Cuplarea și scurgerea în sisteme RF

Semnale RF în viață reală

Proiectarea și analiza RF necesită o înțelegere a modurilor complexe prin care semnalele de înaltă frecvență se deplasează printr-un circuit real.

Proiectarea RF este cunoscută a fi deosebit de provocatoare printre diversele subdiscipline ale ingineriei electrice. Un motiv pentru aceasta este inconsistența extremă între semnalele electrice teoretice și semnalele sinusoidale de înaltă frecvență.

La un moment dat, cu toții începem să ne dăm seama că componentele idealizate și cablurile și semnalele găsite în analiza circuitului teoretic sunt utile, deși aproximări extrem de inexacte ale realității. Componentele au toleranțe și dependențe de temperatură și elemente parazitare; firele au rezistență, capacitate și inductanță; semnalele au zgomot. Cu toate acestea, numeroase circuite de succes sunt proiectate și puse în aplicare cu puțină considerație pentru aceste nonidealități.

Modelul de circuit echivalent pentru un „condensator” real; la frecvențe foarte mari se comportă de fapt ca un inductor.

Acest lucru este posibil, deoarece atât de multe circuite în aceste zile implică în principal semnale de frecvență joasă sau digitale. Sistemele cu frecvență joasă sunt mult mai puțin supuse semnalului nonideal și comportamentului componentelor; în consecință, circuitele cu frecvență joasă tind să se abată mult mai puțin de la operația pe care o așteptăm pe baza analizei teoretice. 

Sistemele digitale cu frecvență înaltă sunt supuse mai mult neidealității, dar efectele acestor nonidealități nu sunt de obicei proeminente, deoarece comunicarea digitală este inerent robustă. 

Un semnal digital poate experimenta o degradare semnificativă ca urmare a comportamentului unui circuit nonideal, dar atâta timp cât receptorul poate distinge în mod corect logica înaltă de logica scăzută, sistemul menține funcționalitate completă.

În lumea RF, desigur, semnalele nu sunt nici digitale, nici cu frecvență joasă. Comportamentul neașteptat al semnalului devine norma și fiecare dB de raport semnal / zgomot redus corespunde unei limite reduse sau a unei calități audio mai mici sau a unei rate de eroare a biților mai mari.

Cuplarea capacitivă
Este esențial să înțelegem că semnalele RF nu se limitează absolut la căile de conducere prevăzute. Acest lucru este valabil mai ales în contextul plăcilor de circuit imprimat, unde diferitele urme și componente au adesea o mică separare fizică.

 

O diagramă de circuit tipică este formată din componente, fire și spațiul gol dintre ele. Presupunerea este că semnalele circulă de-a lungul cablurilor și nu pot trece prin spațiul gol. În realitate, însă, acele spații goale sunt pline de condensatoare. Capacitanța se formează ori de câte ori doi conductori sunt separați de un material izolant, cu o apropiere fizică mai strânsă corespunzătoare capacității mai mari.

Condensatoarele blochează curent continuu și prezintă impedanță ridicată la semnalele cu frecvență joasă. Astfel, putem ignora mai mult sau mai puțin toată această capacitate nedorită în contextul proiectării cu frecvență joasă. Dar impedanța scade pe măsură ce frecvența crește; la frecvențe foarte mari, un PCB este umplut cu căi de conducere cu impedanță relativ mică create de capacitatea parazită.

Cuplarea radiată
În lumea idealizată, fiecare dispozitiv RF are o singură antenă. În realitate, fiecare conductor este o antenă în sensul că este capabil să emită și să primească radiații electromagnetice. Astfel, cuplarea radiată furnizează un alt mijloc prin care semnalele RF pot trece prin spațiile goale presupuse neconductive între simbolurile schemice.

Ca de obicei, această problemă devine mai gravă pe măsură ce frecvența crește. O antenă este mai eficientă atunci când lungimea sa este o fracțiune semnificativă din lungimea de undă a semnalului și astfel urmele PCB (care sunt de obicei destul de scurte) sunt mai problematice atunci când sunt prezente frecvențe înalte.

