Acoblament i fuites en sistemes de RF

Senyals RF de vida real

El disseny i l’anàlisi de RF requereix una comprensió de les maneres complexes de desplaçar els senyals d’alta freqüència a través d’un circuit real.

Es coneix que el disseny de radiofreqüència és particularment difícil entre les diverses subdisciplines d’enginyeria elèctrica. Un dels motius d'això és l'extrema inconsistència entre els senyals elèctrics teòrics i els senyals sinusoïdals d'alta freqüència.

En algun moment tots comencem a adonar-nos que els components idealitzats, els cables i els senyals que es troben en l'anàlisi del circuit teòric són útils, encara que són aproximacions molt inexactes de la realitat. Els components tenen toleràncies i dependències de temperatura i elements parasitaris; els cables tenen resistència, capacitança i inductància; els senyals tenen soroll. Tot i això, nombrosos circuits d’èxit estan dissenyats i implementats sense tenir en compte alguna cosa d’aquestes no-localitats.

El model de circuit equivalent per a un “condensador” real; a freqüències molt altes, realment es comporta com un inductor.

Això és possible perquè tants circuits en aquests dies inclouen principalment senyals de baixa freqüència o digitals. Els sistemes de baixa freqüència estan molt menys sotmesos a comportaments de senyal i components que no siguin; en conseqüència, els circuits de baixa freqüència tendeixen a desviar-se molt menys del funcionament que esperem basant-nos en anàlisis teòriques. 

Els sistemes digitals d’alta freqüència estan més sotmesos a no-globalitats, però els efectes d’aquestes no-virtualitats no solen ser destacats perquè la comunicació digital és inherentment robusta. 

Un senyal digital pot experimentar una degradació important com a conseqüència del comportament del circuit no extern, però sempre que el receptor pugui distingir correctament la lògica alta de la lògica baixa, el sistema manté una funcionalitat completa.

Al món de la RF, per descomptat, els senyals no són digitals ni de baixa freqüència. El comportament inesperat del senyal es converteix en la norma i cada dB de relació reduïda entre senyal i soroll correspon a un rang reduït, una qualitat d'àudio inferior o una taxa d'error augmentada.

Acoblament capacitiu
És imprescindible entendre que els senyals RF no es limiten absolutament a les vies de conducció previstes. Això és particularment cert en el context de plaques de circuit imprès, on les diferents traces i components sovint tenen poca separació física.

 

Un diagrama de circuit típic consisteix en components, cables i l’espai buit entremig. El supòsit és que els senyals viatgen per cable i no poden passar per l'espai buit. En realitat, però, aquells espais buits estan plens de condensadors. La capacitança es forma sempre que dos conductors estan separats per un material aïllant, amb una proximitat física més propera corresponent a una capacitat major.

Els condensadors bloquegen el corrent continu i presenten alta impedància als senyals de baixa freqüència. Així, podem ignorar més o menys tota aquesta capacitança no desitjada en el context del disseny de baixa freqüència. Però la impedància disminueix a mesura que augmenta la freqüència; a freqüències molt elevades, un PCB s’omple de camins de conducció d’impedància relativament baixa creats per la capacitança parasitària.

Acoblament radiat
Al món idealitzat, cada dispositiu de radiofreqüència té una antena. En realitat, cada conductor és una antena en el sentit que és capaç d’emetre i rebre radiació electromagnètica. Així, l’acoblament radiat proporciona un altre mitjà pel qual els senyals RF poden passar pels espais buits suposadament no conductor entre símbols esquemàtics.

Com és habitual, aquest problema es torna més greu a mesura que augmenta la freqüència. Una antena és més efectiva quan la seva longitud és una fracció significativa de la longitud d’ona del senyal i, per tant, les traces del PCB (que solen ser força curtes) són més problemàtiques quan hi ha freqüències altes.

