד שמגיע הרגע לחבר מספר מכשירים יחד או להאריך כבלים קואקסיאליים. בנקודה זו, המתכננים או משתמשי ציוד אחרים עשויים לפנות למתאמים; אך לפני שעושים זאת, עליהם להבין היטב את ההשלכות והמאפיינים של כל סוג מתאם בו הם עשויים להשתמש.

קיים מגוון רחב של מתאמים ולא בכדי. מחברי "Tee‏" מחברים מקור אות אחד למספר מכשירים, בעוד שמחברי "גליל" מאריכים חיבורי כבלים קואקסיאליים. ואז יש מחברי DC Block‏, מחברי Bias Tee‏, פדי אימפדנס, מגני נחשולים וסיומות - כל אלה הם בשימוש נפוץ, אך לעיתים אינם מובנים במלואם. השימוש הנכון במתאמים אלה דורש ידע בסיסי בקווי תמסורת ובזהירות במהלך הבחירה.

מאמר זה מספק סקירה קצרה של קווי תמסורת. לאחר מכן הוא מציג סוגים שונים של מתאמים קואקסיאליים, מתאר כיצד הם פועלים, ומראה כיצד ליישם אותם בצורה הטובה ביותר. תוצגנה דוגמאות ממשיות מבית Amphenol RF‏, Times Microwave Systems‏ מבית Amphenol‏ ו- Crystek Corporation‏.

מה הם קווי תמסורת?

קווי תמסורת, בצורת כבלים קואקסיאליים, קווים שטוחים, מיקרו-רצועות או אחרים, מחברים מקור אות לעומס. לקווי תמסורת יש אימפדנס אופייני הנקבע על פי הממדים הפיזיים של המוליכים, המרווח שלהם והחומר הדיאלקטרי המשמש לבידוד המוליכים. כבלים קואקסיאליים הם לרוב בעלי אימפדנס אופייני של 50 אוהם (Ω) עבור עבודות RF כלליות, או Ω‏ 75‏ עבור יישומי וידאו.

כדי להבטיח את הנצילות המקסימלית בהעברת ההספק מהמקור לעומס, יש לתאם בין אימפדנס המקור, האימפדנס האופייני של קו התמסורת, ואימפדנס העומס. אם האימפדנסים שונים, חלק מהאנרגיה מוחזרת מצמתים שהם לא-מתואמים. לדוגמה, אם אימפדנס העומס שונה מאימפדנס המקור וקו התמסורת, אזי האנרגיה מוחזרת מהעומס חזרה לכיוון המקור (איור 1).

איור 1: קו קואקסיאלי עם עומס לא-מתואם מחזיר אנרגיה מהעומס חזרה לכיוון המקור ויוצר גלים עומדים במסלול התמסורת. (מקור התמונה: DigiKey)

הגלים הפוגעים והחוזרים משתלבים באופן אדיטיבי לאורך מסלול התמסורת ויוצרים גלים עומדים כאשר האמפליטודה משתנה באופן מחזורי על פני האורך הפיזי של המסלול. גלים עומדים גורמים לשגיאות מדידה ועלולים לגרום לנזק לרכיבים. תיאום האימפדנסים בין המקור, קו התמסורת והעומס מונע יצירת גלים עומדים, ובכך מסייע להבטיח את העברת ההספק עם הנצילות הגבוהה ביותר מהמקור אל העומס.

בשל דרישות תיאום האימפדנסים, חשוב להשתמש במתאם הנכון; אך כפי שהמתכנן יגלה במהרה, המתאמים הם רבים ומגוונים, ולעתים קרובות מגיעים עם מאפיינים החורגים מעבר ליצירת חיבור בסיסי.

מתאמי Tee‏

נבחן מערכת מכשיר בסיסית המורכבת ממקור יחיד, אוסצילוסקופ ונתח ספקטרום (איור 2).

