Spojování a netěsnost v RF systémech

Real-Life RF signály

Návrh a analýza RF vyžaduje pochopení složitých způsobů, kterými se vysokofrekvenční signály pohybují skutečným obvodem.

Je známo, že RF design je obzvláště náročný mezi různými subdisciplínami elektrotechniky. Jedním z důvodů je extrémní nesoulad mezi teoretickými elektrickými signály a vysokofrekvenčními sinusovými signály.

V určitém okamžiku si všichni začneme uvědomovat, že idealizované komponenty a vodiče a signály nalezené v teoretické analýze obvodů jsou užitečné, i když jsou velmi nepřesné aproximace reality. Komponenty mají tolerance a teplotní závislosti a parazitní prvky; dráty mají odpor, kapacitu a indukčnost; signály mají šum. Řada úspěšných obvodů je však navržena a implementována s malými, pokud vůbec nějakými ohledy na tyto nestálosti.

Ekvivalentní model obvodu pro skutečný „kondenzátor“; při velmi vysokých frekvencích se ve skutečnosti chová jako induktor.

To je možné, protože tolik obvodů v současnosti zahrnuje především nízkofrekvenční nebo digitální signály. Nízkofrekvenční systémy jsou mnohem méně vystaveny chování signálů a komponent; v důsledku toho mají nízkofrekvenční obvody tendenci se odchýlit mnohem méně od operace, kterou očekáváme na základě teoretické analýzy. 

Vysokofrekvenční digitální systémy podléhají více neatrealitám, ale důsledky těchto neatrealit nejsou obvykle výrazné, protože digitální komunikace je ze své podstaty robustní. 

Digitální signál může mít za následek významné zhoršení chování v důsledku neideálního chování obvodu, ale pokud přijímač dokáže stále správně rozlišovat logiku od logické nízké, systém udržuje plnou funkčnost.

Ve světě RF samozřejmě nejsou signály ani digitální, ani nízkofrekvenční. Neočekávané chování signálu se stává normou a každý dB sníženého poměru signál-šum odpovídá sníženému rozsahu nebo nižší kvalitě zvuku nebo zvýšené bitové chybovosti.

Kapacitní vazba
Je nezbytné pochopit, že RF signály se absolutně neomezují na zamýšlené vodivé cesty. To platí zejména v souvislosti s deskami s plošnými spoji, kde různé stopy a komponenty mají často jen malou fyzickou separaci.

 

Typické schéma zapojení se skládá ze součástí, vodičů a prázdného prostoru mezi nimi. Předpokládá se, že signály putují po vodičích a nemohou projít prázdným prostorem. Ve skutečnosti jsou však tyto prázdné prostory naplněny kondenzátory. Kapacitní kapacita se vytváří vždy, když jsou dva vodiče odděleny izolačním materiálem, s bližší fyzickou blízkostí odpovídající vyšší kapacitní kapacitě.

Kondenzátory blokují stejnosměrný proud a představují vysokou impedanci nízkofrekvenčních signálů. Můžeme tedy víceméně ignorovat veškerou tuto nezamýšlenou kapacitu v rámci nízkofrekvenčního návrhu. Impedance se však s rostoucí frekvencí snižuje; při velmi vysokých frekvencích je PCB naplněna relativně nízkoimpedančními vodivými cestami vytvořenými parazitní kapacitancí.

Vyzařované spojení
V idealizovaném světě má každé RF zařízení jednu anténu. Ve skutečnosti je každý vodič anténou v tom smyslu, že je schopen emitovat a přijímat elektromagnetické záření. Zářené spojení tedy poskytuje další prostředky, kterými mohou RF signály procházet údajně nevodivými prázdnými mezerami mezi schematickými symboly.

Jako obvykle se tento problém zvyšuje s rostoucí frekvencí. Anténa je účinnější, když je její délka významnou částí vlnové délky signálu, a proto jsou stopy PCB (které jsou obvykle poměrně krátké) problematičtější, pokud jsou přítomny vysoké frekvence.