Termenul „cuplaj radiat” este mai potrivit atunci când ne referim la efectele de câmp îndepărtat, adică interferența cauzată de radiația electromagnetică care nu se află în imediata vecinătate a antenei. Atunci când conductorii de emisie și recepție sunt separați cu mai puțin de aproximativ o lungime de undă, interacțiunea are loc pe câmpul apropiat. În această situație, câmpul magnetic domină și, prin urmare, termenul mai exact este „cuplaj inductiv”.

Scurgere
Un semnal RF care se cuplează în porțiuni nedorite ale unui circuit este descris ca „scurgere”. Un exemplu clasic de scurgeri este prezentat în următoarea diagramă:




Semnalul oscilatorului local (LO) este alimentat direct la intrarea LO a mixerului; aceasta este calea de conducere intenționată. În același timp, semnalul găsește o cale de conducere neintenționată și reușește să se scurgă în celălalt port de intrare al mixerului. Amestecarea a două semnale cu frecvență și fază identice are ca rezultat o decalare continuă (magnitudinea decalajului scade spre zero pe măsură ce diferența de fază se apropie de 90 ° sau –90 °). Această decalare de curent continuu constituie o provocare majoră de proiectare în ceea ce privește arhitecturile receptorilor care traduc semnalul de intrare direct de la frecvența radio în frecvența de bandă de bază.

O altă cale de scurgere este de la un mixer printr-un amplificator cu zgomot redus la antenă:


 

Dar nu se oprește aici; Semnalul LO ar putea fi radiat de antenă, reflectat de un obiect extern și apoi primit de aceeași antenă. Aceasta ar produce din nou amestecarea automată și decalarea continuă a DC, dar în acest caz, decalajul ar fi foarte imprevizibil - amplitudinea și polaritatea compensării ar fi afectate de magnitudinea în continuă schimbare a semnalului reflectat.

Emițătoare și receptoare
O altă situație care duce la probleme de scurgere este atunci când un dispozitiv RF include atât un receptor, cât și un transmițător. Porțiunea emițătorului are un amplificator de putere care este proiectat pentru a trimite un semnal puternic antenei. Porțiunea de receptor este proiectată pentru a amplifica și demodula semnalele de amplitudine foarte mică. Deci transmițătorul oferă o putere mare, iar receptorul oferă o sensibilitate ridicată.

Probabil puteți vedea unde se întâmplă asta. O cale de cuplare ar putea permite ieșirea PA să se scurgă în lanțul de recepție; chiar și un semnal PA foarte atenuat poate cauza probleme circuitelor de receptori sensibile.

Simplex, Duplex
Această scurgere de la PA la receptor este o problemă numai atunci când circuitul trebuie să susțină transmiterea și recepția simultană. Un sistem compus din două astfel de dispozitive - numite transceiver, pentru că pot funcționa ca emițătoare și receptoare - este denumit full duplex. Un sistem full-duplex permite comunicarea simultană în două sensuri.

Un sistem semi-duplex acceptă numai comunicații bidirecționale non-simultane, deși dispozitivele utilizate într-un sistem semi-duplex sunt încă receptoare, deoarece pot transmite și primi. În cazul dispozitivelor semi-duplex, nu trebuie să ne facem griji cu privire la scurgerea de la PA la receptor, deoarece lanțul de recepție nu este activ în timpul transmisiilor.

Un sistem unic de comunicații RF este denumit „simplex”. Un exemplu foarte comun este transmisia AM sau FM; antena stației transmite, iar radioul mașinii primește.

Rezumat

* Semnalele și componentele electrice din viața reală sunt mai dificil de prevăzut și analizat decât omologii lor idealizați; acest lucru este valabil mai ales pentru semnalele analogice de înaltă frecvență.

* Semnalele RF se deplasează ușor prin căile de conducere neintenționate create de cuplarea capacitivă, cuplarea radiată și cuplarea inductivă.
* Mișcarea semnalelor RF pe căile de conducere neintenționate este denumită scurgere.

* Sistemele RF pot fi împărțite în trei categorii generale:

full duplex (comunicare simultană în două sensuri)
half duplex (comunicare bidirecțională non-simultană)
simplex (comunicare unidirecțională)

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje