Современная электроника №4/2022

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 9 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2022 Рис. 3. Потери: 1 – во внутреннем проводнике, 2 – наружном проводнике и 3 – в диэлектрике радиочастотного соединителя Вносимые потери Вносимые потери (англ. – Insertion Loss, IL, Transmission loss, Attenuation) – это потеря мощности сигнала, возни- кающая в соединителе при его вклю- чении в линию передачи. Вносимые потери определяются отношением вхо- дящей в соединитель мощности к мощ- ности, переданной им в нагрузку [4]. Потери в радиочастотном соедините- ле α складываются из потерь в метал- лических проводниках коаксиальной линии α мет и диэлектрических потерь α диэл в изоляторе соединителя: α (дБ/м) = α мет . + α диэл . Потери в проводниках равны: Потери в диэлектрике: где d и D – диаметры внутреннего и наружного проводников коаксиаль- ной линии соединителя ε и tg δ – отно- сительная диэлектрическая проницае- мость и тангенс угла диэлектрических потерь изолятора; μ – магнитная прони- цаемость материалов проводников; ρ – удельное электрическое сопротивление материалов проводников, Ом·мм 2 /м; f – частота. Потери в проводниках пропорцио- нальны √ f и определяются размерами проводников, свойствами металлов, из которых они изготовлены, и покрытий проводников. При этом около 80% всех потерь приходится на потери на вну- треннем (центральном) проводнике соединителя [7]. Наилучшим покрыти- ем проводников является золото и его сплавы с кобальтом или никелем (для повышения износоустойчивости). Тол- щина золотого покрытия должна быть такой, чтобы покрыть все неровности металлических поверхностей и быть больше толщины «скин-слоя», так как на высоких частотах ток проходит только в поверхностном слое металла – «скин-слое». Глубина «скин-слоя» тем меньше, чем выше частота, больше маг- нитная проницаемость и проводимость металла (табл. 1) [8]. Толщина золотого покрытия для сое- динителей, работающих в умеренных условиях окружающей среды, может быть выбрана в пределах 0,75…1,25 мкм. Потери в диэлектрике (релаксаци- онные, резонансные, миграционные, ионизационные) линейно зависят от частоты, определяются его диэлектри- ческими свойствами и не зависят от диаметров проводников коаксиальной линии соединителя. Потери в соедини- телях резко возрастают с увеличением частоты. На низких частотах потери в проводниках превышают диэлектриче- ские потери. Однако диэлектрические потери увеличиваются с большей ско- ростью, чем потери в проводниках, и, начиная с частоты, близкой к 10 ГГц, основной вклад в величину потерь вно- сят потери в диэлектрике (рис. 3) [9]. С увеличением частоты диаметры коаксиальной линии соединителей ста- новятся всё меньше, а уровень потерь в соединителях всё выше. Знание величин вносимых и воз- вратных потерь позволяет оценивать эффективность прохождения сигна- ла в радиочастотном соединителе. Вносимые и возвратные потери изме- ряют с помощью векторных анали- заторов цепей и представляют в виде S-параметров четырёхполюсника. Сле- дует только заметить, что параметры S 21 и S 12 нельзя полностью отождествлять с вносимыми потерями. Они были бы равны вносимым потерям, если бы сое- динитель и нагрузка соответствовали одному и тому же волновому сопротив- лению, чего часто не бывает на прак- тике [2]. Потери рассогласования Существует и ещё одна причина сни- жения мощности, поступившей из сое- динителя в нагрузку в случае рассогла- сования их волновых сопротивлений. Возникают так называемые «потери рассогласования» (Mismatch Loss). Мож- но согласиться с автором работы [5], что это термин неудачный и несколько запутывает суть дела. На самом деле это не безвозвратный уход мощности куда- то «на сторону», а всего лишь показатель того, что соединитель, не будучи нагру- жен на оптимальное волновое сопро- тивление, не отдаёт в нагрузку всю ту мощность, на которую он способен. То есть это не потери в соединителе, а просто снижение мощности сигнала, передаваемой соединителем в нагруз- ку, так как максимальную мощность можно передать, только если сопро- тивление источника равно сопротив- лению нагрузки. Линия передачи, кото- рая оканчивается нагрузкой, волновое сопротивление которой такое же, как у этой линии, не имеет отражений и, сле- довательно, потерь на рассогласование. Таким образом, потери рассогласо- вания (Mismatch Loss, ML) – это вели- чина мощности, выраженная в деци- белах, которая не будет доступна на выходе соединителя из-за различия волнового сопротивления соедините- ля и нагрузки: ML (дБ) = 10log (1–| Γ | 2 ) или ML (дБ) =10log (1 – (КСВН–1)/ /(КСВН+1) 2 ) . Каков же уровень величины потерь рассогласования? Допустим, что соеди- нитель имеет большую величину КСВН, равную 2,1. Рассчитанная по формуле (11) величина потерь рассогласования будет равна 0,584 дБ. При этом возврат- ные потери будут 9 дБ и отражённая мощность 12,59%. В реальных устрой- ствах потери рассогласования обычно относительно небольшие и не превы- шают 1 дБ. Сводные данные о параметрах радио- частотных соединителей представле- ны американской компанией Marki Microwave (табл. 2) [3]. В табл. 2 пока- зана взаимосвязь возвратных потерь, КСВН, коэффициента отражения, потерь рассогласования, отражённой и переданной мощностей соединителей. Таблица 1. Среднеарифметическое отклонение профиля поверхности и глубина «скин-слоя» золота Класс чистоты Среднеарифметическое отклонение профиля поверхности, мкм Частота, ГГц Глубина «скин-слоя», мкм 5,0 1 2,38 2,5 10 0,75 1,25 18 0,56 0,63 40 0,38 0,32 65 0,30 Потери 100 Мгц 1 ГГц 1 2 3 10 ГГц Частота (7) (8) (9) (10) (11)