Termín „vyzařovaná vazba“ je vhodnější, když se odkazuje na účinky na velké pole, tj. Na rušení způsobené elektromagnetickým zářením, které není v bezprostřední blízkosti antény. Když jsou vysílací a přijímací vodiče odděleny méně než přibližně jednou vlnovou délkou, dochází k interakci v blízkém poli. V této situaci dominuje magnetické pole, a proto je přesnějším pojmem „induktivní vazba“.

Únik
RF signál, který se spojuje s nechtěnými částmi obvodu, je popsán jako „únik“. Klasický příklad úniku je znázorněn na následujícím diagramu:




Signál lokálního oscilátoru (LO) je veden přímo na vstup LO směšovače; toto je záměrná cesta vedení. Současně signál najde neúmyslnou vodivou dráhu a dokáže uniknout do druhého vstupního portu směšovače. Smíchání dvou signálů se stejnou frekvencí a fází má za následek DC offset (velikost offsetu klesá směrem k nule, jakmile se fázový rozdíl přiblíží 90 ° nebo –90 °). Tento DC offset představuje hlavní konstrukční výzvu, pokud jde o architektury přijímačů, které převádějí vstupní signál přímo z rádiové frekvence na kmitočet v základním pásmu.

Další úniková cesta je ze směšovače přes nízkošumový zesilovač do antény:


 

Ale nekončí to; signál LO by mohl být vyzařován anténou, odrážen vnějším objektem, a poté přijatou stejnou anténou. Tím by se opět vytvořilo samo-promíchání a výsledný DC offset, ale v tomto případě by offset byl vysoce nepředvídatelný - amplituda a polarita offsetu by byla ovlivněna neustále se měnící velikostí odrazeného signálu.

Vysílače a přijímače
Další situace, která vede k problémům s únikem, je, když vysokofrekvenční zařízení obsahuje přijímač i vysílač. Vysílací část má výkonový zesilovač, který je navržen tak, aby vysílal silný signál do antény. Přijímací část je navržena pro zesílení a demodulaci signálů o velmi malé amplitudě. Vysílač tak poskytuje vysoký výkon a přijímač poskytuje vysokou citlivost.

Pravděpodobně uvidíte, kam to jde. Spojovací cesta by mohla umožnit únik PA výstupu do přijímacího řetězce; i vysoce zeslabený signál PA může způsobit problémy pro citlivé obvody přijímače.

Simplex, duplex
Tento únik z PA na přijímač je problémem pouze tehdy, když obvod musí podporovat současný přenos a příjem. Systém složený ze dvou takových zařízení - nazývaných transceivery, protože mohou fungovat jako vysílače a přijímače - se označuje jako plný duplex. Plně duplexní systém umožňuje současnou obousměrnou komunikaci.

Poloduplexní systém podporuje pouze nesouvislou obousměrnou komunikaci, ačkoli zařízení použitá v poloduplexním systému jsou stále vysílačem, protože mohou vysílat a přijímat. U poloduplexních zařízení se nemusíme obávat úniku z PA do přijímače, protože přijímací řetězec není během přenosu aktivní.

Jednosměrný RF komunikační systém je označován jako „simplex“. Velmi častým příkladem je vysílání AM nebo FM; vysílá anténa stanice a autorádio přijímá.

Shrnutí

* Elektrické signály a komponenty v reálném čase je obtížnější předvídat a analyzovat než jejich idealizované protějšky; to platí zejména pro vysokofrekvenční analogové signály.

* RF signály snadno cestují nechtěnými vodivými cestami vytvořenými kapacitní vazbou, radiační vazbou a indukční vazbou.
* Pohyb RF signálů nechtěnými vodivými cestami je označován jako únik.

* RF systémy lze rozdělit do tří obecných kategorií:

plný duplex (simultánní obousměrná komunikace)
poloviční duplex (nesouměrná obousměrná komunikace)
simplex (jednosměrná komunikace)

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv