Сцепление и утечка в радиочастотных системах

Реальные радиосигналы

ВЧ дизайн и анализ требуют понимания сложных путей, которыми высокочастотные сигналы проходят через реальную цепь.

Известно, что радиочастотное проектирование является особенно сложным среди различных дисциплин электротехники. Одной из причин этого является крайнее несоответствие между теоретическими электрическими сигналами и высокочастотными синусоидальными сигналами.

В какой-то момент мы все начинаем понимать, что идеализированные компоненты, провода и сигналы, найденные в теоретическом анализе цепей, полезны, хотя и очень неточно приближают реальность. Компоненты имеют допуски и температурные зависимости и паразитные элементы; провода имеют сопротивление, емкость и индуктивность; сигналы имеют шум. Тем не менее, многочисленные успешные схемы разработаны и реализованы практически без учета этих неидеальностей.

Модель эквивалентной схемы для реального «конденсатора»; на очень высоких частотах он фактически ведет себя как индуктор.

Это возможно, потому что в наши дни многие схемы используют в основном низкочастотные или цифровые сигналы. Низкочастотные системы гораздо менее подвержены неидеальному сигналу и поведению компонентов; следовательно, низкочастотные цепи имеют тенденцию значительно меньше расходиться с работой, которую мы ожидаем на основе теоретического анализа. 

Высокочастотные цифровые системы в большей степени подвержены неидеальностям, но последствия этих неидеальностей обычно невелики, поскольку цифровая связь по своей природе устойчива. 

Цифровой сигнал может испытывать существенное ухудшение в результате поведения неидеальной схемы, но пока приемник все еще может правильно отличать высокий логический уровень от низкого логического уровня, система поддерживает полную функциональность.

В мире радиочастот, конечно, сигналы не являются ни цифровыми, ни низкочастотными. Неожиданное поведение сигнала становится нормой, и каждый дБ уменьшенного отношения сигнал / шум соответствует уменьшенному диапазону, или низкому качеству звука, или увеличенной частоте ошибок по битам.

Емкостная муфта
Важно понимать, что РЧ-сигналы абсолютно не ограничиваются предполагаемыми проводящими путями. Это особенно верно в отношении печатных плат, где различные следы и компоненты часто имеют небольшое физическое разделение.

 

Типичная принципиальная схема состоит из компонентов, проводов и пустого пространства между ними. Предполагается, что сигналы проходят по проводам и не могут проходить через пустое пространство. В действительности же эти пустые пространства заполнены конденсаторами. Емкость формируется всякий раз, когда два проводника разделены изолирующим материалом, причем более близкая физическая близость соответствует большей емкости.

Конденсаторы блокируют постоянный ток и представляют высокий импеданс для низкочастотных сигналов. Таким образом, мы можем более или менее игнорировать всю эту непреднамеренную емкость в контексте низкочастотного проектирования. Но сопротивление уменьшается с увеличением частоты; на очень высоких частотах печатная плата заполнена проводниками с относительно низким сопротивлением, созданными паразитной емкостью.

Излучаемая муфта
В идеализированном мире каждое RF-устройство имеет одну антенну. В действительности каждый проводник является антенной в том смысле, что он способен излучать и принимать электромагнитное излучение. Таким образом, излучаемая связь обеспечивает другое средство, с помощью которого РЧ-сигналы могут проходить через предположительно непроводящие пустые пространства между схематическими обозначениями.

Как обычно, эта проблема становится более серьезной с увеличением частоты. Антенна более эффективна, когда ее длина составляет значительную долю длины волны сигнала, и поэтому следы печатных плат (которые обычно довольно короткие) являются более проблематичными, когда присутствуют высокие частоты.

Термин «излучаемая связь» более подходит для обозначения эффектов дальнего поля, то есть помех, вызванных электромагнитным излучением, которое не находится в непосредственной близости от антенны. Когда излучающий и приемный проводники разделены менее чем на одну длину волны, взаимодействие происходит в ближнем поле. В этой ситуации доминирует магнитное поле, и, следовательно, более точный термин - «индуктивная связь».

просачивание
РЧ-сигнал, который связывается с нежелательными частями схемы, описывается как «утечка». Классический пример утечки изображен на следующей диаграмме:




Сигнал гетеродина (LO) подается непосредственно на вход LO микшера; это преднамеренный путь проводимости. В то же время сигнал обнаруживает непреднамеренный путь проводимости и может просочиться в другой входной порт микшера. Смешение двух сигналов с одинаковой частотой и фазой приводит к смещению постоянного тока (величина смещения уменьшается к нулю, когда разность фаз приближается к 90 ° или –90 °). Это смещение постоянного тока представляет собой серьезную проблему при проектировании архитектур приемников, которые переводят входной сигнал непосредственно с радиочастоты на частоту основной полосы частот.

Другой путь утечки - от микшера через малошумящий усилитель до антенны:


 

Но это не останавливается там; сигнал гетеродина может излучаться антенной, отражаться от внешнего объекта, а затем приниматься этой же антенной. Это снова приведет к самосмешиванию и результирующему смещению постоянного тока, но в этом случае смещение будет крайне непредсказуемым - амплитуда и полярность смещения будут зависеть от постоянно меняющейся величины отраженного сигнала.

Передатчики и приемники
Другая ситуация, которая приводит к проблемам утечки, - это когда РЧ-устройство включает в себя как приемник, так и передатчик. Передающая часть имеет усилитель мощности, который предназначен для передачи сильного сигнала на антенну. Приемная часть предназначена для усиления и демодуляции сигналов очень малой амплитуды. Таким образом, передатчик обеспечивает высокую мощность, а приемник обеспечивает высокую чувствительность.

Вы, вероятно, можете увидеть, куда это идет. Путь соединения может позволить выходу PA проникнуть в приемную цепь; даже сильно ослабленный сигнал PA может вызвать проблемы для чувствительной схемы приемника.

Симплекс, Дуплекс
Эта утечка между PA и приемником является проблемой только тогда, когда схема должна поддерживать одновременную передачу и прием. Система, состоящая из двух таких устройств, называемых приемопередатчиками, поскольку они могут функционировать как передатчики и приемники, называется полным дуплексом. Полнодуплексная система обеспечивает одновременную двустороннюю связь.

Полудуплексная система поддерживает только не одновременную двустороннюю связь, хотя устройства, используемые в полудуплексной системе, все еще являются приемопередатчиками, поскольку они могут передавать и принимать. С полудуплексными устройствами нам не нужно беспокоиться о утечке из PA в приемник, потому что приемная цепь не активна во время передачи.

Система односторонней радиосвязи называется «симплекс». Очень распространенный пример - вещание AM или FM; антенна станции передает, а автомобильный радиоприемник принимает.

Обзор

* Реальные электрические сигналы и компоненты сложнее прогнозировать и анализировать, чем их идеализированные аналоги; это особенно верно для высокочастотных аналоговых сигналов.

* РЧ-сигналы легко проходят по непреднамеренным проводящим путям, создаваемым емкостной связью, излучаемой связью и индуктивной связью.
* Движение РЧ-сигналов по непреднамеренным проводящим каналам называется утечкой.

* РЧ системы можно разделить на три основные категории:

полный дуплекс (одновременная двусторонняя связь)
полудуплекс (не одновременная двусторонняя связь)
симплекс (односторонняя связь)

Оставить сообщение 

Список сообщений