Спојување и истекување во RF системи

RF сигнали од реалниот живот

РФ дизајн и анализа бара разбирање на сложените начини на кои сигналите со висока фреквенција се движат низ вистинско коло.

РФ-дизајнот е познато дека е особено предизвик меѓу различните поддисциплини на електротехниката. Една од причините за ова е екстремната недоследност помеѓу теоретските електрични сигнали и синусоидалните сигнали со висока фреквенција.

Во одреден момент, сите почнуваме да сфаќаме дека идеализираните компоненти и жици и сигнали кои се наоѓаат во теоретската анализа на колото се корисни иако се неточни приближувања на реалноста. Компонентите имаат толеранции и температурни зависности и паразитски елементи; жиците имаат отпорност, капацитивност и индуктивност; сигналите имаат бучава. Како и да е, бројни успешни кола се дизајнирани и имплементирани со малку ако има предвид за овие нелегалности.

Еквивалентен модел на кола за вистински „кондензатор“; на многу високи фреквенции, тој всушност се однесува како индуктор.

Ова е можно затоа што толку многу кола деновиве вклучуваат првенствено ниски фреквенции или дигитални сигнали. Системите со ниска фреквенција се многу помалку подложни на неидален сигнал и однесување на компонентите; следствено на тоа, кола со ниска фреквенција имаат тенденција да се разликуваат многу помалку од работењето што очекуваме врз основа на теоретска анализа. 

Дигиталните системи со висока фреквенција се повеќе подложни на неедност, но ефектите од овие не-поврзаности обично не се видливи затоа што дигиталната комуникација е инхерентно робусна. 

Дигиталниот сигнал може да доживее значителна деградација како резултат на однесување на нелидално коло, но сè додека примачот сè уште може правилно да разликува логика високо од логика на ниско ниво, системот одржува целосна функционалност.

Во светот на РФ, се разбира, сигналите не се ниту дигитални ниту со ниска фреквенција. Неочекуваното однесување на сигналот станува норма, и секоја dB на намален однос на сигнал до бучава одговара на намален опсег, или понизок квалитет на аудио или зголемена стапка на грешка во бит.

Капацитивно спојување
Од суштинско значење е да се разбере дека РФ сигналите апсолутно не се ограничуваат на наменетите патеки за спроводливост. Ова е особено точно во контекст на табли со печатени кола, каде различните траги и компоненти често имаат мало физичко раздвојување.

 

Типичен дијаграм на кола се состои од компоненти, жици и празен простор помеѓу. Претпоставката е дека сигналите патуваат по жици и не можат да поминат низ празниот простор. Во реалноста, тие празни места се исполнети со кондензатори. Капацитет се формира секогаш кога два проводници се разделени со изолационен материјал, при што физичката близина е соодветна на поголема капацитет.

Кондензаторите блокираат DC и претставуваат голема импеданса на сигнали со ниска фреквенција. Така, можеме повеќе или помалку да ја игнорираме целата оваа ненамерна капацитивност во контекст на дизајн со ниска фреквенција. Но, импедансата се намалува со зголемувањето на фреквенцијата; при многу високи фреквенции, ПЦБ е исполнето со релативно ниски импедансни патеки за спроведување, создадени од паразитски капацитивност.

Зрачна спојка
Во идеализираниот свет, секој RF уред има по една антена. Во реалноста, секој спроводник е антена во смисла дека е способен да емитира и прима електромагнетно зрачење. Така, зрачената спојка обезбедува друго средство со кое РФ сигналите можат да минуваат низ наводно некондуктивните празни места помеѓу шематски симболи.

Како и обично, овој проблем станува посериозен со зголемувањето на фреквенцијата. Антената е поефикасна кога нејзината должина е значителен дел од брановата должина на сигналот, а со тоа и трагите од ПЦБ (кои обично се прилично кратки) се попроблематични кога се присутни високи фреквенции.

