Trasmissione RF: regolamenti, interferenza e trasferimento di potenza

Lo spettro elettromagnetico
Scopri come trasferire la massima potenza dal tuo amplificatore all'antenna e come stimare questa potenza usando un oscilloscopio.

Una caratteristica importante della tecnologia RF è la seguente: è relativamente facile per una persona impedire o addirittura rovinare completamente la comunicazione wireless di un'altra persona. Le onde radio viaggiano attraverso l'aria e sono disponibili a tutti, compresi quelli che - intenzionalmente o accidentalmente - stanno trasmettendo segnali che potrebbero essere descritti come interferenze.

Innanzitutto, è importante capire che non è possibile "distruggere" o "danneggiare" i segnali radio che sono già stati trasmessi. Tuttavia, l'effetto dell'interferenza può essere equivalente alla distruzione di un segnale originale perché compromette la capacità del ricevitore di estrarre le informazioni importanti contenute in questo segnale. In altre parole, l'informazione è ancora presente, ma rispetto ad un particolare destinatario ha praticamente cessato di esistere.

L'interferenza è una sfida costante nella progettazione RF e la proliferazione di dispositivi wireless non semplifica la situazione. Esistono vari modi per rendere un sistema resistente alle interferenze e questi saranno discussi più avanti nel libro di testo. La maggior parte di queste interferenze è semplicemente dovuta al fatto che i dispositivi non comunicanti devono spesso utilizzare frequenze portanti simili.

Tuttavia, esiste anche un'interferenza deliberata. Questo si chiama jamming; l'obiettivo è quello di trasmettere un segnale che in un modo o nell'altro impedisce ad altri sistemi wireless di mantenere una comunicazione di successo. Jamming è una tattica importante nella guerra moderna, e nella vita quotidiana è un fastidio (o peggio) ed è completamente illegale.

 

normativa
Inizialmente può sembrare strano che il governo regoli le trasmissioni wireless: possiamo davvero imporre leggi su qualcosa di immateriale come la radiazione elettromagnetica? Ma l'esempio di jamming chiarisce che l'assenza di regolamenti porterebbe a gravi problemi. È necessaria un'organizzazione rigorosa per garantire che il regno dell'EMR non si deteriori in un'orda caotica di segnali interferenti.

Negli Stati Uniti, il compito di mantenere l'ordine nel mondo delle comunicazioni wireless spetta alla Federal Communications Commission (FCC). Le organizzazioni private e pubbliche che desiderano utilizzare una parte dello spettro elettromagnetico devono ottenere l'autorizzazione della FCC; questa autorizzazione viene definita licenza. Esistono eccezioni per i sistemi di portata limitata e che pertanto non possono causare gravi disturbi.

Potenza Massima
Se sei interessato a trasmissioni radio (legali) senza licenza, devi conoscere la tua potenza di trasmissione. Anche se i regolamenti ufficiali sono presentati in termini di portata effettiva o di qualche altra metrica, dovresti essere in grado di determinare la potenza di trasmissione generalmente considerata accettabile in queste situazioni - e stimare la potenza è più facile che provare a misurare accuratamente la portata del sistema o il intensità di campo a una certa distanza dall'antenna.

Questo diagramma fornisce limiti di intensità di campo (per un intervallo specifico di frequenze) in base alle regole della "Parte 15" della FCC. Immagine adattata da Digi-Key
 
In RF e in tutti gli altri tipi di circuiti elettrici, la potenza dissipata da un componente è uguale alla tensione attraverso quel componente moltiplicata per la corrente che fluisce attraverso il componente. Potresti pensare a un'antenna semplicemente come un conduttore e quindi come qualcosa con una resistenza minima. 

È vero che un conduttore può avere una resistenza molto bassa a corrente continua, ma a frequenze più elevate un'antenna ha notevoli quantità di impedenza di ingresso. Siamo interessati all'impedenza dell'antenna alle frequenze specifiche che stiamo usando per trasmettere il nostro segnale RF; avremo bisogno di queste informazioni per stimare la quantità di energia erogata all'antenna.

Trasferimento di tensione vs. trasferimento di potenza
In un tipico circuito digitale o analogico, non vorremmo che una traccia di filo o PCB avesse una resistenza di 50 Ω. Sembra una resistenza terribilmente alta per qualcosa descritto come un direttore d'orchestra. 

Ma dobbiamo ricordare che nei circuiti a bassa frequenza siamo generalmente interessati al trasferimento di tensione, vale a dire, vogliamo garantire che la tensione su un pin di ingresso sia il più vicino possibile alla tensione sul pin di uscita precedente. Per ottenere un buon trasferimento di tensione, abbiamo bisogno di bassa impedenza di uscita, bassa impedenza del conduttore e alta impedenza di ingresso.

Tuttavia, nella fase di uscita di un trasmettitore RF (o di un amplificatore audio), l'obiettivo è il trasferimento di potenza. Non vogliamo solo spostare la tensione da un dispositivo all'altro; vogliamo una corrente significativa che fluisca attraverso l'antenna, in modo che abbia molta energia elettrica che può essere convertita in energia elettromagnetica irradiata.

Il massimo trasferimento di potenza si verifica quando l'entità dell'impedenza di carico è uguale all'entità dell'impedenza della sorgente.

Come puoi vedere, la potenza di carico (PL) è massima quando RL = RS. Si noti, tuttavia, che l'efficienza (η) continua ad aumentare oltre questo punto. Il massimo trasferimento di potenza non corrisponde alla massima efficienza.
 
Nei circuiti RF, lo stadio di uscita dell'amplificatore (e la linea di trasmissione che collega l'amplificatore all'antenna) avrà spesso un'impedenza di 50 Ω, e quindi anche l'impedenza dell'antenna deve essere di 50 Ω per garantire il massimo trasferimento di potenza. (Un altro argomento importante qui è "reti corrispondenti", che vengono utilizzate per migliorare la corrispondenza dell'impedenza tra un amplificatore e un'antenna; questo sarà discusso più avanti nel libro di testo.)

Potere stimante
La discussione precedente spiega perché possiamo analizzare uno stadio di uscita RF collegando l'amplificatore di potenza a un ingresso dell'oscilloscopio da 50 Ω: la maggior parte dei sistemi RF sono costruiti con impedenze di 50 Ω e quindi sarà generalmente necessaria un'impedenza di antenna di 50 Ω.

Naturalmente, se conosci le caratteristiche di tensione e impedenza pertinenti del tuo circuito, puoi semplicemente calcolare la potenza erogata all'antenna. Un simulatore SPICE sarebbe un altro approccio efficace. Ma se queste tecniche non sono pratiche nelle tue circostanze, o se vuoi una verifica empirica, devi usare un'apparecchiatura di misurazione.

Se hai un analizzatore di spettro, usalo sicuramente. È progettato per fornire esattamente questo tipo di informazioni. Se non si dispone di un analizzatore di spettro, è possibile utilizzare un oscilloscopio. Osservare la tensione RMS del segnale utilizzando un ingresso oscilloscopio da 50 Ω, quindi calcolare la potenza come V2 / R, dove R = 50 Ω.

Sommario

* La trasmissione elettromagnetica è attentamente regolata per mitigare i problemi associati a interferenze involontarie. Le interferenze intenzionali, note come jamming, sono illegali nel contesto della vita civile.

* Negli Stati Uniti, i dispositivi di trasmissione generalmente devono essere autorizzati dalla FCC.

* Il funzionamento senza licenza è possibile in determinate condizioni associate a una potenza di trasmissione limitata.

* Per ottenere il massimo trasferimento di energia elettrica da un amplificatore a un'antenna, l'entità dell'impedenza di uscita dell'amplificatore deve corrispondere all'entità dell'impedenza di ingresso dell'antenna.

* La potenza di trasmissione può essere determinata tramite analisi matematica o simulazione SPICE. Può anche essere stimato empiricamente usando un analizzatore di spettro o un oscilloscopio.

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