Радиопередача: правила, помехи и передача энергии

Электромагнитный Спектр
Узнайте о том, как передать максимальную мощность от вашего усилителя к вашей антенне, и как оценить эту мощность с помощью осциллографа.

Важной характеристикой радиочастотной технологии является следующее: одному человеку относительно легко помешать или даже полностью разрушить беспроводную связь другого человека. Радиоволны распространяются по воздуху и доступны всем, включая тех, кто - преднамеренно или случайно - передает сигналы, которые могут быть описаны как помехи.

Во-первых, важно понимать, что вы не можете «уничтожить» или «повредить» радиосигналы, которые уже были переданы. Тем не менее, влияние помех может быть эквивалентно разрушению исходного сигнала, поскольку оно ставит под угрозу способность приемника извлекать важную информацию, содержащуюся в этом сигнале. Другими словами, информация все еще присутствует, но в отношении конкретного получателя она на практике перестала существовать.

Помехи - это постоянная проблема в дизайне радиочастот, и распространение беспроводных устройств не упрощает ситуацию. Существуют различные способы сделать систему устойчивой к помехам, и они будут обсуждаться позже в учебнике. Большая часть этих помех связана просто с тем фактом, что устройства без связи часто должны использовать аналогичные несущие частоты.

Однако есть и такая вещь, как преднамеренное вмешательство. Это называется глушением; цель состоит в том, чтобы передать сигнал, который так или иначе мешает другим беспроводным системам поддерживать успешную связь. Jamming - важная тактика в современной войне, а в повседневной жизни это неприятно (или хуже) и совершенно незаконно.

 

Нормативно-правовые акты
Поначалу может показаться странным, что правительство будет регулировать беспроводные передачи - можем ли мы навязать законы для чего-то столь же нематериального, как электромагнитное излучение? Но пример глушения ясно показывает, что отсутствие правил приведет к серьезным проблемам. Строгая организация обязана гарантировать, что сфера ЭМИ не превратится в хаотическую орду мешающих сигналов.

В Соединенных Штатах задача поддержания порядка в мире беспроводной связи ложится на Федеральную комиссию по связи (FCC). Частные и общественные организации, которые хотят использовать часть электромагнитного спектра, должны получить разрешение от FCC; это разрешение называется лицензией. Существуют исключения для систем, которые ограничены по дальности и поэтому вряд ли могут вызвать серьезные помехи.

Максимальная мощность
Если вас интересуют (легальные) безлицензионные радиопередачи, вам необходимо знать свою мощность передачи. Даже если официальные правила представлены с точки зрения эффективного диапазона или некоторого другого показателя, вы должны быть в состоянии определить мощность передачи, которая обычно считается приемлемой в этих ситуациях, и оценить мощность проще, чем пытаться точно измерить диапазон системы или напряженность поля на определенном расстоянии от антенны.

На этом графике приведены пределы напряженности поля (для определенного диапазона частот) на основании правил FCC «Часть 15». Изображение адаптировано из Digi-Key
 
В РЧ и всех других типах электрических цепей мощность, рассеиваемая компонентом, равна напряжению на этом компоненте, умноженному на ток, протекающий через компонент. Вы можете думать об антенне просто как о проводнике и, следовательно, о чем-то с очень небольшим сопротивлением. 

Это правда, что проводник может иметь очень низкое сопротивление при постоянном токе, но на более высоких частотах антенна имеет значительные значения входного сопротивления. Нас интересует импеданс антенны на определенных частотах, которые мы используем для передачи нашего радиосигнала; нам понадобится эта информация, чтобы оценить количество энергии, подаваемой на антенну.

Передача напряжения против передачи мощности
В типичной цифровой или аналоговой схеме мы не хотим, чтобы провод или трасса печатной платы имели сопротивление 50 Ом. Это кажется очень высоким сопротивлением для чего-то, что называется проводником. 

Но мы должны помнить, что в низкочастотных цепях мы обычно заинтересованы в передаче напряжения, т. Е. Хотим, чтобы напряжение на входном контакте было как можно ближе к напряжению на предыдущем выходном контакте. Для достижения хорошей передачи напряжения нам нужен низкий выходной импеданс, низкий импеданс проводника и высокий входной импеданс.

Однако на выходном каскаде радиочастотного передатчика (или аудиоусилителя) целью является передача мощности. Мы не просто хотим переносить напряжение с одного устройства на другое; мы хотим, чтобы через антенну протекал значительный ток, чтобы в ней было много электрической энергии, которая может быть преобразована в излучаемую электромагнитную энергию.

Передача максимальной мощности происходит, когда величина полного сопротивления нагрузки равна величине полного сопротивления источника.

Как видите, мощность нагрузки (PL) максимальна, когда RL = RS. Обратите внимание, однако, что эффективность (η) продолжает расти после этой точки. Максимальная передача мощности не соответствует максимальной эффективности.
 
В радиочастотной схеме выходной каскад усилителя (и линия передачи, соединяющая усилитель с антенной) часто будет иметь сопротивление 50 Ом, и, следовательно, сопротивление антенны также должно быть 50 Ом, чтобы обеспечить максимальную передачу мощности. (Другая важная тема здесь - «согласование сетей», которые используются для улучшения согласования импеданса между усилителем и антенной; это будет обсуждаться позже в учебнике.)

Оценка мощности
Предыдущее обсуждение объясняет, почему мы можем проанализировать РЧ выходной каскад, подключив усилитель мощности к входу осциллографа 50 Ом: большинство РЧ систем построены на импедансе 50 Ом, и, таким образом, вам обычно требуется сопротивление антенны 50 Ом.

Конечно, если вы знаете соответствующие характеристики напряжения и сопротивления вашей цепи, вы можете просто рассчитать мощность, подводимую к антенне. SPICE симулятор был бы еще одним эффективным подходом. Но если эти методы не применимы в ваших обстоятельствах или если вы хотите провести эмпирическую проверку, вам необходимо использовать измерительное оборудование.

Если у вас есть анализатор спектра, обязательно используйте его. Он предназначен для предоставления именно такой информации. Если у вас нет анализатора спектра, вы можете использовать осциллограф. Посмотрите на среднеквадратическое напряжение сигнала с использованием входного сигнала 50 Ом, а затем рассчитайте мощность как V2 / R, где R = 50 Ом.

Обзор

* Электромагнитная передача тщательно регулируется, чтобы уменьшить проблемы, связанные с непреднамеренными помехами. Преднамеренное вмешательство, известное как глушение, является незаконным в контексте гражданской жизни.

* В Соединенных Штатах передающие устройства, как правило, должны быть лицензированы FCC.

* Работа без лицензии возможна при определенных условиях, связанных с ограниченной мощностью передачи.

* Чтобы добиться максимальной передачи электрической мощности от усилителя к антенне, величина выходного сопротивления усилителя должна соответствовать величине входного сопротивления антенны.

* Мощность передачи может быть определена с помощью математического анализа или моделирования SPICE. Его также можно оценить эмпирически, используя анализатор спектра или осциллограф.

Оставить сообщение 

Список сообщений