RF-süsteemide sidumine ja leke

Reaalajas raadiosignaalid

RF-kujundus ja -analüüs nõuab arusaamist keerukatest viisidest, kuidas kõrgsagedussignaalid reaalahelas liikuvad.

RF-disain on teadaolevalt eriti keeruline elektrotehnika erinevate alaharude seas. Selle üks põhjus on teoreetiliste elektrisignaalide ja kõrgsageduslike sinusoidsignaalide äärmine vastuolu.

Mingil hetkel hakkame me kõiki mõistma, et teoreetilise vooluringi käigus leitud idealiseeritud komponendid ning juhtmed ja signaalid on abiks, ehkki tegelikkuse väga ebatäpsed lähenemised. Komponentidel on tolerantsid ja sõltuvus temperatuurist ning parasiitielemendid; juhtmetel on takistus, mahtuvus ja induktiivsus; signaalidel on müra. Kuid arvukalt edukaid vooluringid on välja töötatud ja rakendatud, arvestamata neid erinevusi.

Ehtsa kondensaatori samaväärne vooluringi mudel; väga kõrgetel sagedustel käitub see tegelikult nagu induktiivpool.

See on võimalik, kuna nii paljudes vooluringides kasutatakse tänapäeval peamiselt madalsageduslikke või digitaalseid signaale. Madala sagedusega süsteemid mõjutavad palju vähem signaali ja komponentide käitumist; järelikult kalduvad madalsageduslikud vooluringid toimimisest, mida teoreetilise analüüsi põhjal eeldame, palju vähem. 

Kõrgsageduslikel digitaalsüsteemidel on rohkem erinevusi, kuid nende erinevuste mõju pole tavaliselt silmapaistev, kuna digitaalne kommunikatsioon on oma olemuselt jõuline. 

Digitaalsignaal võib mitteideaalse vooluahela käitumise tõttu märkimisväärselt halveneda, kuid seni, kuni vastuvõtja suudab loogikat kõrgel ja madala loogikaga õigesti eristada, säilitab süsteem täieliku funktsionaalsuse.

Raadiosagedusmaailmas pole signaalid muidugi ei digitaalsed ega ka madala sagedusega. Ootamatu signaali käitumine muutub normiks ja iga vähendatud signaali-müra suhte dB vastab vähendatud vahemikule või madalamale helikvaliteedile või suurenenud biti veamäärale.

Mahtuvuslik sidur
On oluline mõista, et raadiosignaalid ei piirdu absoluutselt kavandatud juhtivusega. See kehtib eriti trükkplaatide kohta, kus erinevatel jälgedel ja komponentidel on sageli vähe füüsikalist eraldumist.

 

Tüüpiline skeem koosneb komponentidest, juhtmetest ja nende vahelisest tühjast kohast. Eeldatakse, et signaalid liiguvad mööda juhtmeid ega saa läbi tühja ruumi. Tegelikult on need tühjad kohad aga kondensaatoritega täidetud. Mahutavus moodustub siis, kui kaks juhti on eraldatud isoleermaterjaliga, suuremale mahtuvusele vastab tihedam füüsiline lähedus.

Kondensaatorid blokeerivad alalisvoolu ja pakuvad madala sagedusega signaalidele suurt takistust. Seega võime enam-vähem ignoreerida kogu seda tahtmatut mahtuvust madala sagedusega projekteerimise kontekstis. Kuid takistus väheneb sageduse suurenemisel; väga kõrgetel sagedustel on PCB täidetud parasiitmahtuvuse tekitatud suhteliselt madala takistusega juhtivusega.

Kiirgusühendus
Idealiseeritud maailmas on igal RF-seadmel üks antenn. Tegelikult on iga juht antenn selles mõttes, et see on võimeline elektromagnetilist kiirgust väljastama ja vastu võtma. Seega annab kiirgusühendus veel ühe vahendi, mille kaudu RF-signaalid võivad skemaatiliste sümbolite vahel läbida väidetavalt mittejuhtivad tühjad ruumid.

Nagu tavaliselt, muutub see probleem sageduse suurenemisel tõsisemaks. Antenn on efektiivsem, kui selle pikkus moodustab olulise osa signaali lainepikkusest, ja seetõttu on PCB jäljed (mis on tavaliselt üsna lühikesed) kõrgemate sageduste korral probleemsemad.

