Помехи в длинных ЛС

Длинной называют ЛС, в которой время задержки превышает половину времени нарастания или спада фронта сигнала. т.е. выполняется соотношение

t_ф / t_з < 2.

Погонная длина электрически длинной линии не меньше минимальной длины волны в спектре сигнала l λ _min. Для длинной лини характерно непостоянство напряжений и токов вдоль линии. Моделируется длинная линия набором элементарных звеньев LC длиной (рис. 3.22).

Искажения сигналов в длинных ЛС вызываются отражениями сигналов от несогласованных нагрузок и неоднородностей, распределенных по длине линии (рис. 3.23).

Рассмотрим распространение сигнала в длинной линии. Представим эквивалентную схему длинной линии: U - генератор, обладающий выходным сопротивлением R _вых,, s - начало линии, r - конец линии, R _вх - входное сопротивление микросхемы или другого четырёхполюсника, X - координата по длине линии, t – время, Т – время пробега электромагнитной волны (ЭМВ) от начала до конца линии. При t = 0 - в точке s стартует фронт ЭМВ (такую ЭМВ называют падающей) и начинает своё распространение по линии с постоянной скоростью. Через время T ЭМВ волна достигнет точки r. Если волновое сопротивление линии Z равно R _вх, то энергия ЭМВ полностью поглотится нагрузкой. При неравенстве сопротивлений часть энергии ЭМВ поглотится, а часть отразится. Количество отражённой энергии определяется коэффициентом отражения по напряжению k = U_o / U_п (где U_п и U_o – напряжения падающей и отраженной волн, соответственно). В точке r коэффициент отражения равен

k_r = .

Далее отражённая волна начнет распространяться к началу линии. При t = 2 T - в точке s отраженная волна либо полностью поглотится (при R _вых = Z), либо частично отразится с соответствующим коэффициентом k_s

k_s =

Значения коэффициентов отражения могут быть как отрицательными, так и положительными. Но, поскольку абсолютная их величина меньше 1 и в линии существуют потери, то процессы отражения являются затухающими.

В зависимости от фазы и амплитуды отражённого сигнала, погонной длины линии, удельной задержки распространения возможны различные варианты искажений сигнала. На рис. 3.24 показаны варианты изменения напряжения в точке r при положительных и отрицательных значениях k_r и k_s

а	б
Рис. 3.24. Искажения сигналов в длинных ЛС: а – при положительных значениях kr и ks; б – при krks < 0

Сигнал в любой точке ЛС равен сумме всех падающих и отражённых волн (принцип суперпозиции), которые существуют к данному моменту в линии. Из осциллограммы (рис. 3.24, а) следует, что сигнал пересекает пороговый уровень U_пор в момент времени 3Т, что вызывает переключение микросхемы нагрузки. В более неблагоприятной ситуации возможно достижение порога в моменты 5 Т и даже 7 Т. Таким образом, может быть внесена существенная погрешность во временные диаграммы, рассчитанные для идеализированных условий.

Другой случай - провал в уровне сигнала, который воспринимается как логический ноль (осциллограмма на рис.3.24, б). Такие ошибки чреваты тем, что микросхема воспринимает два импульса вместо одного.

Отражения сигналов в длинных ЛС могут происходить от различных неоднородностей линий: участков различного конструктивно-технологического исполнения (объемный проводник, вывод ФЭ, пленочный или печатный проводник, контакт разъема и т.д.), участков с различным волновым сопротивлением (например, из-за непостоянства сечений проводников или характеристик диэлектрика), наличия в линиях разветвлений и т.д.

Уменьшения или полного исключения отражений в длинных линиях можно добиться их согласова­нием. ЛС считается согласованной, если сопротивление, на которое она нагружена, равно волновому сопротивлению линии (рис. 3.25).

Рис. 3.25. Способы согласования электрически длинных линий передач

Согласование ЛС обеспечивается использованием линий с высокой стабильностью волнового сопротивления и введением согласующих элементов.

Подключение согласующего резистора R_c последовательно (рис. 3.25, а) с выходным сопротивлением передатчика сигнала (последовательное согласование) используется, если последнее много меньше Z линии. В параллельно согласованной линии (рис. 3.25, б)резистор R_c подсоединяют к входу приемника линии передачи. Такой способ согласования используют, если входное сопротивление приемника сигнала во много раз больше Z линии. Поскольку падение напряжения на резисторах R_c понижает уровень передаваемого сигнала, режимы последовательного и параллель­ного согласования применяют, когда число элементов, нагружаемых на ли­нию передачи, обычно не более двух. При большем количестве нагрузок для согласования используют эмиттерные повторители (рис. 3.25, в).При этом база и коллектор транзистора эмиттерного повторителя должны коммутировать­ся проводниками возможно меньшей длины.

В схеме согласования коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом (рис. 3.25, г)кабель на выходе нагру­жен 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.

Для защиты от индуцированных помех длинные ЛС выполняют экранированными. Экраны, в виде металлической оболочки или в виде отдельных слоев многослойных печатных плат, соединяют с корпусом САУ ЛА, что существенно снижает воздействие электрического и электромагнитного полей на ЛС.