Терминот „зрачено спојување“ е посоодветен кога се однесува на ефекти од далеку поле, т.е. мешање предизвикано од електромагнетно зрачење кое не е во непосредна близина на антената. Кога проводниците што емитуваат и примаат се одделени со помалку од приближно една бранова должина, интеракцијата се јавува во блиското поле. Во оваа ситуација доминира магнетното поле и, следствено, поточниот термин е „индуктивно спојување“.

Истекување
Сигналот RF што се спојува во несаканите делови од колото се опишува како „протекување“. Класичен пример за истекување е прикажан на следниот дијаграм:




Локалниот сигнал за осцилатор (LO) се напојува директно на LO-влезот на миксер; ова е патеката за намерна спроводливост. Во исто време, сигналот наоѓа ненамерна патека за спроводливост и успева да истекува во друга влезна порта на миксер. Мешање на два сигнали со идентична фреквенција и резултати од фазата во DC-офсет (големината на офсет се намалува кон нула бидејќи разликата во фазата се приближува 90 ° или -90 °). Ова DC комплет претставува голем предизвик во дизајнот во однос на архитектурите на приемникот кои го преведуваат влезниот сигнал директно од радиофреквенцијата до фреквенцијата на базата.

Друга патека за истекување е од миксер преку засилувач со низок шум до антената:


 

Но, не застанува тука; сигналот LO може да биде зрачен од антената, рефлектиран од надворешен предмет, а потоа добиен од истата антена. Ова повторно ќе произведе само-мешање и како резултат на неутрализирање на DC, но во овој случај неутрализирањето би било многу непредвидливо - амплитудата и поларитетот на офсет ќе бидат под влијание на постојано менување на големината на рефлектираниот сигнал.

Предаватели и приемници
Друга ситуација што доведува до проблеми со истекување е кога уредот РФ вклучува и приемник и предавател. Делот на предавателот има засилувач на моќност, дизајниран да испрати силен сигнал до антената. Делот на приемникот е дизајниран да ги засили и демодира сигналите со многу мала амплитуда. Значи, предавателот обезбедува голема моќност, а приемникот обезбедува голема чувствителност.

Веројатно може да видите каде се случува ова. Патека за спојување може да му овозможи на излезот на ПА да излезе во ланецот на прием; дури и силно ослабениот сигнал ПА може да предизвика проблеми за осетливото коло на ресиверот.

Симплекс, дуплекс
Ова истекување на PA-приемник е само загриженост кога колото мора да поддржува истовремено пренесување и прием. Системот составен од два такви уреди - наречени предаватели, бидејќи тие можат да функционираат како предаватели и приемници - се нарекува целосен дуплекс. Целосен двоен систем овозможува истовремена двонасочна комуникација.

Полу-дуплекс систем поддржува само не истовремена двонасочна комуникација, иако уредите што се користат во полу-дуплексен систем се уште се предаватели затоа што можат да пренесат и примаат. Со полу-дуплекс уреди, не треба да се грижиме за истекување од ПА на приемникот затоа што ланецот за примање не е активен за време на преносот.

Еднонасочниот RF комуникациски систем се нарекува „симплекс“. Многу вообичаен пример е емитувањето АМ или ФМ; пренесува антената на станицата, а автомобилското радио прима.

Резиме

* Електричните сигнали и компоненти во реалниот живот се потешко да се предвидат и анализираат од нивните идеализирани колеги; ова е особено точно за аналогни сигнали со висока фреквенција.

* RF сигналите лесно патуваат низ ненамерни патеки за спроводливост создадени со капацитивно спојување, зрачено спојување и индуктивно спојување.
* Движењето на RF сигналите преку ненамерни патеки за спроводливост се нарекува истекување.

* RF системите можат да се поделат во три општи категории:

целосна дуплекс (истовремена двонасочна комуникација)
полу-дуплекс (не истовремена двонасочна комуникација)
симплекс (еднострана комуникација)

Остави порака 

Список со пораки