Электрические соединения в радиоэлектронной аппаратуре

      Если  сопротивление в начале и конце  линии соответственно R₁ и R₂ и соблюдается отношение R₁ < Z₀ < R₂, то коэффициенты отражений на входе r_o1 и выходе r_o2 линии соответственно будут 0 > r_o1 > -1 и 0 < r_o2 < 1.

      

Рис. 9.1.4.

      Искажение импульсного сигнала, когда длительность передаваемого импульса t_и << t_з, при прохождении его по ЛП показано на рис. 9.1.4. Сигналы на графиках соответствуют моментам их поступления на вход U₁ и выход U₂ ЛП. Следует обратить внимание на изменение полярности отражаемых сигналов в зависимости от соотношения величин R₁ и R₂ с величиной Z₀. Таким образом, на вход линии поступил один импульс, а на входе нагруженной на линию МС с периодом 2t_з может оказаться несколько импульсов, превышающих порог ее срабатывания.

      Согласование  электрически длинных  ЛП. Уменьшения или полного исключения отражений в длинных линиях можно добиться их согласованием. Линия передачи считается согласованной, если сопротивление, на которое она нагружена, равно волновому сопротивлению линии, при этом значение r_o2 становится равным нулю. Рекомендуется также проводить согласование линии и с источником сигнала, если его выходное сопротивление  R₁ много меньше Z₀, что обнуляет значение r_o1. Согласование обеспечивается введением согласующих резисторов R_c на входах и выходах ЛП. Для источников сигналов с малым выходным сопротивлением применяют последовательное согласование с ЛП (R₁+R_c ® Z₀), на приемниках сигналов с высоким входным сопротивлением – параллельное согласование (R₂ || R_c ® Z₀). При большем количестве нагрузок на выходе ЛП для согласования используют эмиттерные повторители (см. рис. 9.1.5, в).

      

Рис. 9.1.5.

      При конструировании цифровой аппаратуры входы триггеров, одновибраторов, регистров не рекомендуется подключать непосредственно к длинным линиям. Отсутствие буферных каскадов из-за значительной емкостной нагрузки и наличия отражений приведет к неустойчивой работе аппаратуры. В качестве буферных каскадов для восстановления фронтов импульсов обычно используются триггеры Шмитта. Аналогично буферные каскады рекомендуется использовать и для согласования коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом, при этом выход кабеля нагружается на сопротивление 51 Ом.

      В зависимости от специфики разрабатываемой  аппаратуры в качестве длинных линий  используют микрополосковые и полосковые печатные проводники, свитую пару, плоский кабель, коаксиальный кабель. При высоком уровне внешних для ЛП электромагнитных помех рекомендуется применение коаксиальных кабелей и свитых пар с формированием разнополярных сигналов на обоих проводах пары.

      Высокочастотный переменный или импульсный ток неравномерно распределяется по сечению проводника, имея наибольшую плотность у его поверхности, что является результатом проявления поверхностного эффекта. Поверхностный эффект увеличивает сопротивление проводника переменному току. Влияние поверхностного эффекта сказывается на искажении фронта и формы импульса, так как разные частоты затухают в материале проводника неодинаково. Для ослабления влияния поверхностного эффекта используют провод, свитый из большого числа изолированных друг от друга жил и.

      Для устранения перекрестных помех линии передачи экранируют. Применение ЛП с экранирующей металлической оболочкой является эффективным способом ее защиты от воздействий электрического и электромагнитного полей. Экраны необходимо заземлять короткими проводами минимального индуктивного сопротивления либо путем непосредственного контакта с корпусом прибора. Отсутствие заземления экранов ЛП не устраняет емкостную связь между центральными проводами. Если ток, протекающий по центральному проводу ЛП, равен обратному току через его оплетку, то в пространстве, окружающем линию, электромагнитное поле отсутствует.

9.2. Конструкции сигнальных ЛП [2]

      Монтажные провода. Материалом токопроводящих жил проводов являются медь и ее сплавы. С уменьшением габаритов аппаратуры, уменьшением длин и диаметров монтажных проводов, а также ужесточением требований механических воздействий, все большее применение стали находить медные сплавы, обладающие более высокой прочностью на разрыв и гибкостью при небольшом ухудшении проводимости.

      Монтажные провода бывают одно- и многожильными. Высокая гибкость, долговечность и надежность провода в условиях воздействий ударов и вибраций обеспечивается свиванием нескольких одиночных проводов в многожильный. Промышленность выпускает многожильный провод на 3, 7, 12, 17, 19, 27 и 37 круглых жил. Многожильный провод с суммарной площадью поперечного сечения токопроводящих жил, равной площади поперечного сечения одиночного провода, имеет несколько больший диаметр и стоимость, которые возрастают с увеличением числа жил. Повышение механической прочности многожильных проводов достигается введением в конструкцию провода центральной упрочняющей стальной жилки.