איור 2: חיבור שלושת המכשירים בדוגמה זו באמצעות מתאם Tee‏ מחייב כיוונון של אימפדנס הכניסה של האוסצילוסקופ כדי למנוע אי-תיאום במקור האותות. (מקור התמונה: DigiKey)

למקור האות יש אימפדנס יציאה של Ω‏ 50‏ והוא נועד לפעול לתוך עומס של Ω‏ 50‏. אם משתמשים במתאם Tee‏ לחיבור האוסצילוסקופ ונתח הספקטרום כאשר שניהם מוגדרים לסיומות כניסה של Ω‏ 50‏, מקור האות יראה עומס של Ω‏ 25‏, תוך הורדת היציאה שלו ויצירת גלים עומדים על הכבלים. הסוד כאן הוא להגדיר את המכשיר שבאמצע המקטע הקואקסיאלי לסיומת כניסה עם אימפדנס גבוה, והמכשיר בצד הרחוק של המקטע הקואקסיאלי לסיומת Ω‏ 50‏ שלו, כפי שמוצג. מקור האות יראה זאת כעומס של Ω‏ 50‏, והכל יהיה בסדר.

ה- 112461‏ מבית Amphenol RF (איור 3‏) הוא מחבר BNC‏ Tee‏ עם תקע BNC‏ יחיד, שני שקעי BNC‏ ורוחב-פס של 4 גיגה-הרץ (GHz‏). הוא יכול לשמש בתצורה המוצגת בדוגמה שלנו עבור מכשירים עם רוחב פס מתחת ל- GHz‏ 4‏.

איור 3‏: מחבר BNC‏ Tee‏ 112461 מבית Amphenol מציע רוחב-פס של GHz‏ 4‏. בדוגמה המוצגת באיור 1, התקע מחובר לכניסת האוסצילוסקופ וכבלים קואקסיאליים מחוברים משקעי BNC למקור האות ולנתח הספקטרום. (מקור התמונה: Amphenol RF)

סוג מחבר ה- Tee‏ לבחירה תלוי במחברים המשמשים במכשירים ויתבסס על רוחבי-הפס של המכשירים השונים. ככלל, מתאמים קואקסיאליים כמו מחברי Tee אינם זמינים עבור רוחבי-פס העולים על GHz‏ 40‏ מכיוון שהפסדי האות הופכים לבעייתיים במתאמים בתדרים אלה. כאן מוצגת רשימה של מחברים קואקסיאליים למכשירים נפוצים שעבורם מתאמים זמינים בדרך כלל, יחד עם המאפיינים הבולטים שלהם (טבלה 1).

טבלה 1: משפחות מחברים קואקסיאליים נפוצים שעבורם קיימים מתאמים. מעל GHz‏ 40‏, למתאמים יש הפסדים ההופכים אותם ללא-מתאימים לפעולה. (מקור הטבלה: DigiKey)

משפחת מתאמי מחברים

קיום מספר סוגי מחברים מעלה את הצורך להיות מסוגל להמיר מסוג מחבר אחד למשנהו. ניקח לדוגמה התאמת כבל SMA ממחבר BNC כניסה של אוסצילוסקופ או נתח ספקטרום. עבור מצב זה, ה- 242103‏ מבית Amphenol RF מספק תקע BNC לחיבור למכשיר ושקע SMA לקבלת כבל SMA (איור 4).

איור 4: מתאם BNC ל- SMA מתאם בין שקע BNC לבין תקע SMA בהתאם לצורך לחבר כבל SMA לכניסת מכשירים. (מקור התמונה: Amphenol RF)

על משתמשי הציוד לזכור כי כאשר משתמשים במתאם, רוחב-הפס של החיבור הוא הנמוך מבין רוחבי-הפס של שתי משפחות המחברים. במקרה של מתאם BNC ל- SMA, רוחב-הפס הוא GHz‏ 4‏, ירושה מה- BNC.

קיימים גם מתאמים המציעים שינויי אימפדנס מ- Ω‏ 50‏ ל- Ω‏ 75‏ ולהפך.

מתאמים גליליים ו- Bulkhead‏

הארכת כבלים או העברת כבל דרך פאנל מחייבים שימוש במתאמים ישרים (גליליים) או Bulkhead‏. אלו זמינים עבור משפחות המחברים המוצגים בטבלה 1. דוגמה לכך הוא מתאם Bulkhead‏ 132170 מבית Amphenol RF, עם שני שקעי SMA שאליהם יכולים להתחבר כבלים המשתמשים בתקעי SMA משני צדי המחיצה או הפאנל (איור 5).