El terme "acoblament radiat" és més apropiat quan es refereix a efectes de camp llunyà, és a dir, a interferències causades per radiació electromagnètica que no es troba a les proximitats de l'antena. Quan els conductors emissors i receptors estan separats per menys d'una longitud d'ona aproximadament, la interacció es produeix en el camp proper. En aquesta situació domina el camp magnètic i, per tant, el terme més precís és "acoblament inductiu".

Fuites
Un senyal de RF que s’acobla a porcions no desitjades d’un circuit es descriu com a “fuga”. Al següent diagrama es mostra un exemple clàssic de fuites:




El senyal d'oscil·lador local (LO) s'alimenta directament a l'entrada LO del mesclador; aquest és el camí de conducció intencionada. Al mateix temps, el senyal troba una ruta de conducció no intencionada i aconsegueix filtrar-se a l'altre port d'entrada del mesclador. Si es barreja dos senyals d’igual freqüència i fase es produeix un desplaçament de corrent continu (la magnitud de l’ofensament disminueix cap a zero a mesura que la diferència de fase s’acosta als 90 ° o –90 °). Aquest desplaçament de corrent continu constitueix un important repte de disseny respecte a les arquitectures de receptors que tradueixen el senyal d’entrada directament de la freqüència de ràdio a la freqüència de banda base.

Una altra via de fuites és des d'un mesclador passant per un amplificador de baix soroll fins a l'antena:


 

Però no s’atura aquí; el senyal LO podria ser irradiat per l'antena, reflectit per un objecte extern, i després rebut per la mateixa antena. Això tornaria a produir la barreja automàtica i el desplaçament de corrent continu, però en aquest cas l’impulsió seria molt imprevisible: l’amplitud i la polaritat del desplaçament es veurien afectades per la magnitud canviant constantment del senyal reflectit.

Transmissors i receptors
Una altra situació que comporta problemes de fuites és quan un dispositiu de RF inclou tant un receptor com un transmissor. La part del transmissor té un amplificador de potència dissenyat per enviar un senyal fort a l'antena. La part del receptor està dissenyada per amplificar i demodular senyals d’amplitud molt petita. De manera que el transmissor proporciona una alta potència i el receptor proporciona una alta sensibilitat.

Probablement podeu veure cap a on va això. Una ruta d’acoblament podria permetre que la sortida de PA es filtrés a la cadena de recepció; fins i tot un senyal de PA altament atenuat pot causar problemes en els circuits receptors sensibles.

Simplex, dúplex
Aquesta fuga de PA a receptor només és un problema quan el circuit ha de suportar la transmissió i recepció simultànies. Un sistema format per dos dispositius, anomenats transceivers, perquè poden funcionar com a transmissors i receptors, es coneix com a dúplex complet. Un sistema full-duplex permet una comunicació bidireccional simultània.

Un sistema semi-dúplex només admet comunicacions bidireccionals no simultànies, tot i que els dispositius utilitzats en un sistema de semipúplex continuen sent transceptors perquè poden transmetre i rebre. Amb els dispositius semi-dúplex no hem de preocupar-nos de la fugida de l’alimentació al receptor perquè la cadena de recepció no està activa durant les transmissions.

Un sistema de comunicació de sentit únic es coneix com a "simplex". Un exemple molt comú és la transmissió AM o FM; l'antena de l'estació transmet i la ràdio del cotxe rep.

resum

* Els senyals i components elèctrics de la vida real són més difícils de predir i analitzar que els seus homòlegs idealitzats; això és especialment cert per als senyals analògics d’alta freqüència.

* Els senyals RF viatgen fàcilment a través de camins de conducció no desitjats creats per l'acoblament capacitiu, l'acoblament radiat i l'acoblament inductiu.
* El moviment de senyals de RF per camins de conducció no desitjats es coneix com a fuites.

* Els sistemes de RF es poden dividir en tres categories generals:

full duplex (comunicació bidireccional simultània)
half duplex (comunicació bidireccional no simultània)
simplex (comunicació unidireccional)

Deixa un missatge 

Llista de missatges