Bias t-shirt

En bias tee är ett nätverk med tre portar som används för att ställa in DC- biaspunkten för vissa elektroniska komponenter utan att störa andra komponenter. Bias tee är en diplexer . Lågfrekvensporten används för att ställa in bias; högfrekvensporten passerar radiofrekvenssignalerna men blockerar förspänningsnivåerna; den kombinerade porten ansluts till enheten, som ser både bias och RF. Det kallas en tee eftersom de 3 portarna ofta är arrangerade i form av ett T .

Design

Ekvivalent krets för en bias tee

Konceptuellt kan bias-tee ses som en idealisk kondensator som släpper igenom AC men blockerar DC- bias och en ideal induktor som blockerar AC men tillåter DC. Även om vissa bias-T-stycken kan göras med en enkel induktor och kondensator, är bredbands-bias-T-stycken betydligt mer komplicerade eftersom praktiska komponenter har parasitiska element .

Bias T-stycken är designade för transmissionsledningsmiljöer. Typiskt kommer den karakteristiska impedansen Z _o att vara 50 ohm eller 75 ohm. Kondensatorns ( XC ) impedans _är vald att vara mycket mindre än _Zo , och impedansen för induktorn ( XL ) är vald att _vara mycket större än Zo _:

${\begin{aligned}X_{\text{C}}~&= ~{\frac {1}{\omega C}}~=~{\frac {1}{2\pi fC}}~\ll ~Z_{\text{o}}~,\\\\X_{\ text{L}}~&=~~\omega L~~=~~2\pi fL~~\gg ~Z_{\text{o}}~,\\\end{aligned}}$

där ω är vinkelfrekvensen (i radianer per sekund) och f är frekvensen (i Hertz ).

Bias tees är designade för att fungera över en rad signalfrekvenser. Reaktanserna är valda för att ha minimal påverkan vid den lägsta frekvensen.

För förspännings-T-stycken med stort intervall måste den induktiva reaktansen vara stor i värde, även vid den lägsta frekvensen, därför måste induktorns dimensioner vara stora. En stor induktor kommer att ha en strökkapacitans (som skapar dess självresonansfrekvens). Vid en tillräckligt hög frekvens presenterar strökapacitansen en lågimpedans shuntväg för RF-signalen, och bias-tee blir ineffektiv. Praktiska bredbandiga bias-tees måste använda utarbetade kretstopologier för att undvika shuntvägen. Istället för en induktor kommer det att finnas en sträng av induktorer i serie, var och en med sin egen höga resonansfrekvens, förutom lägre sammansatta resonanser som delas mellan dem. Ytterligare motstånd och kondensatorer kommer att sättas in för att förhindra resonanser. Till exempel fungerar en Picosecond Pulse Labs modell 5580 bias tee från 10 kHz till 15 GHz. Följaktligen skulle den enkla designen behöva en induktans på minst 800 μH ( X _L ca j 50 ohm vid 10 kHz), och den induktansen måste fortfarande se ut som en induktor vid 15 GHz. En typisk kommersiell 820 μH induktor har dock en självresonansfrekvens nära 1,8 MHz – fyra storleksordningar för lågt.

Johnson ger ett exempel på en bredbandig microstrip bias-tee som täcker 50 kHz till 1 GHz med fyra induktorer (330 nH, 910 nH, 18 μH och 470 μH) i serie. Hans design krubbade från en kommersiell bias t-shirt. Han modellerade parasitiska elementvärden, simulerade resultat och optimerade komponentval. För att visa fördelen med ytterligare komponenter tillhandahöll Johnson en simulering av en bias-T-shirt som bara använde induktorer och kondensatorer utan Q -undertryckning. Johnson tillhandahåller både simulerade och faktiska prestandadetaljer. Girardi duplicerade och förbättrade Johnsons design och påpekar några ytterligare konstruktionsproblem.

Ansökan

En bias tee används för att sätta in likström i en AC- signal för att driva fjärrantennförstärkare eller andra enheter . Den är vanligtvis placerad vid den mottagande änden av koaxialkabeln för att överföra likström från en extern källa till koaxialkabeln som går till en strömförsörjd enhet. Ett bias "T" består av en matningsinduktor för att leverera DC till en kontakt på enhetssidan och en blockerande kondensator för att hindra DC från att passera igenom till mottagaren . RF - signalen kopplas direkt från den ena kontakten till den andra med endast blockeringskondensatorn i serie. Den interna blockeringsdioden förhindrar skador på förspänningen "T" om omvänd matningsspänning appliceras .