איור 5: דוגמה למחבר SMA‏ Bulkhead‏, אותו ניתן להרכיב על פאנל כדי להעביר דרכו חיבור קואקסיאלי. (מקור התמונה: Amphenol RF)

ניתן להגדיר מחברי גליל כשקע לשקע, או כתקע לתקע, ופחות נפוץ מתקע לשקע.

סיומות

חיבור מספר מכשירים עם כניסה עם אימפדנס-גבוה בטור ממקור Ω‏ 50‏ דורש סיומת Ω‏ 50‏ (איור 6‏).

איור 6: כאשר מחברים מספר התקנים עם כניסה עם אימפדנס גבוה למקור Ω‏ 50‏, נדרשת סיומת חיצונית של Ω‏ 50‏ כדי למנוע החזרות בקווים הקואקסיאליים. (מקור התמונה: DigiKey)

סיומת Ω‏ 50‏ 202120‏ מבית Amphenol RF היא דוגמה לסיומת קואקסיאלית בתצורה של שקע BNC‏ (איור 7‏).

איור 7: ה- 202120 מבית Amphenol RF הוא סיומת Ω‏ 50‏ בתצורה של שקע BNC. (מקור התמונה: Amphenol RF)

שקע ה- BNC מקבל ישירות כבל קואקסיאלי. ישנן גם סיומות בצורה של תקעי BNC המתחברים לשקעי BNC. הם משמשים כאשר יש צורך בסיומות ממכשיר ישירות לפאנל הקדמי שלו. בעוד שרוב האוסצילוסקופים מציעים הן אימפדנס גבוה והן כניסות Ω‏ 50‏, יש מגבלת מתח על כניסות אוסצילסקופ Ω‏ 50‏, בדרך כלל 5 וולט. לאוסצילוסקופים יש גם מגבלת הספק של 0.5 וואט על כניסות Ω‏ 50‏ שלהם. ה- 202120 מדורג ל-1 וואט ויכול להתמודד עם יותר מ- 7 וולט.

קיימות סיומות גם עבור אימפדנסים אחרים. לדוגמה, סיומות Ω‏ 75‏ משמשות בדרך כלל ביישומי טלוויזיה ווידאו. סיומות אפס Ω‏ או קצר משמשות כאשר מכיילים נתחי רשת.

מחברי DC Block‏ ו- Bias Tee‏

DC Block‏ הוא מתאם קואקסיאלי החוסם זרם-ישר ומאפשר מעבר של אותות RF‏. הוא משמש להגנה על רכיבי RF רגישים מפני DC, הנחסם על ידי קבל. ישנם שלושה סוגים של DC Block‏:

• DC Block‏ פנימי משתמש בקבל יחיד בטור עם המוליך הפנימי או המרכזי של כבל קואקסיאלי
• ל- DC Block‏ חיצוני יש קבל בטור עם הסיכוך של כבל קואקסיאלי
• ל- DC Block‏ פנימי/חיצוני יש קבלים בטור עם המוליך הפנימי והחיצוני גם יחד

כל הסוגים של DC Block‏ מיועדים עבור אימפדנסים אופיניים ספציפיים, בדרך כלל Ω‏ 50‏ או Ω‏ 75‏. ה- CBLK-300-3‏ מבית Crystek Corporation הוא DC Block‏ מוליך פנימי Ω‏ 50‏ המעביר אותות בתדרים מ- 300 קילו-הרץ (kHz‏) עד GHz‏ 3‏ בעוד שהוא חוסם רמות DC של עד 16 וולט עם הפסדי תחיבה והחזרה נמוכים על-פני תחום תדרי הפעולה שלו (איור 8‏).

איור 8: ה- CBLK-300-3‏ מבית Crystek‏ חוסם DC ומעביר אותות בתדרים של kHz‏ 300‏ עד GHz‏ 3‏. (מקור התמונה: Crystek Corporation)

Bias Tee‏

ה- Bias Tee‏ קשור ל- DC Block‏. זהו מתאם עם שלוש נקודות-חיבור שבו מופעל הספק DC ביציאה אחת. נקודת-חיבור שנייה משלבת את ממתח ה- DC עם אות RF‏ המגיע מנקודת-חיבור RF‏ מבודדת (איור 9‏).

