Съединяване и течове в радиочестотни системи

РЧ сигнали в реалния живот

RF проектирането и анализа изисква разбиране на сложните начини, по които високочестотните сигнали се движат през реална верига.

Известно е, че RF проектирането е особено предизвикателно сред различните поддисциплини на електротехниката. Една от причините за това е крайното несъответствие между теоретични електрически сигнали и високочестотни синусоидални сигнали.

В един момент всички започваме да осъзнаваме, че идеализираните компоненти и проводници и сигнали, открити при анализа на теоретичните схеми, са полезни, макар и силно неточни приближения на реалността. Компонентите имат допустими отклонения и температурни зависимости и паразитни елементи; проводниците имат съпротивление, капацитет и индуктивност; сигналите имат шум. Въпреки това многобройните успешни схеми са проектирани и изпълнени с малко, ако има предвид, тези нежелания.

Моделът на еквивалентната схема за истински „кондензатор“; при много високи честоти всъщност се държи като индуктор.

Това е възможно, тъй като толкова много вериги в наши дни включват предимно нискочестотни или цифрови сигнали. Нискочестотните системи са много по-малко подложени на ненидален сигнал и поведение на компоненти; следователно нискочестотните вериги са склонни да се различават много по-малко от операцията, която очакваме въз основа на теоретичен анализ. 

Високочестотните цифрови системи са подложени на нежелания, но ефектите от тези нежелания обикновено не са забележими, тъй като дигиталната комуникация по своята същност е здрава. 

Цифровият сигнал може да получи значително влошаване в резултат на поведение на ненидална верига, но докато приемникът все още може правилно да различи логиката високо от логиката ниска, системата поддържа пълна функционалност.

В радиочестотния свят, разбира се, сигналите не са нито цифрови, нито с ниска честота. Неочакваното поведение на сигнала става норма и всеки dB намалено съотношение сигнал / шум съответства на намален диапазон, или по-ниско качество на звука, или повишен процент на грешка в бита.

Капацитно свързване
От съществено значение е да се разбере, че радиочестотните сигнали абсолютно не се ограничават до предвидените пътища на проводимост. Това е особено вярно в контекста на печатни платки, където различните следи и компоненти често имат малко физическо разделяне.

 

Типичната схема се състои от компоненти, проводници и празното пространство между тях. Предположението е, че сигналите пътуват по проводници и не могат да преминат през празното пространство. В действителност обаче тези празни пространства са пълни с кондензатори. Капацитетът се образува всеки път, когато два проводника са разделени от изолационен материал, с по-голяма физическа близост, съответстваща на по-високия капацитет.

Кондензаторите блокират постоянен ток и представят висок импеданс към нискочестотни сигнали. По този начин ние можем повече или по-малко да игнорираме цялата тази непредвидена капацитет в контекста на нискочестотния дизайн. Но импедансът намалява с увеличаване на честотата; при много високи честоти, ПХБ се запълва със сравнително ниски импедансни проводими пътища, създадени от паразитен капацитет.

Излъчено свързване
В идеализирания свят всяко RF устройство има една антена. В действителност всеки проводник е антена в смисъл, че е в състояние да излъчва и приема електромагнитно излъчване. По този начин, излъчваното свързване осигурява друго средство, чрез което RF сигналите могат да преминават през уж непроводимите празни пространства между схематичните символи.

Както обикновено, този проблем става по-сериозен с увеличаването на честотата. Една антена е по-ефективна, когато дължината й е значителна част от дължината на вълната на сигнала и следователно PCB следите (които обикновено са доста къси) са по-проблематични, когато присъстват високи честоти.

Терминът "излъчено свързване" е по-подходящ, когато се отнася до ефектите на далечното поле, т.е. смущения, причинени от електромагнитно излъчване, което не е в непосредствена близост до антената. Когато излъчващите и приемащите проводници са разделени с по-малко от приблизително една дължина на вълната, взаимодействието се осъществява в близкото поле. В тази ситуация доминира магнитното поле и следователно по-точният термин е „индуктивно свързване“.

изтичане
RF сигнал, който се свързва с нежелани части от веригата, се описва като "изтичане". Класически пример за теч е изобразен на следната диаграма:




Сигналът за локален осцилатор (LO) се подава директно към входа на LO на смесителя; това е пътят на умишлената проводимост. В същото време сигналът намира неволен път на проводимост и успява да изтече в другия входен порт на миксера. Смесването на два сигнала с еднаква честота и фаза води до компенсиране на постоянен ток (величината на отместването намалява към нула, когато фазовата разлика наближава 90 ° или –90 °). Това DC компенсиране представлява голямо предизвикателство за дизайна по отношение на архитектурата на приемници, които превеждат входния сигнал директно от радиочестотата в базовата честота.

Друг път на изтичане е от миксер през усилвател с нисък шум до антената:


 

Но това не спира; сигналът LO може да бъде излъчван от антената, отразен от външен обект и след това да бъде получен от същата антена. Това отново би довело до самосмесване и произтичащото компенсиране на постоянен ток, но в този случай компенсирането ще бъде силно непредсказуемо - амплитудата и полярността на отместването ще бъдат повлияни от постоянно променящата се величина на отразения сигнал.

Предаватели и приемници
Друга ситуация, която води до проблеми с течовете е, когато RF устройство включва както приемник, така и предавател. Частта на предавателя има усилвател на мощността, който е проектиран да изпраща силен сигнал към антената. Приемната част е проектирана да усилва и демодулира сигнали с много малка амплитуда. Така предавателят осигурява висока мощност, а приемникът осигурява висока чувствителност.

Вероятно можете да видите къде отива това. Свързващ път може да позволи на изхода на БКП да изтече във веригата на приемане; дори силно атенюиран PA сигнал може да причини проблеми на чувствителната схема на приемника.

Симплекс, дуплекс
Това изтичане на ПА към приемник е проблем само когато веригата трябва да поддържа едновременно предаване и приемане. Система, съставена от две такива устройства - наречени приемо-приемници, тъй като те могат да функционират като предаватели и приемници - се нарича пълен дуплекс. Пълнодуплексната система позволява едновременна двупосочна комуникация.

Полудуплексна система поддържа само едновременна двупосочна комуникация, въпреки че устройствата, използвани в полудуплексна система, все още са приемо-приемници, защото могат да предават и получават. С полудуплексни устройства не е нужно да се притесняваме от изтичане от PA към приемника, тъй като веригата за приемане не е активна по време на предаване.

Еднопосочната радиочестотна комуникационна система се нарича „симплекс“. Много често срещан пример е AM или FM излъчване; антената на станцията предава и автомобилното радио приема.

Oбобщение

* Електрическите сигнали и компоненти в реалния живот са по-трудни за прогнозиране и анализ, отколкото техните идеализирани колеги; това важи особено за високочестотните аналогови сигнали.

* RF сигналите лесно пътуват през непредвидени проводими пътища, създадени от капацитивен съединител, излъчено съединение и индуктивна връзка.
* Движението на радиочестотни сигнали през непреднамерени проводими пътища се нарича изтичане.

* RF системите могат да бъдат разделени в три общи категории:

пълен дуплекс (едновременна двупосочна комуникация)
полудуплекс (не едновременна двупосочна комуникация)
симплекс (еднопосочна комуникация)

Остави съобщение 

Списък на ЛС