Kytkentä ja vuodot RF-järjestelmissä

Tosielämän RF-signaalit

RF-suunnittelu ja analysointi vaatii ymmärrystä monimutkaisista tavoista, joilla korkeataajuiset signaalit liikkuvat todellisen piirin läpi.

RF-suunnittelun tiedetään olevan erityisen haastava sähkötekniikan eri osa-alueilla. Yksi syy tähän on äärimmäinen epäjohdonmukaisuus teoreettisten sähköisten signaalien ja korkeataajuisten sinimuotoisten signaalien välillä.

Jossain vaiheessa me kaikki alamme huomata, että teoreettisessa piirianalyysissä löydetyt idealisoidut komponentit, johdot ja signaalit ovat hyödyllisiä tosiasiallisesti erittäin epätarkkojen likiarvojen suhteen. Komponenteilla on toleranssit ja lämpötilariippuvuudet ja loiset elementit; johdoilla on vastus, kapasitanssi ja induktanssi; signaaleissa on melua. Lukuisat onnistuneet piirit on kuitenkin suunniteltu ja toteutettu ottamatta huomioon näitä poikkeavuuksia vähän tai ei ollenkaan.

Vastaava piirimalli oikealle “kondensaattorille”; erittäin korkeilla taajuuksilla se käytännössä toimii kuin induktori.

Tämä on mahdollista, koska niin moniin piireihin liittyy nykyään pääasiassa matalataajuisia tai digitaalisia signaaleja. Matalataajuiset järjestelmät ovat paljon vähemmän alttiita yksideaalisten signaalien ja komponenttien käyttäytymiselle; tämän seurauksena matalataajuuksisilla piireillä on taipumus poiketa paljon vähemmän toiminnasta, jota odotamme teoreettisen analyysin perusteella. 

Korkean taajuuden digitaaliset järjestelmät ovat alttiimpia epäsuorituskyvylle, mutta näiden epäsuoritusten vaikutukset eivät yleensä ole näkyviä, koska digitaalinen viestintä on luonnostaan ​​vahvaa. 

Digitaalinen signaali voi kokea merkittävän heikkenemisen epäideaalisen piirin käyttäytymisen seurauksena, mutta niin kauan kuin vastaanotin voi silti erottaa oikein logiikan korkeasta logiikan alhaisesta, järjestelmä ylläpitää kaikkia toimintoja.

RF-maailmassa signaalit eivät tietenkään ole digitaalisia eikä matalataajuisia. Odottamattomasta signaalin käyttäytymisestä tulee normi, ja jokainen alennetun signaali-kohinasuhteen dB vastaa alennettua aluetta tai heikompaa äänenlaatua tai lisääntynyttä bittivirhesuhdetta.

Kapasitiivinen kytkentä
On välttämätöntä ymmärtää, että radiotaajuussignaalit eivät ehdottomasti rajoitu vain aiottuihin johtopolkuihin. Tämä pätee erityisesti painettujen piirilevyjen tilanteeseen, jossa erilaisilla jälkeillä ja komponenteilla on usein vähän fyysistä etäisyyttä.

 

Tyypillinen piirikaavio koostuu komponenteista, johdoista ja niiden välisestä tyhjästä tilasta. Oletuksena on, että signaalit kulkevat johtimia pitkin eivätkä voi kulkea tyhjän tilan läpi. Tosiasiassa nuo tyhjät tilat ovat kuitenkin täynnä kondensaattoreita. Kapasitanssi muodostuu aina, kun kaksi johdinta erottaa eristysmateriaali, ja fyysinen läheisyys vastaa suurempaa kapasitanssia.

Kondensaattorit estävät tasavirtaa ja esittävät suurta impedanssia matalataajuisille signaaleille. Siksi voimme enemmän tai vähemmän sivuuttaa kaiken tämän tahattoman kapasitanssin matalataajuisen suunnittelun yhteydessä. Mutta impedanssi pienenee taajuuden kasvaessa; erittäin korkeilla taajuuksilla piirilevy täytetään suhteellisen alhaisella impedanssilla johtavuusreiteillä, jotka on luotu loiskapasitanssilla.

Säteilevä kytkentä
Ihanteellisessa maailmassa jokaisella RF-laitteella on yksi antenni. Todellisuudessa jokainen johdin on antenni siinä mielessä, että se pystyy lähettämään ja vastaanottamaan sähkömagneettista säteilyä. Siten säteilykytkentä tarjoaa toisen välineen, jolla RF-signaalit voivat kulkea oletettavasti johtamattomien tyhjien tilojen läpi kaavamaisten symbolien välillä.

Kuten tavallista, tästä ongelmasta tulee vakavampi taajuuden kasvaessa. Antenni on tehokkaampaa, kun sen pituus on merkittävä osa signaalin aallonpituudesta, ja siten PCB-jäljet ​​(jotka ovat yleensä melko lyhyitä) ovat ongelmallisempia, kun läsnä on korkeita taajuuksia.