איור 9‏: ל- Bias Tee יש שלוש נקודות-חיבור: אחת עבור הפעלת ממתח DC, השנייה עבור נקודת-חיבור RF‏ מבודדת בעוד שהשלישית משלבת את אות ה- RF ואת ממתח ה- DC‏. (מקור התמונה: Crystek Corporation)

רכיבי Bias Tee‏ משמשים להעברת הספק לאלקטרוניקה מרוחקת, כגון מגבר עם רעש נמוך (LNA‏) המורכב על אנטנה עם הספקת-כוח DC המספק נקודת-חיבור ללא-DC‏ לחיבור מקלט RF‏. ממתח DC מופעל דרך משרן טורי, החוסם RF‏ מלהגיע למקור ה- DC‏. בדומה ל- DC Block‏, נקודת-החיבור RF‏-בלבד מבודדת מכניסת ה- DC על ידי קבל טורי. נקודת-החיבור של השילוב מעבירה את רכיבי ה- RF ו- DC כאחד.

ה- BTEE-01-50-6000‏ מבית Crystek Corporation‏ הוא Bias Tee‏ עם רוחב-פס RF מ- 50 מגה-הרץ (MHz) עד GHz‏ 6‏ באמצעות שקעי SMA. נקודת-חיבור ה- RF‏ מקבלת אות RF‏ עם רמת הספק מקסימלית של 2 וואט. לנקודת-חיבור ה- DC‏ יש כניסת DC מקסימלית של 16 וולט. הפסדי התחיבה של ה- Bias Tee‏ הם 0.5 דציבלים (dB‏) ב- GHz‏ 2‏ טיפוסי. בזמן הפעולה נקודת-החיבור RF+DC מחוברת ל- LNA ולאנטנה. מקור הספק ה- DC‏ מחובר לנקודת-חיבור ה- DC‏ והמקלט מחובר לנקודת-חיבור ה- RF‏.

מסננים על-הקו

מתאם קואקסיאלי שימושי נוסף הוא המסנן על-הקו. קיימים מסננים מעבירי-נמוכים, מעבירי-גבוהים ומעבירי-פס-תדרים עבור סוגי מחברים BNC‏ ו- SMA‏. אלו מיושמים כדי לבקר את ספקטרום האותות המועברים בכבל. לדוגמה, כדי למדוד את מספר הביטים האפקטיבי בממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC), מכניסים מסנן מעביר-נמוכים בין מחולל האותות לבין ה- ADC. המסנן ינחית את רמות ההרמוניות של הגנרטור, ובכך ישפר במידה ניכרת את דיוק המדידה. זה מאפשר להשתמש במחולל על-הקו בעלות נמוכה יותר.

דוגמה טובה להתקן כזה הוא ה- CLPFL-0100‏ מבית Crystek, מסנן מעביר-נמוכים MHz‏ 100‏ מסדר שביעי עם תדר קטעון של MHz‏ 100‏ (איור 10‏).

איור 10: ה- CLPFL-0100 הוא מסנן מעביר-נמוכים MHz‏ 100‏ עם שבעה קטבים עבור תחיבה על-הקו בתוך הכבל SMA‏. (מקור התמונה: Crystek Corporation)

ההרמוניה השנייה של אות כניסה של MHz‏ 100‏ תונחת ב- dB‏ 30‏ וההרמוניה הגבוהה יותר שלו תונחת ביותר מ- dB‏ 60‏. אם למחולל האותות בדוגמה שלעיל היה מפרט רמה הרמונית של dB‏ 66-, המסנן היה מנחית אותה ל- dB‏ 96-.

מגני נחשולים

מגני נחשולים, הנקראים לעיתים משככי ברקים, מגנים על אלקטרוניקה רגישה מפני נחשולים טרנזיינטיים , כגון ברקים. ניתן לעשות זאת באמצעות מרווחי ניצוצות, שפופרות פריקה בגז או דיודות עם פריצה חשמלית כדי לפרוק נחשולי חשמל להארקה לפני שהם עלולים להזיק להתקנים המוגנים.

ה- LP-GTR-NFF‏ מבית Amphenol Time Microwave Systems‏ הוא מגן נחשולים על-הקו עם מחבר סוג N‏ המשתמש בשפופרת פריקה בגז (GDT‏) ניתנת להחלפה. הפריצה של השפופרת היא במתחי DC‏ של מעל 90‏± וולט/A‏ 20‏ והיא יכולה לטפל בנחשולים של עד 50 וואט. הוא מוכנס על הקו ויש לו רוחב-פס מ- DC ועד GHz‏ 3‏, עם הפסדי תחיבה של dB‏ 0.1 עד GHz‏ 1‏ ו- dB‏ 0.2 עד GHz‏ 3‏ (איור 11‏).

איור 11‏: מגן נחשולים LP-GTR-NFF‏ מבית Amphenol Times Microwave System‏ הוא התקן מחבר N‏ על-הקו המשמש להגנת קווים קואקסיאליים מפני נחשולים טרנזיינטיים של עד 50 וואט. (מקור התמונה: Amphenol Times Microwave Systems‏)

מגני נחשולים מורכבים בדרך כלל על מסגרות L המחוברות חשמלית ומכנית להארקה עם אימפדנס נמוך באמצעות מוליכים גדולים עם השראות נמוכה. חשוב לציין שאיכות חיבור ההארקה משפיעה על ביצועי מגן הנחשולים.

מנחתים על-הקו

מנחתים מקטינים את עוצמת ההספק של האות מבלי לעוות את צורת-הגל של האות. גרסות על-הקו קואקסיאליות מציעות ניחות קבוע והן זמינות במספר גדול של סוגי מחברים עם מגוון של תצורות תקע ושקע.

ה- CATTEN-03R0-BNC‏ מבית Crystek Corporation‏ הוא מנחת dB‏ 3‏ BNC‏ Ω‏ 50‏ עם רוחב-פס מ- DC‏ עד GHz‏ 1‏ ודירוג הספק של 2 וואט (איור 12‏). זהו אחד משלושה-עשר דגמי מנחתים הזמינים בקו המוצרים שלו עם ניחותים מ- dB‏ 1‏ עד dB‏ 20‏.

איור 12‏: ה- CATTEN-03R0-BNC‏ מבית Crystek‏ הוא מנחת dB‏ 3‏ BNC‏ קואקסיאלי על-הקו עם רוחב-פס מ- DC‏ עד GHz‏ 1‏. (מקור התמונה: Crystek Corporation)

מנחתים על-הקו משמשים כמובן מאליו להורדת רמת ההספק של אותות, אך מה שפחות מובן מאליו, הם משמשים גם להספקת בידוד בין האימפדנסים בהתקנים המחוברים בטור, כמו גם להקטנת אי-תאום אימפדנסים והחזרות לא-רצויות.

נבחן הכנסת מנחת dB‏ 3‏ מתואם לפני אימפדנס עומס לא-מתואם. אות הכניסה למנחת מוקטן ב- dB‏ 3‏ על ידי המנחת כאשר הוא מתפשט לעומס הלא-מתואם. בהנחה שאי-התיאום הוא מעגל פתוח, אזי האות כולו מוחזר בעומס ומנתר חזרה דרך המנחת, שם הוא סובל הפסד נוסף של dB‏ 3‏ בכניסת המנחת. הפסדי ההחזרה בכניסת המנחת משופרים ב- dB‏ 6‏. אי-התיאום שנצפה בכניסה של המנחת משופר בכמות השווה לפעמיים ערך המנחת - במקרה זה ההפחתה הכוללת היא dB‏ 6‏.

לטכניקה זו יש חיסרון בכך שאמפליטודת האות העובר מופחתת ב- dB‏ 3‏, עליה יש לפצות במקום אחר ברשת. ה- CATTEN-03R0-BNC מבית Crystek‏ יעבוד היטב ביישום זה.

סיכום

כאשר מחברים מכשירים או התקנים אחרים עם מתאמים קואקסיאליים, המתכננים ומשתמשים אחרים בציוד חייבים להיות מודעים ליסודות של קווי תמסורת. לאחר שהם הובנו כהלכה, המשתמשים יכולים לנצל טוב יותר את הרכיבים השימושיים הללו עם מגוון האמצעים הרחב שלהם, כולל שינוי סוגי המחברים והאימפדנסים האופייניים, הסתעפות האותות, סינון, הגנה מפני נחשולי מתח, ניחות האותות ובקרה ובידוד ה- DC.