      Защиту  от электрического замыкания провода  на корпус изделия или на соседний провод осуществляют нанесением на токопроводящую жилу изоляционного покрытия. Материал и конструкция изоляции должны обеспечивать высокие значения электрических параметров (диэлектрическую прочность, сопротивление изоляции, диэлектрическую постоянную) в процессе и после приложения внешних воздействий, а также после длительного хранения. В настоящее время существует большое разнообразие различных типов изоляционных покрытий.

      Провод  выбирают исходя из требуемых условий  эксплуатации, нагрузки по току, допустимого падения напряжения, утечки тока, диэлектрической прочности. Одножильные провода рекомендуется использовать в стационарной аппаратуре, не подверженной воздействиям ударов и вибраций. Увеличение числа жил провода повышает его стойкость к многократным перегибам в условиях воздействий вибраций. Многожильные провода применяют в бортовой аппаратуре.

      Можно рекомендовать следующий размерный  ряд сечений токопроводящих жил  монтажных проводов: 0,03; 0,05; 0,08; 0,12; 0,20; 0,35; 0,50; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм². Выбор диаметра провода зависит от протекающего тока и допустимого перегрева провода. Плотности тока для различных диаметров проводов при длительных допустимых токовых нагрузках, приводящих к перегреву провода на 20 °С относительно окружающей среды, приведены в таблице.

      

Допустимые  токи нагрузки медных проводов

  

      Из  данных этой таблицы следует, что  для проводов малых диаметров имеют место большие плотности токов за счет более активного теплообмена с окружающей средой.

      Ниже  в таблице приведены марки широко используемых монтажных проводов.

Марки монтажных проводов

      Свитая  пара. Свитую пару получают переплетением между собой с определенным шагом двух изолированных проводов. При свивании проводов снижаются электромагнитные связи между цепями и повышается их защищенность от взаимных и внешних помех. Благодаря свиванию проводов вместо одного контура связи получается как бы несколько одинаковых по площади малых контуров, при этом наводимые внешним электромагнитным полем токи помех, имеющие в свитой паре противоположное направление и взаимно компенсирующиеся.

      Для ЛП с диаметром жил 0,9-1,2 мм шаг свивания должен быть 100-300 мм, для диаметров 0,3-0,8 мм шаг выбирают в пределах 40-90 мм. Для различных шагов свивания коэффициенты ослабления помех составляют следующие значения:

      Шаг свивания, мм .............................  100      75       50      25.

      Коэффициент ослабления, дБ ..........    23      37       41      43.

      Индуктивность свитой пары ниже, чем индуктивность  несимметричной двухпроводной ЛП. Волновое сопротивление свитой пары вычисляется по формуле:

Z₀ = 276 lg(2d_и/d) /

,

где e_в, e_и - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и изоляции проводов, d_и и d - диаметр провода с изоляцией и без изоляции.

      Свитая  пара обеспечивает хорошую защиту передаваемых сигналов от влияния электромагнитных помех до частоты 100 кГц и удовлетворительную до частоты 10 МГц, гарантируя при этом постоянство волнового сопротивления.

      Коаксиальный  кабель. Улучшение помехозащищенности ЛП в высокочастотной аппаратуре обеспечивается применением коаксиальных кабелей. Коаксиальный кабель является двухпроводной ЛП, состоящей из внешнего трубчатого проводника (оплетки), внутри которого соосно размещается провод, разделенный диэлектрической средой от оплетки.

      Промышленность  выпускает коаксиальные кабели с  волновым сопротивлением от 50 до 3200 Ом и номинальным диаметром от 0,6 до 120 мм. Марка кабеля указывает на его тип, волновое сопротивление, диаметр, группу изоляции и нагревостойкости, порядковый номер разработки. Например, марка кабеля РК-50-4-11 означает, что это радиочастотный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром 4 мм, обычной нагревостойкости 1 с порядковым номером разработки 1 .

      Коаксиальный  кабель используют для передачи разнообразных  сигналов в широком частотном диапазоне. Постоянство электрических параметров, высокая защищенность от электрических и электромагнитных полей обусловливает широкое использование коаксиальных кабелей.

      При межприборной коммутации низкочастотной аппаратуры оплетка коаксиального  кабеля для предотвращения появления  контуров заземления заземляется на одном конце через выводы электрического соединителя. Оплетка кабеля высокочастотной аппаратуры соединяется с линией нулевого потенциала в нескольких точках через интервал 0,25 l, где l - длина волны передаваемого сигнала на самой высокой частоте. При протекании значительных токов по линии нулевого потенциала многоточечное заземление кабеля теряет свою эффективность.