Accoppiamento e perdite nei sistemi RF

Segnali RF reali

La progettazione e l'analisi RF richiedono una comprensione dei modi complessi in cui i segnali ad alta frequenza si muovono attraverso un circuito reale.

Il design RF è noto per essere particolarmente impegnativo tra le varie sottodiscipline dell'ingegneria elettrica. Una ragione di ciò è l'estrema incoerenza tra segnali elettrici teorici e segnali sinusoidali ad alta frequenza.

Ad un certo punto iniziamo tutti a renderci conto che i componenti idealizzati, i fili e i segnali trovati nell'analisi teorica dei circuiti sono utili sebbene approssimazioni altamente imprecise della realtà. I componenti hanno tolleranze e dipendenze di temperatura ed elementi parassiti; i fili hanno resistenza, capacità e induttanza; i segnali hanno rumore. Tuttavia, numerosi circuiti di successo sono progettati e implementati con poca o nessuna considerazione per queste nonideality.

Il modello di circuito equivalente per un vero "condensatore"; a frequenze molto alte si comporta effettivamente come un induttore.

Ciò è possibile perché al giorno d'oggi così tanti circuiti coinvolgono principalmente segnali digitali o a bassa frequenza. I sistemi a bassa frequenza sono molto meno soggetti al segnale non ideale e al comportamento dei componenti; di conseguenza, i circuiti a bassa frequenza tendono a divergere molto meno dall'operazione che ci aspettiamo sulla base di analisi teoriche. 

I sistemi digitali ad alta frequenza sono più soggetti a nonideality, ma gli effetti di queste nonidealities di solito non sono rilevanti perché la comunicazione digitale è intrinsecamente solida. 

Un segnale digitale può subire un degrado significativo a causa di un comportamento del circuito non ideale, ma fintanto che il ricevitore può ancora distinguere correttamente la logica alta dalla logica bassa, il sistema mantiene la piena funzionalità.

Nel mondo RF, ovviamente, i segnali non sono né digitali né a bassa frequenza. Il comportamento inatteso del segnale diventa la norma e ogni dB di rapporto segnale / rumore ridotto corrisponde a un intervallo ridotto, a una qualità audio inferiore o a un tasso di errore di bit aumentato.

Accoppiamento capacitivo
È essenziale comprendere che i segnali RF non si limitano assolutamente ai percorsi di conduzione previsti. Ciò è particolarmente vero nel contesto dei circuiti stampati, in cui le varie tracce e componenti hanno spesso poca separazione fisica.

 

Uno schema circuitale tipico è costituito da componenti, fili e spazio vuoto nel mezzo. L'ipotesi è che i segnali viaggino lungo i fili e non possano passare attraverso lo spazio vuoto. In realtà, tuttavia, quegli spazi vuoti sono pieni di condensatori. La capacità si forma ogni volta che due conduttori sono separati da un materiale isolante, con una maggiore vicinanza fisica corrispondente a una maggiore capacità.

I condensatori bloccano la corrente continua e presentano un'alta impedenza ai segnali a bassa frequenza. Pertanto, possiamo più o meno ignorare tutta questa capacità involontaria nel contesto della progettazione a bassa frequenza. Ma l'impedenza diminuisce all'aumentare della frequenza; a frequenze molto elevate, un PCB è riempito con percorsi di conduzione a bassa impedenza creati dalla capacità parassita.

Accoppiamento irradiato
Nel mondo idealizzato, ogni dispositivo RF ha un'antenna. In realtà, ogni conduttore è un'antenna nel senso che è in grado di emettere e ricevere radiazioni elettromagnetiche. Pertanto, l'accoppiamento irradiato fornisce un altro mezzo mediante il quale i segnali RF possono passare attraverso gli spazi vuoti apparentemente non conduttivi tra simboli schematici.

Come al solito, questo problema diventa più grave all'aumentare della frequenza. Un'antenna è più efficace quando la sua lunghezza è una frazione significativa della lunghezza d'onda del segnale, e quindi le tracce PCB (che di solito sono piuttosto corte) sono più problematiche quando sono presenti alte frequenze.