Mõiste „kiirgusühendus” on sobivam, kui viidatakse kaugevälja mõjudele, st häiretele, mida põhjustab elektromagnetiline kiirgus, mis ei asu antenni vahetus läheduses. Kui kiirgavad ja vastuvõtvad juhid on eraldatud vähem kui umbes ühe lainepikkusega, toimub interaktsioon lähiväljas. Selles olukorras domineerib magnetväli ja järelikult on täpsem mõiste “induktiivne sidumine”.

Lekkimine
Ahela soovimatutesse osadesse ühendatavat raadiosageduslikku signaali kirjeldatakse kui „lekkimist“. Klassikalist lekke näidet on kujutatud järgmisel diagrammil:




Kohaliku ostsillaatori (LO) signaal juhitakse otse segisti LO sisendisse; see on tahtlik juhtiv tee. Samal ajal leiab signaal tahtmatu juhtivuse tee ja tal õnnestub lekkida mikseri teise sisendporti. Kahe identse sageduse ja faasiga signaali segamine annab alalisvoolu nihke (nihke suurus väheneb nulli poole, kui faasi erinevus läheneb 90 ° või –90 °). See alalisvoolu nihe on peamine projekteerimisprobleem vastuvõtjate arhitektuuri osas, mis teisendavad sisendsignaali otse raadiosagedusest põhiriba sagedusele.

Veel üks lekketee on segistist madala müratasemega võimendi kaudu antennini:


 

Kuid see ei piirdu sellega; LO-signaali sai antenn kiirgata, peegeldada välise objekti poolt ja seejärel vastu võtta sama antenni kaudu. See tekitaks jälle iseenda segunemise ja sellest tuleneva alalisvoolu nihke, kuid sel juhul oleks nihkumine väga ettearvamatu - peegeldunud signaali pidevalt muutuv suurus mõjutab nihke amplituudi ja polaarsust.

Saatjad ja vastuvõtjad
Teine olukord, mis põhjustab lekkeprobleeme, on see, kui raadiosagedusaparaat sisaldab nii vastuvõtjat kui ka saatjat. Saatja osal on võimsusvõimendi, mis on mõeldud tugeva signaali saatmiseks antennile. Vastuvõtja osa on mõeldud väga väikese amplituudiga signaalide võimendamiseks ja demoduleerimiseks. Nii et saatja annab suure võimsuse ja vastuvõtja kõrge tundlikkuse.

Tõenäoliselt näete, kuhu see läheb. Ühendustee võib võimaldada PA väljundil lekkida vastuvõtuahelasse; isegi väga nõrgestatud PA-signaal võib tundliku vastuvõtja vooluringile probleeme tekitada.

Simplex, dupleks
PA-vastuvõtja leke on murettekitav ainult siis, kui vooluahel peab toetama samaaegset edastamist ja vastuvõtmist. Süsteemi, mis koosneb kahest sellisest seadmest, mida nimetatakse transiiveriteks, kuna need võivad töötada saatjate ja vastuvõtjatena, nimetatakse täisdupleksiks. Täisduplekssüsteem võimaldab samaaegset kahesuunalist suhtlust.

Poolduplekssüsteem toetab ainult mitte-samaaegset kahesuunalist suhtlust, ehkki poolduplekssüsteemis kasutatavad seadmed on ikkagi transiiverid, kuna nad saavad edastada ja vastu võtta. Poolduplekssete seadmete puhul ei pea me muretsema lekke pärast PA-st vastuvõtjasse, kuna vastuvõtuahel pole edastuste ajal aktiivne.

Ühesuunalist raadiosidesüsteemi nimetatakse "simpleksiks". Väga levinud näide on AM- või FM-levi; jaama antenn edastab ja autoraadio võtab vastu.

kokkuvõte

* Reaalse elu elektrilisi signaale ja komponente on nende idealiseeritud kolleegidega võrreldes keerulisem ennustada ja analüüsida; see kehtib eriti kõrgsageduslike analoogsignaalide kohta.

* RF-signaalid liiguvad hõlpsalt läbi mahtuvusliku, kiirgusühenduse ja induktiivühenduse loodud tahtmatu juhtivuse.
* RF-signaalide liikumist tahtmatute juhtivusteede kaudu nimetatakse lekkeks.

* RF-süsteemid võib jagada kolme üldisesse kategooriasse:

täisdupleks (samaaegne kahesuunaline side)
pooldupleks (mitte-üheaegne kahesuunaline kommunikatsioon)
simpleks (ühesuunaline suhtlus)

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri