Bias Tee и DC Block: питание по кабелю и развязка по постоянному току

Два устройства, одна идея

По коаксиальному кабелю одновременно могут идти высокочастотный сигнал и постоянный ток. Иногда это нужно — чтобы питать усилитель или смещать транзистор по тому же кабелю. Иногда вредно — постоянное напряжение на выходе усилителя или разность потенциалов земель может сжечь вход анализатора. Для обеих задач служат два простых устройства на конденсаторе и катушке.

Разделитель постоянного тока (DC Block) — конденсатор в разрыве линии: сигнал проходит, постоянный ток нет. Устройство смещения (Bias Tee) — тройник, где конденсатор пропускает сигнал, а катушка подаёт постоянный ток в линию и не выпускает сигнал в цепь питания.

Конденсатор разделяет постоянный ток, катушка разделяет сигнал. У DC Block — только конденсатор.

Где нужен DC Block

• Защита входа анализатора спектра, анализатора цепей или осциллографа от постоянного напряжения на выходе испытуемого усилителя.
• Разрыв петли по земле между приборами, питающимися от разных розеток: шум питающей сети перестаёт попадать в измерение.
• Развязка каскадов на стенде, когда смещение одного транзистора не должно попадать в соседний.
• Высоковольтная развязка в тракте антенны или передатчика, где на линии может оказаться напряжение питания или наводка.

По внутреннему или по обоим проводникам

Простой разделитель рвёт только центральный проводник — этого достаточно, чтобы не пустить постоянное напряжение в прибор. Разделитель по внешнему проводнику или по обоим разрывает ещё и экран: он нужен, когда мешает не напряжение, а ток по оплётке между заземлёнными приборами. Такие разделители хуже на верхних частотах, потому что разрыв экрана нарушает однородность линии.

Где нужен Bias Tee

На измерительном стенде Bias Tee подаёт смещение на транзистор или питание на усилитель через тот же кабель, по которому снимают характеристики. Так измеряют S-параметры транзисторов при разных рабочих точках, проверяют МШУ и модули без отдельной платы питания, подают управляющее напряжение на варакторы и pin-диоды.

В тракте связи Bias Tee — это инжектор питания для мачтового усилителя или активной антенны: питание идёт снизу по фидеру. Подробно о схемах подключения на мачте — в отдельной статье об инжекторе питания; здесь разберём электрические ограничения самих устройств.

Нижняя частота: почему её трудно опустить

Конденсатор пропускает сигнал, только если его сопротивление мало по сравнению с 50 Ом. Для последовательного конденсатора в тракте 50 Ом частота среза по уровню −3 дБ равна 1/(2π·C·100 Ом). Катушка в Bias Tee должна, наоборот, иметь сопротивление много больше 50 Ом — возьмём десятикратный запас. Отсюда нужные значения на нижней частоте:

Опустить нижнюю частоту в десять раз — значит поставить в десять раз большие конденсатор и катушку. Большая катушка имеет межвитковую ёмкость и резонанс, который портит верхнюю часть полосы. Поэтому широкополосные Bias Tee от десятков килогерц до 40 ГГц делают из нескольких последовательных катушек разных размеров, а у разделителей ставят несколько конденсаторов разных типов.

Оранжевые — устройства смещения УС, синие — разделители РПТ. Одинаковые полосы показаны одной строкой, из узкополосных — два примера.

Самые широкополосные модели каталога перекрывают 5,9 декады частоты — от 50 кГц до 40 ГГц. Узкополосные Bias Tee на одну полосу, например 24,9–25,1 ГГц, проще: катушку можно заменить четвертьволновым шлейфом, и потери получаются меньше, а полоса ограничена несколькими процентами.

Напряжение и ток

У DC Block главная цифра — допустимое постоянное напряжение на конденсаторе. У измерительных разделителей каталога это 16 / 25 / 50 / 100 В, у высоковольтных — до 3000 В: они разделяют цепи с высоким потенциалом, например выход мощного передатчика или линию с грозовыми наводками. Превышение напряжения пробивает конденсатор, и разделитель превращается в перемычку — прибор остаётся без защиты.

