Nagyfrekvenciás áramút

Van két szabály, vagy inkább törvényszerűség amit PCB tervezés során mindig figyelembe kell venni. Ezek nem túl bonyolult dolgok, viszont tapasztalataim szerint főiskolán se nagyon tanítják, legalábbis nekem nem tanították.

A két törvényszerűség a következő:

• az áram mindig visszatér a forrásához, tehát mindig egy zárt hurokban folyik
• mindezt úgy teszi, hogy eközben mindig a legkisebb $(Z)$ impedanciájú utat választja

A következő példában megpróbálom mindezt látványossá tenni és a gyakorlati jelentőségét megmutatni. Ebben a kísérletben veszünk egy 1.5m-es koax kábelt aminek az egyik végén betáplálunk egy bizonyos nagyságú jelet (sajnos az értékét anno nem rögzítettük), a másik végét pedig lezárjuk egy 50Ohm-os terheléssel (lezárással). A koax két végénél az árnyékolást összekötjük egy mérőzsinór segítségével, ezzel egy rövidebb, kisebb ellenállású útvonalat is biztosítunk a terheléstől a generátorba visszatérő áram számára. Ha tehát a visszatérőáram szeretne inkább, a rövidebb, kisebb ellenállású összeköttetésen át visszatérni a koax végétől a generátorba, akkor ezen az úgynevezett bypass ágon át megteheti (itt folyik a "bypass" áram).

A következő képen ennek a kis áramkörnek láthatjuk a kapcsolási rajzát. Ebben a lényeges elem talán csak a két Pearson 2877 típusú árammérő, ezek úgy vannak elhelyezve, hogy az egyik a koax árnyékolásán visszatérő áramot mérje, a másik pedig a bypass ágon visszatérőt.

Ha különböző frekvenciákon megmérjük, hogy a visszatérő áram a két lehetséges útvonal között hogyan oszlik meg, akkor a következő ábrán látható eredményt kapjuk. Az ábráról tehát azt olvashatjuk le, hogy a terheléstől a forráshoz (generátorhoz) visszatérő áram mekkora része választja a koax árnyékolását és mekkora része a bypass ágat.

  

A magyarázat egyszerű: az áram mindig a lehető legkisebb impedanciájú útvonalon szeret cirkulálni.

Kicsit bővebben: az áram elindul a jelgenerátorból, végig a koax belső erén míg el nem éri az $50 \Omega$-os terhelést. A terhelésen áthaladva már visszatérő áramról beszélünk, ezen a ponton választania kell, hogy inkább a koax árnyékolásán folyjon vissza a generátorba vagy a bypass ágon keresztül. És itt jön a képbe a különböző útvonalak impedanciája. Itt fontos leszögezni, hogy ne arra gondoljunk, hogy a visszatérő áram útjának az impedanciája számít, hanem mindig az egész, áram által körbejárt hurok impedanciájára gondoljunk.

Az impedanciát ebben az esetben két tag határozza meg: $Z=R+j \omega L$, tehát annak a huroknak az $(R)$ ellenállása amit az áram befut, valamint ugyanennek a huroknak az $(\omega L)$ induktív rektanciája, ami a hurok $(L)$ induktivitásától és az $(\omega)$ körfrekvenciától függ.

Alacsony frekvencián az induktív tag értéke elhanyagolható az ohmos tag értéke mellett, tehát ilyenkor az áram a vezetékek ohmos ellenállásának megfelelően oszlik meg a két lehetséges útvonal között. Az előző grafikonon jól látszik hogy a bypass ág ohmos ellenállása kisebb, mint a koax árnyékolásáé, hiszen több áram folyik rajta. Magasabb frekvenciákon viszont dominánsabb lesz az induktív tag, tehát már nem a vezetékek ohmos ellenállása lesz az ami a $(Z)$ impedanciát meghatározza, hanem az áram által befutott hurok $(L)$ induktivitása. Ez pedig attól függ, hogy a visszatérő áram mekkora felületet zár be a koax belső erén folyó árammal.

A következő képen jól látszik, hogy a visszatérő áram magasabb frekvenciákon miért nem részesíti előnyben az egyébként kisebb $(R)$ ohmos ellenállású bypass ágat a koax árnyékolásával szemben. Ha ugyanis a bypass ágon folyna vissza a generátorba, akkor óriási területű áramhurok keletkezne. Nagyfrekvencián a nagy hurok = nagy induktivitással = nagy impedanciával.

Ezért a visszatérő áram a fenti útvonal helyett (ami nagyon nagy áramhurkot eredményezne) inkább a következő ábrán látható útvonalat választja, ami szemmel láthatóan sokkal kisebb áramhurkot eredményez.