Sprzężenie i wyciek w systemach RF

Prawdziwe sygnały RF

Projektowanie i analiza RF wymaga zrozumienia złożonych sposobów, w jakie sygnały o wysokiej częstotliwości przemieszczają się w rzeczywistym obwodzie.

Wiadomo, że projektowanie fal radiowych stanowi szczególne wyzwanie dla różnych poddziałów elektrotechniki. Jednym z powodów tego jest skrajna niespójność między teoretycznymi sygnałami elektrycznymi a sinusoidalnymi sygnałami o wysokiej częstotliwości.

W pewnym momencie wszyscy zaczynamy zdawać sobie sprawę, że wyidealizowane komponenty oraz przewody i sygnały znalezione w teoretycznej analizie obwodu są pomocne, choć bardzo niedokładne przybliżenia rzeczywistości. Komponenty mają tolerancje i zależności temperaturowe oraz elementy pasożytnicze; przewody mają rezystancję, pojemność i indukcyjność; sygnały mają szum. Jednak wiele udanych obwodów zostało zaprojektowanych i wdrożonych przy niewielkim lub żadnym uwzględnieniu tych niejednorodności.

Równoważny model obwodu dla prawdziwego „kondensatora”; przy bardzo wysokich częstotliwościach faktycznie zachowuje się jak cewka indukcyjna.

Jest to możliwe, ponieważ obecnie tak wiele obwodów obejmuje przede wszystkim sygnały o niskiej częstotliwości lub sygnały cyfrowe. Systemy o niskiej częstotliwości są znacznie mniej podatne na zewnętrzne sygnały i zachowanie komponentów; w konsekwencji obwody niskiej częstotliwości zwykle znacznie mniej odbiegają od operacji, których oczekujemy na podstawie analizy teoretycznej. 

Systemy cyfrowe o wysokiej częstotliwości są bardziej podatne na niejednorodności, ale skutki tych nierzeczywistości zwykle nie są widoczne, ponieważ komunikacja cyfrowa jest z natury solidna. 

Sygnał cyfrowy może ulegać znacznej degradacji w wyniku nieidealnego zachowania obwodu, ale dopóki odbiornik może nadal poprawnie odróżniać wysoki poziom logiczny od niskiego poziom logiczny, system zachowuje pełną funkcjonalność.

Oczywiście w świecie RF sygnały nie są ani cyfrowe, ani niskiej częstotliwości. Nieoczekiwane zachowanie sygnału staje się normą, a każdy dB zmniejszonego stosunku sygnału do szumu odpowiada zmniejszonemu zakresowi lub niższej jakości dźwięku lub zwiększonemu bitowemu współczynnikowi błędów.

Sprzężenie pojemnościowe
Należy koniecznie zrozumieć, że sygnały RF absolutnie nie ograniczają się do zamierzonych ścieżek przewodzenia. Jest to szczególnie prawdziwe w kontekście płytek obwodów drukowanych, w których różne ślady i elementy często mają niewielką fizyczną separację.

 

Typowy schemat połączeń składa się z elementów, przewodów i pustej przestrzeni pomiędzy nimi. Zakłada się, że sygnały przemieszczają się wzdłuż drutów i nie mogą przechodzić przez pustą przestrzeń. W rzeczywistości jednak te puste przestrzenie są wypełnione kondensatorami. Pojemności powstają za każdym razem, gdy dwa przewody są oddzielone materiałem izolacyjnym, przy bliższej fizycznej bliskości odpowiadającej wyższej pojemności.

Kondensatory blokują prąd stały i wykazują wysoką impedancję na sygnały niskiej częstotliwości. W ten sposób możemy mniej więcej zignorować całą tę niezamierzoną pojemność w kontekście projektowania niskich częstotliwości. Ale impedancja maleje wraz ze wzrostem częstotliwości; przy bardzo wysokich częstotliwościach płytka PCB jest wypełniona ścieżkami przewodzenia o stosunkowo niskiej impedancji utworzonej przez pasożytniczą pojemność.

Sprzęganie promieniowane
W wyidealizowanym świecie każde urządzenie RF ma jedną antenę. W rzeczywistości każdy przewodnik jest anteną w tym sensie, że jest w stanie emitować i odbierać promieniowanie elektromagnetyczne. Zatem sprzężenie promieniowane stanowi kolejny środek, za pomocą którego sygnały RF mogą przechodzić przez rzekomo nieprzewodzące puste przestrzenie między symbolami schematycznymi.

Jak zwykle ten problem staje się poważniejszy wraz ze wzrostem częstotliwości. Antena jest bardziej skuteczna, gdy jej długość stanowi znaczną część długości fali sygnału, a zatem ślady na płytce drukowanej (które zwykle są raczej krótkie) są bardziej problematyczne, gdy występują wysokie częstotliwości.