Termi "säteilykytkentä" on tarkoituksenmukaisempi viitaten kaukokenttävaikutuksiin, toisin sanoen sähkömagneettisen säteilyn aiheuttamiin häiriöihin, jotka eivät ole antennin välittömässä läheisyydessä. Kun säteilevät ja vastaanottavat johtimet on erotettu alle noin yhdellä aallonpituudella, vuorovaikutus tapahtuu lähikentässä. Tässä tilanteessa magneettikenttä hallitsee, ja näin ollen tarkempi termi on ”induktiivinen kytkentä”.

vuoto
RF-signaali, joka kytkeytyy piirin ei-toivottuihin osiin, kuvataan "vuotavaksi". Klassinen esimerkki vuodosta on kuvattu seuraavassa kaaviossa:




Paikallisoskillaattorisignaali syötetään suoraan sekoittimen LO-tuloon; tämä on tarkoituksellinen johtamispolku. Samanaikaisesti signaali löytää tahattoman johtopolun ja onnistuu vuotamaan sekoittimen toiseen tuloporttiin. Kahden saman taajuuden ja vaiheen signaalin sekoittaminen johtaa DC-siirtymään (siirron suuruus vähenee kohti nollaa, kun vaihe-ero lähestyy 90 ° tai –90 °). Tämä tasavirta on suuri suunnittelun haaste vastaanottimen arkkitehtuureille, jotka kääntävät tulosignaalin suoraan radiotaajuudesta kantataajuudelle.

Toinen vuodotie on sekoittimelta matalan kohinan vahvistimen kautta antennille:


 

Mutta se ei lopu tähän; antenni voi säteilyttää LO-signaalin, heijastaa ulkoinen esine ja sitten vastaanottaa sama antenni. Tämä tuottaisi jälleen itse sekoittumisen ja tuloksena olevan DC-siirtymän, mutta tässä tapauksessa siirtymä olisi erittäin arvaamaton - heijastetun signaalin jatkuvasti muuttuva voimakkuus vaikuttaa offsetin amplitudiin ja napaisuuteen.

Lähettimet ja vastaanottimet
Toinen tilanne, joka johtaa vuoto-ongelmiin, on se, kun RF-laite sisältää sekä vastaanottimen että lähettimen. Lähettimen osassa on tehovahvistin, joka on suunniteltu lähettämään voimakas signaali antennille. Vastaanotinosa on suunniteltu vahvistamaan ja demoduloimaan erittäin pienen amplitudin signaaleja. Joten lähetin tarjoaa suurta tehoa ja vastaanotin korkea herkkyys.

Voit luultavasti nähdä, mihin tämä menee. Kytkentäreitti voisi antaa PA-lähdön vuotaa vastaanottoketjuun; jopa erittäin vaimennettu PA-signaali voi aiheuttaa ongelmia herkälle vastaanotinpiirille.

Yksinkertainen, kaksipuolinen
Tämä PA-vastaanotin -vuoto on huolenaihe vain silloin, kun piirin on tuettava samanaikaista lähetystä ja vastaanottoa. Järjestelmä, joka koostuu kahdesta tällaisesta laitteesta - nimeltään lähetinvastaanottimet, koska ne voivat toimia lähettiminä ja vastaanottimina - kutsutaan täysdupleksi. Kaksisuuntainen kaksipuolinen järjestelmä mahdollistaa samanaikaisen kaksisuuntaisen viestinnän.

Puolidupleksijärjestelmä tukee vain ei-samanaikaista kaksisuuntaista viestintää, vaikka puolidupleksijärjestelmässä käytetyt laitteet ovat edelleen lähetin-vastaanottimia, koska ne voivat lähettää ja vastaanottaa. Puoli-dupleksilaitteiden kanssa meidän ei tarvitse huolehtia vuodoista PA: lta vastaanottimelle, koska vastaanottoketju ei ole aktiivinen lähetysten aikana.

Yhdensuuntaiseen RF-viestintäjärjestelmään viitataan nimellä "simplex". Hyvin yleinen esimerkki on AM- tai FM-lähetys; aseman antenni lähettää ja autoradio vastaanottaa.

Yhteenveto

* Tosielämän sähköisiä signaaleja ja komponentteja on vaikeampi ennustaa ja analysoida kuin niiden idealisoituja vastineita; tämä pätee erityisesti korkean taajuuden analogisiin signaaleihin.

* RF-signaalit kulkevat helposti kapasitiivisen kytkennän, säteilykytkennän ja induktiivisen kytkennän luomien tahattomien johtopolkujen kautta.
* RF-signaalien liikkeelle tahattomien johtopolkujen kautta viitataan vuodoksi.

* RF-järjestelmät voidaan jakaa kolmeen yleiseen luokkaan:

kaksipuolinen (samanaikainen kaksisuuntainen viestintä)
puoli duplex (ei-samanaikainen kaksisuuntainen viestintä)
yksisuuntainen (yksisuuntainen viestintä)

Jätä viesti 

viestiluettelo