У Bias Tee важны напряжение и ток по входу питания. Ток ограничен сечением провода катушки и её нагревом; при большом токе катушка насыщается, индуктивность падает, и сигнал начинает уходить в цепь питания. Для мощных трактов есть исполнения повышенной мощности:

Катушка Bias Tee имеет сопротивление по постоянному току — от долей ома до нескольких ом у широкополосных моделей. При токе 0,5 А на ней падает до вольта, и до нагрузки доходит меньше, чем выставлено на источнике. Для точного смещения напряжение контролируют на стороне нагрузки или поднимают его на источнике с учётом падения. Тот же вход питания удобен для контроля тока потребления усилителя прямо во время ВЧ-измерений.

Импульсы и нижняя частота

Нижняя частота важна не только для синусоиды. Разделитель — это ФВЧ, и импульс через него проходит с искажением: вершина «проседает», потому что конденсатор заряжается. Постоянная времени цепи τ = C·100 Ом. Для конденсатора 1 нФ это 100 нс: импульс длительностью 1 мкс успеет почти полностью «стечь». Для передачи импульсов и цифровых потоков с длинными сериями одинаковых битов берут разделители с нижней частотой в сотни килогерц и ниже.

Та же логика у Bias Tee на стенде импульсных усилителей: если питание подаётся импульсами, катушка и конденсаторы цепи питания задают фронты. Для быстрых импульсов питание подают отдельным ключом рядом с транзистором, а Bias Tee оставляют для постоянного смещения.

Высоковольтные разделители в тракте

Киловольтные разделители с разъёмами N, 4.3-10 и 7/16 ставят в фидеры базовых станций и передатчиков. Они разрывают цепь постоянного тока между антенной и аппаратурой: наведённое грозой или ошибкой монтажа напряжение не доходит до оборудования. Это не замена грозоразряднику — разделитель не отводит ток молнии, а только не пускает постоянную составляющую. Разрядник и разделитель работают вместе.

Как не сжечь прибор на стенде

• Ставьте разделитель прямо на вход анализатора и не снимайте его между измерениями.
• Проверяйте допустимое напряжение разделителя по максимуму на линии, включая выбросы при включении и разряд статики.
• Сначала подключите нагрузку, потом подайте смещение через Bias Tee; снимайте в обратном порядке.
• Ограничьте ток источника питания: при ошибке сгорит предохранитель, а не транзистор.
• Учитывайте потери разделителя и Bias Tee в калибровке — они стоят в тракте так же, как кабель.

Потери, КСВН и разъёмы

Хороший разделитель почти незаметен в тракте: у моделей каталога до 50 ГГц потери 0,25–0,8 дБ и КСВН 1,15–1,5 в рабочей полосе; на 67 и 110 ГГц — 0,4–2 дБ и КСВН до 2. У широкополосных Bias Tee потери выше — до 2–3 дБ на верхних частотах: сказываются катушка и точки пайки. Разъёмы выбирают под тракт — от N и 7/16 для мощных линий до 2,92, 2,4, 1,85 и 1,0 мм для миллиметрового диапазона. Разделители выпускают во всех сочетаниях: вилка — вилка, вилка — розетка, розетка — розетка.

Как выбрать

• Задача: защитить прибор — DC Block; подать питание или смещение — Bias Tee.
• Полоса: нижняя частота определяет размер конденсатора и катушки, верхняя — серию разъёмов.
• Напряжение: для DC Block — с запасом к максимуму на линии; для высоковольтных цепей — киловольтные исполнения.
• Ток питания и мощность ВЧ: для Bias Tee — по потреблению нагрузки и мощности сигнала.
• Разрыв: только по центральному проводнику или и по экрану, если мешают петли по земле.
• Разъёмы и пол: под порт прибора, чтобы не ставить лишних переходников.
• Мощность ВЧ: для DC Block в тракте передатчика — средняя и импульсная, с запасом на рассогласование.
• Условия: для фидеров на улице — герметичные исполнения и защита разъёмов от влаги.

Модели KADAMM

Все модели — в разделах устройств смещения и разделителей KADAMM.

KADAMM · РПТ

разделители постоянного тока

Частоты	700 кГц – 110 ГГц
Моделей	18

Перейти к товару →

KADAMM · РПТ-ВВ

высоковольтные разделители

Частоты	50 МГц – 18 ГГц
Моделей	8

Перейти к товару →

KADAMM · УС

устройства смещения Bias Tee

Частоты	50 кГц – 40 ГГц
Моделей	15

Перейти к товару →

KADAMM · УС-ПМ

Bias Tee повышенной мощности

Частоты	5 МГц – 40 ГГц
Моделей	4

Перейти к товару →