Termin „sprzężenie promieniowane” jest bardziej odpowiedni w odniesieniu do efektów dalekiego pola, tj. Zakłóceń spowodowanych promieniowaniem elektromagnetycznym, które nie znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie anteny. Gdy przewody emitujące i odbierające są oddzielone mniej niż w przybliżeniu jedną długością fali, interakcja zachodzi w polu bliskim. W tej sytuacji dominuje pole magnetyczne, w związku z czym dokładniejszym terminem jest „sprzężenie indukcyjne”.

Wyciek
Sygnał RF, który sprzęga się z niechcianymi częściami obwodu, określa się jako „przeciekający”. Klasyczny przykład wycieku przedstawiono na poniższym schemacie:




Sygnał lokalnego oscylatora (LO) jest podawany bezpośrednio na wejście LO miksera; to jest celowa ścieżka przewodzenia. Jednocześnie sygnał znajduje niezamierzoną ścieżkę przewodzenia i udaje się przeciekać do drugiego portu wejściowego miksera. Mieszanie dwóch sygnałów o identycznej częstotliwości i fazie powoduje przesunięcie prądu stałego (wielkość przesunięcia zmniejsza się do zera, gdy różnica faz zbliża się do 90 ° lub –90 °). To przesunięcie prądu stałego stanowi poważne wyzwanie projektowe w odniesieniu do architektury odbiornika, która tłumaczy sygnał wejściowy bezpośrednio z częstotliwości radiowej na częstotliwość pasma podstawowego.

Inna ścieżka wycieku prowadzi od miksera przez wzmacniacz o niskim poziomie hałasu do anteny:


 

Ale to nie koniec; sygnał LO może być emitowany przez antenę, odbijany przez obiekt zewnętrzny, a następnie odbierany przez tę samą antenę. To ponownie spowodowałoby samosmieszanie i wynikające z tego przesunięcie prądu stałego, ale w tym przypadku przesunięcie byłoby wysoce nieprzewidywalne - na amplitudę i polaryzację przesunięcia miałby wpływ ciągle zmieniająca się wielkość odbijanego sygnału.

Nadajniki i odbiorniki
Inną sytuacją, która prowadzi do problemów z wyciekiem, jest sytuacja, gdy urządzenie RF zawiera zarówno odbiornik, jak i nadajnik. Nadajnik ma wzmacniacz mocy, który jest przeznaczony do wysyłania silnego sygnału do anteny. Część odbiorcza jest zaprojektowana do wzmacniania i demodulacji sygnałów o bardzo małej amplitudzie. Nadajnik zapewnia więc wysoką moc, a odbiornik zapewnia wysoką czułość.

Prawdopodobnie możesz zobaczyć, dokąd to zmierza. Ścieżka sprzęgania może pozwolić na wyciek sygnału wyjściowego PA do łańcucha odbiorczego; nawet bardzo osłabiony sygnał PA może powodować problemy dla wrażliwych obwodów odbiornika.

Jednostronnie, Dwustronnie
Ten wyciek z PA do odbiornika jest problemem tylko wtedy, gdy obwód musi obsługiwać jednoczesną transmisję i odbiór. System złożony z dwóch takich urządzeń - zwanych transceiverami, ponieważ mogą one działać jako nadajniki i odbiorniki - jest określany jako pełny dupleks. System pełnego dupleksu umożliwia jednoczesną dwukierunkową komunikację.

System półdupleksowy obsługuje tylko niejednoczesną dwukierunkową komunikację, chociaż urządzenia używane w systemie półdupleksowym są nadal urządzeniami nadawczo-odbiorczymi, ponieważ mogą nadawać i odbierać. Dzięki urządzeniom półdupleksowym nie musimy się martwić o wyciek z PA do odbiornika, ponieważ łańcuch odbiorczy nie jest aktywny podczas transmisji.

Jednokierunkowy system komunikacji radiowej nazywany jest „simpleks”. Bardzo częstym przykładem jest nadawanie AM lub FM; antena stacji nadaje, a radio samochodowe odbiera.

Podsumowanie

* Rzeczywiste sygnały elektryczne i komponenty są trudniejsze do przewidzenia i analizy niż ich wyidealizowane odpowiedniki; dotyczy to szczególnie sygnałów analogowych o wysokiej częstotliwości.

* Sygnały RF łatwo przemieszczają się przez niezamierzone ścieżki przewodzące utworzone przez sprzężenie pojemnościowe, sprzężenie promieniowane i sprzężenie indukcyjne.
* Ruch sygnałów RF przez niezamierzone ścieżki przewodzenia określa się jako upływ.

* Systemy RF można podzielić na trzy ogólne kategorie:

pełny dupleks (jednoczesna komunikacja dwukierunkowa)
half duplex (nie jednoczesna komunikacja dwukierunkowa)
simplex (komunikacja jednokierunkowa)

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów