Transmissió de RF: Normativa, interferències i transferència d'energia

L’Espectre Electromagnètic
Obteniu més informació sobre com transferir la màxima potència del vostre amplificador a l'antena i com podeu estimar aquesta potència mitjançant un osciloscopi.

Una característica important de la tecnologia de radiofreqüència és la següent: és relativament fàcil per a una persona impedir o, fins i tot, arruïnar a fons la comunicació sense fils d’una altra persona. Les ones de ràdio viatgen a través de l’aire i estan a l’abast de tothom, inclosos aquells que, intencionalment o accidentalment, transmeten senyals que es poden qualificar d’interferències.

Primer, és important comprendre que no podeu “destruir” ni “danyar” els senyals de ràdio que ja s’han transmès. No obstant això, l'efecte de la interferència pot equivaler a destruir un senyal original, ja que compromet la capacitat del receptor d'extreure la informació important que conté aquest senyal. Dit d'una altra manera, la informació continua essent present, però respecte a un receptor particular, a la pràctica, ha deixat d'existir.

La interferència és un repte constant en el disseny de radiofreqüència i la proliferació de dispositius sense fils no facilita la situació. Hi ha diverses maneres de fer que un sistema sigui resistent a les interferències i es tractarà més endavant en el llibre de text. La major part d'aquesta interferència es deu simplement al fet que els dispositius no comunicatius sovint han d'utilitzar freqüències de portadors similars.

No obstant això, també hi ha una interferència deliberada. D’això se’n diu embús; l’objectiu és transmetre un senyal que d’una manera o altra impedeixi que altres sistemes sense fils mantinguin una comunicació exitosa. L'atac és una tàctica important en la guerra moderna i a la vida diària és una molèstia (o pitjor) i és completament il·legal.

 

Reglament
En un primer moment pot semblar estrany que el govern regulés les transmissions sense fils: realment podem imposar lleis sobre una cosa tan intangible com la radiació electromagnètica? Però, per exemple, el problema no deixa de deixar clar que l'absència de normatives comportaria greus problemes. Cal una organització estricta per assegurar-se que el regne de la EMR no es deteriora en una horda caòtica de senyals interferint.

Als Estats Units, la tasca de mantenir l’ordre en el món de la comunicació sense fils recau en la Comissió Federal de Comunicacions (FCC). Les organitzacions privades i públiques que vulguin utilitzar una part de l’espectre electromagnètic han d’obtenir el permís de la FCC; aquest permís es coneix com a llicència. Hi ha excepcions per a sistemes que són d’abast limitat i, per tant, és poc probable que causin una pertorbació important.

Max Power
Si esteu interessats en transmissions de ràdio lliures de llicències (legals), heu de conèixer el vostre poder de transmissió. Tot i que la normativa oficial es presenta en termes d’abast efectiu o d’alguna altra mètrica, hauríeu de poder determinar la potència de transmissió que es considera generalment acceptable en aquestes situacions; i estimar la potència és més fàcil que intentar mesurar amb precisió l’abast del sistema o la força de camp a certa distància de l'antena.

Aquest complot proporciona límits de força de camp (per a un rang específic de freqüències) en funció de les regles de la "part 15" de la FCC. Imatge adaptada de Digi-Key
 
A la RF i a tots els altres tipus de circuits elèctrics, la potència dissipada per un component és igual a la tensió a través d’aquest component multiplicada pel corrent que circula pel component. Pot pensar en una antena com simplement un conductor i, per tant, com una cosa amb molt poca resistència. 

És cert que un conductor pot tenir una resistència molt baixa a corrent continu, però en freqüències més altes, una antena té quantitats importants d’impedància d’entrada. Ens interessa la impedància de l'antena en les freqüències específiques que estem utilitzant per transmetre el nostre senyal de RF; necessitarem aquesta informació per estimar la quantitat de potència lliurada a l'antena.

Transferència de tensió davant de la transferència d'energia
En un circuit digital o analògic típic, no voldríem que una traça de filferro o PCB tingui una resistència de 50 Ω. Sembla una resistència molt elevada per a allò que es descriu com a conductor. 

Però hem de recordar que en circuits de baixa freqüència ens interessa normalment la transferència de tensió, és a dir, volem assegurar-nos que la tensió en un pin d’entrada sigui el més propera possible a la tensió del pin de sortida anterior. Per aconseguir una bona transferència de tensió, necessitem una baixa impedància de sortida, una baixa impedància del conductor i una alta impedància d'entrada.

Tanmateix, en l’etapa de sortida d’un transmissor de RF (o d’un amplificador d’àudio), l’objectiu és la transferència d’energia. No volem només moure la tensió d’un dispositiu a un altre; volem que circuli corrent important per l’antena, de manera que tingui molta energia elèctrica que es pugui convertir en energia electromagnètica radiada.

La transferència màxima de potència es produeix quan la magnitud de la impedància de càrrega és igual a la magnitud de la impedància de la font.

Com podeu veure, la potència de càrrega (PL) és màxima quan RL = RS. Tingueu en compte, però, que l'eficiència (η) continua augmentant més enllà d'aquest punt. La màxima transferència de potència no correspon a la màxima eficiència.
 
En els circuits de radiofreqüència, l’etapa de sortida de l’amplificador (i la línia de transmissió que connecta l’amplificador a l’antena) sovint tindran una impedància de 50 Ω, i per tant la impedància de l’antena també ha de ser de 50 Ω per assegurar la màxima transferència de potència. (Un altre tema important aquí és "coincidir les xarxes", que s'utilitzen per millorar la coincidència d'impedències entre un amplificador i una antena; això es tractarà més endavant al llibre de text.)

Potència estimadora
La discussió precedent explica per què podem analitzar un estadi de sortida de RF connectant l'amplificador de potència a una entrada de oscil·loscopi de 50 Ω: la majoria de sistemes de RF es construeixen al voltant de impedàncies de 50 Ω, així que generalment necessitareu una impedància de l'antena de 50 Ω.

Per descomptat, si coneixeu les característiques de tensió i impedància rellevants del vostre circuit, simplement podeu calcular la potència lliurada a l'antena. Un simulador SPICE seria un altre enfocament eficaç. Però si aquestes tècniques no són pràctiques en les vostres circumstàncies o si voleu verificació empírica, heu d’utilitzar equips de mesura.

Si teniu un analitzador d’espectre, utilitzeu-lo de tota manera. Està dissenyada per proporcionar exactament aquest tipus d’informació. Si no disposeu d’un analitzador d’espectre, podeu fer servir un osciloscopi. Mireu el voltatge RMS del senyal amb una entrada d’àmbit de 50 Ω, i calculeu la potència com a V2 / R, on R = 50 Ω.

resum

* La transmissió electromagnètica està regulada amb cura per mitigar problemes associats a interferències no intencionades. La interferència intencionada, coneguda com a bloqueig, és il·legal en el context de la vida civil.

* Als Estats Units, els dispositius de transmissió generalment han de ser llicenciats per la FCC.

* L'operació sense llicència és possible en determinades condicions associades a una potència de transmissió restringida.

* Per aconseguir la màxima transferència d’energia elèctrica des d’un amplificador a una antena, la magnitud de la impedància de sortida de l’amplificador ha de coincidir amb la magnitud de la impedància d’entrada de l’antena.

* La potència de transmissió es pot determinar mitjançant anàlisi matemàtica o simulació SPICE. També es pot estimar empíricament utilitzant un analitzador d’espectre o un osciloscopi.

Deixa un missatge 

Llista de missatges