Spoj in uhajanje v RF sistemih

Resnični RF signali

Zasnova in analiza RF zahtevata razumevanje zapletenih načinov, kako se visokofrekvenčni signali premikajo po resničnem vezju.

RF oblikovanje je znano, da je med številnimi poddisciplinami elektrotehnike posebno zahtevno. Eden od razlogov za to je skrajna nedoslednost med teoretičnimi električnimi signali in visokofrekvenčnimi sinusoidnimi signali.

V nekem trenutku se vsi zavedamo, da so idealizirane komponente in žice ter signali, ki jih najdemo v analizi teoretičnih vezij, koristni, čeprav so zelo netočni približki resničnosti. Komponente imajo tolerance in temperaturne odvisnosti ter parazitske elemente; žice imajo odpornost, kapacitivnost in induktivnost; signali imajo hrup. Vendar pa so številna uspešna vezja zasnovana in izvedena le malo, če sploh upoštevamo te neenotnosti.

Ekvivalentni model vezja za pravi "kondenzator"; pri zelo visokih frekvencah se dejansko obnaša kot induktor.

To je mogoče, ker toliko tokokrogov v teh dneh vključuje predvsem nizkofrekvenčne ali digitalne signale. Nizkofrekvenčni sistemi so veliko manj podvrženi nenidealnemu signalu in obnašanju komponent; posledično se nizkofrekvenčni tokokrogi precej manj razlikujejo od operacije, ki jo pričakujemo na podlagi teoretične analize. 

Visokofrekvenčni digitalni sistemi so bolj podvrženi neenotnostim, vendar učinki teh neenakosti običajno niso izraziti, ker je digitalna komunikacija sama po sebi močna. 

Digitalni signal lahko povzroči znatno poslabšanje kot rezultat nenidealnega vezja, vendar dokler sprejemnik še vedno pravilno loči logiko visoko od logike nizko, sistem ohranja popolno funkcionalnost.

V svetu RF seveda signali niso niti digitalni niti nizkofrekvenčni. Nepričakovano vedenje signala postane norma, vsak dB zmanjšanega razmerja med signalom in šumom pa ustreza zmanjšanemu območju ali nižji kakovosti zvoka ali povečani hitrosti bitov.

Zmogljiva sklopka
Ključnega pomena je razumeti, da se RF signali absolutno ne omejijo na predvidene poti prevodnosti. To še posebej velja v primeru tiskanih vezij, kjer imajo različne sledi in sestavni deli malo fizične ločitve.

 

Tipični diagram vezja je sestavljen iz komponent, žic in praznega prostora vmes. Predpostavka je, da signali potujejo po žicah in ne morejo skozi prazen prostor. V resnici pa so ti prazni prostori napolnjeni s kondenzatorji. Zmogljivost se tvori vsakič, ko sta dva vodnika ločena z izolacijskim materialom, s čim večjo fizično bližino, ki ustreza večji kapacitivnosti.

Kondenzatorji blokirajo enosmerni tok in predstavljajo visoko impedanco nizkofrekvenčnim signalom. Tako lahko več ali manj prezremo vso to nenamerno kapacitivnost v kontekstu nizkofrekvenčnega načrtovanja. Toda impedanca se zmanjšuje, ko se pogostost povečuje; pri zelo visokih frekvencah je PCB napolnjen z relativno nizko impedance prevodnih poti, ki jih ustvarja parazitska kapacitivnost.

Sevalna sklopka
V idealiziranem svetu ima vsaka RF naprava eno anteno. V resnici je vsak prevodnik antena v smislu, da lahko oddaja in sprejema elektromagnetno sevanje. Tako sevana sklopka zagotavlja še eno sredstvo, s katerim lahko RF-signali prehajajo skozi domnevno neprovodne prazne prostore med shematičnimi simboli.

Kot ponavadi je ta težava z naraščanjem frekvence resnejša. Antena je bolj učinkovita, kadar je njena dolžina pomemben del valovne dolžine signala, zato so sledovi PCB (ki so običajno precej kratki) bolj problematični, kadar so prisotne visoke frekvence.