Bias tees används i en mängd olika applikationer, men används vanligtvis för att ge en RF-signal och (DC) ström till en fjärrenhet där det inte är fördelaktigt att köra två separata kablar. Biasing används ofta med fotodioder (vakuum och solid state), mikrokanalplattdetektorer , transistorer och trioder , så att höga frekvenser från signalen inte läcker in i en gemensam strömförsörjningsskena. Omvänt visas inte brus från strömförsörjningen på signalledningen. Andra exempel inkluderar: Power over Ethernet , aktiva antenner, lågbrusförstärkare och nedkonverterare.

Telefonlinjen för vanlig gammal telefontjänst och vissa tidiga mikrofoner använder en bias tee-krets – ofta med en gyrator som ersätter induktorn – detta gör att en tunn kabel med endast 2 ledare kan skicka ström från systemet till enheten och skicka ljud från enheten tillbaka till systemet. Moderna mikrofoner använder ofta 3 ledare i en fantomströmkrets som mycket liknar en bias-tee-krets.

Konstruktion

Det finns flera bias tee-designer.

En speciell konstruktion

Konstruktionen av den horisontella stången på T är baserad på den styva koaxialkabeln med luft som dielektrikum. Radien är vald att vara så stor som möjligt utan att tillåta högre lägen. Utformningen av ett bias "T" baseras på att ström går ut till fjärrenheten, men inte ses av basstationen eller mottagaren. Den gör detta genom att använda en kondensator på RF-utgångsterminalen, vilket effektivt skapar en öppen krets för DC-strömmen. Den inkommande RF-signalen, eller den från antennen, är utgången för DC-effekten. " T" består vanligtvis av ett bandpassfilter , en lågbrusförstärkare och en mixer kopplad till en lokal oscillator.

Kondensator

Vid ett tillfälle skärs en liten skiva ut ur mittledaren, därför bildas en kondensator och låga frekvenser blockeras. Denna typ av kondensator har fördelen att den är nästan osynlig för högre frekvenser. För att skicka frekvenser ner till 1 MHz måste kapacitansen ökas. En dielektrikum som NPO multiplicerar kapacitansen med en faktor 65. Tjockleken på kondensatorn måste vara minimal utan att leda till elektriskt genombrott i dielektrikumet, detta innebär att man undviker eventuella toppar i det elektriska fältet och detta innebär släta elektroder med rundade kanter och ett dielektrikum som sticker ut mellan elektroderna (dörrhandtagsdesign). En stapel med kondensatorer kan användas, men varje kondensator behöver tillgång till ytan på den inre ledaren, för om den är gömd bakom en annan kondensator kommer de höga frekvenserna inte att se den, eftersom det elektriska fältet behöver mycket tid för att färdas genom en kondensator. dielektrikum med hög dielektricitetskonstant

Spole

En liten spole gjord av fin tråd med en luftkärna eller MnFeZn-kärna förbinder den inre ledaren på en av kondensatorns sidor med en port i den yttre ledaren som leder ner i T. Frekvenser över 1 GHz träffar spolen från sidan och applicera ett lika elektriskt fält på hela spolen. Därför exciteras inga högre moder i spolen. På grund av spolens induktivitet läcker nästan ingen ström från mittledaren till porten. Frekvenser mellan 1 MHz och 1 GHz läcker in i denna port, så det finns en andra spole med en konformad kärna utanför den yttre ledaren, men inuti ett hölje för att undvika störningar med andra komponenter. Denna kon fungerar som en konisk transmissionsledningstransformator. Det börjar med en hög impedans, så mycket kraft kommer att reflekteras, men resten kommer att färdas ner i spolen och det finns en del läckage in i lågfrekvensporten.

Svängningar

Eventuella svängningar i kondensatorn eller spolen eller den sammansatta LC-kretsen dämpas av dielektrikumet och kärnan. Den lilla spolen bör också ha ett motstånd på cirka 10 ohm för ytterligare fuktiga svängningar och undvika rippel på det överförda spektrumet.

Se även

• Diplexer

Vidare läsning

•   Minnis, Brian J. (1996), Designing Microwave Circuits by Exact Synthesis , Artech House, ISBN 0-89006-741-4
• Minnis, BJ (juni 1987), "Decade Bandwidth Bias T's for MIC Applications up to 50 GHz", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , IEEE, 35 (6): 597–600, doi : 10.1109/TMTT.193711.193711.

externa länkar

• Baylis, Charles; Dunleavy, Lawrence; Clausen, William (oktober 2006), "Design of Bias Tees for a Pulsed-bias, Pulsed-RF Test System Using Excurate Component Models" ( PDF) , Microwave Journal
• Hicks, Brian; Erickson, Bill (21 maj 2008), Bias-T Design Considerations for LWA (PDF) (15 MHz till 115 MHz enkel 4,7 μH induktordesign)