Il termine "accoppiamento irradiato" è più appropriato quando si fa riferimento a effetti di campo lontano, ovvero interferenze causate da radiazioni elettromagnetiche che non si trovano nelle immediate vicinanze dell'antenna. Quando i conduttori di emissione e ricezione sono separati da meno di circa una lunghezza d'onda, l'interazione avviene nel campo vicino. In questa situazione domina il campo magnetico e di conseguenza il termine più preciso è "accoppiamento induttivo".

Trafilamento
Un segnale RF che si accoppia in porzioni indesiderate di un circuito è descritto come "perdita". Un classico esempio di perdita è rappresentato nel diagramma seguente:




Il segnale dell'oscillatore locale (LO) viene inviato direttamente all'ingresso LO del mixer; questo è il percorso di conduzione intenzionale. Allo stesso tempo, il segnale trova un percorso di conduzione non intenzionale e riesce a trapelare nell'altra porta di ingresso del mixer. Mischiando due segnali di identica frequenza e fase si ottiene un offset CC (l'entità dell'offset diminuisce verso lo zero quando la differenza di fase si avvicina a 90 ° o –90 °). Questo offset CC costituisce una grande sfida progettuale rispetto alle architetture del ricevitore che traducono il segnale di ingresso direttamente dalla frequenza radio alla frequenza in banda base.

Un altro percorso di dispersione è da un mixer attraverso un amplificatore a basso rumore all'antenna:


 

Ma non si ferma qui; il segnale LO potrebbe essere irradiato dall'antenna, riflesso da un oggetto esterno e quindi ricevuto dalla stessa antenna. Ciò produrrebbe di nuovo l'auto-miscelazione e l'offset CC risultante, ma in questo caso l'offset sarebbe altamente imprevedibile: l'ampiezza e la polarità dell'offset sarebbero influenzate dalla magnitudine in costante cambiamento del segnale riflesso.

Trasmettitori e ricevitori
Un'altra situazione che porta a problemi di perdita è quando un dispositivo RF include sia un ricevitore che un trasmettitore. La parte del trasmettitore ha un amplificatore di potenza progettato per inviare un segnale forte all'antenna. La parte del ricevitore è progettata per amplificare e demodulare segnali di ampiezza molto piccola. Quindi il trasmettitore fornisce alta potenza e il ricevitore offre alta sensibilità.

Probabilmente puoi vedere dove sta andando. Un percorso di accoppiamento potrebbe consentire all'uscita PA di fuoriuscire nella catena di ricezione; anche un segnale PA altamente attenuato potrebbe causare problemi ai circuiti sensibili del ricevitore.

Semplice, duplex
Questa perdita da PA a ricevitore è solo una preoccupazione quando il circuito deve supportare la trasmissione e la ricezione simultanee. Un sistema composto da due di questi dispositivi, chiamati transceiver, perché possono funzionare come trasmettitori e ricevitori, viene definito full duplex. Un sistema full duplex consente la comunicazione bidirezionale simultanea.

Un sistema half-duplex supporta solo comunicazioni bidirezionali non simultanee, sebbene i dispositivi utilizzati in un sistema half-duplex siano ancora transceiver perché possono trasmettere e ricevere. Con i dispositivi half-duplex non dobbiamo preoccuparci di perdite dall'AP al ricevitore perché la catena di ricezione non è attiva durante le trasmissioni.

Un sistema di comunicazione RF unidirezionale viene definito "simplex". Un esempio molto comune è la trasmissione AM o FM; l'antenna della stazione trasmette e l'autoradio riceve.

Sommario

* I segnali e i componenti elettrici della vita reale sono più difficili da prevedere e analizzare rispetto alle loro controparti idealizzate; questo è particolarmente vero per i segnali analogici ad alta frequenza.

* I segnali RF viaggiano rapidamente attraverso percorsi di conduzione non intenzionali creati da accoppiamento capacitivo, accoppiamento irradiato e accoppiamento induttivo.
* Il movimento dei segnali RF attraverso percorsi di conduzione non intenzionale viene definito perdita.

* I sistemi RF possono essere suddivisi in tre categorie generali:

full duplex (comunicazione bidirezionale simultanea)
half duplex (comunicazione bidirezionale non simultanea)
simplex (comunicazione unidirezionale)

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