Izraz "sevana sklopka" je primernejši, kadar se nanaša na učinke na daljinsko polje, to je na motnje, ki jih povzroča elektromagnetno sevanje, ki ni v neposredni bližini antene. Ko se oddajni in sprejemni vodniki ločijo z manj kot približno eno valovno dolžino, pride do interakcije v bližnjem polju. V tej situaciji prevladuje magnetno polje, zato je natančnejši izraz "induktivna sklopka".

Puščanje
RF signal, ki se veže na neželene dele vezja, je opisan kot "puščanje". Klasičen primer puščanja je prikazan na naslednjem diagramu:




Signal lokalnega oscilatorja (LO) se napaja neposredno na vhod LO mešalnika; to je namerna prevodna pot. Hkrati signal najde nenamerno prevodno pot in uspe priti v drugo vhodno mesto mešalnika. Mešanje dveh signalov enake frekvence in faze povzroči odmik enosmernega toka (velikost odmika se zmanjša na nič, ko se fazna razlika približa 90 ° ali –90 °). Ta odmik enosmernega toka predstavlja velik izziv pri arhitekturi sprejemnikov, ki vhodni signal prevajajo neposredno iz radijske frekvence v osnovno frekvenco.

Druga pot puščanja je od mešalnika skozi nizko hrupni ojačevalnik do antene:


 

Toda tu se ne ustavi; signal LO bi lahko seval od antene, ki ga je odseval zunanji predmet, nato pa ga je sprejela ista antena. To bi spet povzročilo samo-mešanje in posledični odmik enosmernega toka, toda v tem primeru bi bil odmik zelo nepredvidljiv - na amplitudo in polarnost odmika bi vplivala nenehno spreminjajoča se velikost odbitega signala.

Oddajniki in sprejemniki
Druga situacija, ki vodi do težav s puščanjem, je, ko RF naprava vključuje sprejemnik in oddajnik. Del oddajnika ima ojačevalnik moči, ki je zasnovan za pošiljanje močnega signala na anteno. Sprejemni del je zasnovan za ojačanje in demodulacijo signalov zelo majhne amplitude. Tako oddajnik zagotavlja visoko moč, sprejemnik pa visoko občutljivost.

Verjetno vidite, kam to gre. Sklopna pot lahko omogoči, da se izhod PA izteka v sprejemno verigo; tudi zelo oslabljen signal PA lahko povzroči težave občutljivemu vezju sprejemnika.

Simplex, duplex
To uhajanje PA na sprejemnik je zaskrbljujoče, če mora vezje podpirati hkratni prenos in sprejem. Sistem, sestavljen iz dveh takih naprav, imenovanih oddajniki, ker lahko delujejo kot oddajniki in sprejemniki, se imenuje polni dupleks. Full-duplex sistem omogoča istočasno dvostransko komunikacijo.

Pol-dupleksni sistem podpira samo ne istočasno dvosmerno komunikacijo, čeprav so naprave, ki se uporabljajo v poldupleksnem sistemu, še vedno sprejemniki, ker lahko prenašajo in sprejemajo. Pri napol dupleksnih napravah nam ni treba skrbeti zaradi uhajanja iz PA na sprejemnik, ker sprejemna veriga med prenosom ni aktivna.

Enosmerni RF komunikacijski sistem se imenuje "simpleks". Zelo pogost primer je oddajanje AM ali FM; antena postaje oddaja in avtoradio sprejema.

Povzetek

* Električne signale in komponente v resničnem življenju je težje predvideti in analizirati kot njihove idealizirane kolege; to še posebej velja za visokofrekvenčne analogne signale.

* RF signali zlahka potujejo po nenamernih prevodnih poteh, ki jih ustvarijo kapacitivna sklopka, sevana sklopka in induktivna sklopka.
* Gibanje RF signalov po nenamernih prevodnih poteh se imenuje puščanje.

* RF sisteme lahko razdelimo v tri splošne kategorije:

polni dupleks (istočasna dvosmerna komunikacija)
napol dupleks (istočasna dvosmerna komunikacija)
simpleks (enosmerna komunikacija)

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo