Радиочастотная передача: нормативно-правовое регулирование, помехи и передача мощности
Узнайте, как передать максимум мощности от усилителя к антенне, и как оценить эту мощность с помощью осциллографа.
Важной характеристикой радиочастотной технологии является следующее: одному человеку относительно легко помешать или полностью нарушить беспроводную связь другого человека. Радиоволны проходят по воздуху и доступны для всех, включая тех, кто преднамеренно или случайно передает сигналы, которые могут быть описаны как помехи.
Во-первых, важно понимать, что вы не можете «уничтожить» или «повредить» радиосигналы, которые уже были переданы. Тем не менее, эффект помех может быть эквивалентен уничтожению исходного сигнала, поскольку он ставит под угрозу способность приемника извлекать важную информацию, содержащуюся в этом сигнале. Другими словами, информация по-прежнему присутствует, но в отношении конкретного получателя она практически перестала существовать.
Помехи – это постоянная проблема в радиочастотном проектировании, и распространение беспроводных устройств не делает ситуацию более простой. Существуют различные способы сделать систему устойчивой к помехам, и они будут обсуждаться в этом учебнике позже. Бо́льшая часть этих помех связана с тем, что несвязанные устройства часто используют аналогичные несущие частоты.
Однако есть и такая вещь, как преднамеренное вмешательство. Это называется «глушение», его целью является передача сигнала, который, так или иначе, препятствует поддержанию успешной связи других беспроводных систем. Глушение – это важная тактика в современной войне, и в повседневной жизни это неприятно (или хуже) и совершенно незаконно.
Нормативно-правовое регулирование
Первоначально может показаться странным, что правительство хочет регулировать беспроводные передачи – можем ли мы действительно навязывать законы на что-то неосязаемое, как электромагнитное излучение? Но пример помех дает понять, что отсутствие правил приведет к серьезным проблемам. Строгая организация должна обеспечить, чтобы сфера ЭМИ не разрушалась в хаотической орде мешающих сигналов.
В Соединенных Штатах задача поддержания порядка в мире беспроводной связи относится к Федеральной комиссии связи (FCC). Частные и общественные организации, которые хотят использовать часть электромагнитного спектра, должны получить разрешение от FCC, это разрешение называется лицензией. В Российской Федерации данными задачами занимаются Государственная комиссия по радиочастотам, Главный радиочастотный центр и Роскомнадзор. Существуют исключения для систем, которые ограничены по расстоянию, и, следовательно, вряд ли могут вызывать серьезные проблемы.
Максимальная мощность
Если вас интересуют (законные) бесплатные радиопередачи, вам необходимо знать свою мощность передачи. Даже если официальные правила представлены с точки зрения эффективного расстояния или какой-либо другой метрики, вы должны иметь возможность определить мощность передачи, которая обычно считается приемлемой в этих ситуациях, и оценить мощность легче, чем пытаться точно измерить расстояние системы или напряженность поля на определенном расстоянии от антенны.
В РЧ и всех других типах электрических схем мощность, рассеиваемая компонентом, равна напряжению на этом компоненте, умноженному на ток, протекающий через компонент. Вы можете думать об антенне, как о просто проводнике и, следовательно, о чем-то с очень небольшим сопротивлением. Это правда, что проводник может иметь очень низкое сопротивление по постоянному току, но на более высоких частотах антенна обладает значительным значением входного импеданса. Нас интересует импеданс антенны на конкретных частотах, которые мы используем для передачи нашего радиочастотного сигнала; эта информация понадобится нам для оценки значения мощности, передаваемой на антенну.
Передача напряжения и передача мощности
В типовой цифровой или аналоговой схеме мы не хотим, чтобы провод или дорожка на печатной плате имели сопротивление 50 Ом. Оно кажется ужасно высоким сопротивлением для чего-то, что называется проводником. Но мы должны помнить, что в низкочастотных схемах нас обычно интересует передача напряжения, т.е., мы хотим обеспечить, чтобы напряжение на входном выводе было как можно ближе к напряжению на предыдущем выходном выводе. Для достижения хорошей передачи по напряжению нам требуется низкий выходной импеданс, низкий импеданс проводника и высокий входной импеданс.
Однако на выходном каскаде радиопередатчика (или аудиоусилителя) целью является передача мощности. Мы не просто хотим передать напряжение от одного устройства к другому, нам нужен значительный ток, протекающий через антенну, так чтобы у него было много электрической энергии, которая может быть преобразована в излучаемую электромагнитную энергию.
Передача максимальной мощности происходит, когда величина импеданса нагрузки равна величине импеданса источника.
В радиочастотной схемотехнике выходной каскад усилителя (и линия передачи, соединяющая усилитель с антенной) часто имеет импеданс 50 Ом, и, следовательно, для обеспечения передачи максимальной мощности импеданс антенны должен также составлять 50 Ом. (Другая важная здесь тема – это «согласующие схемы», которые используются для улучшения согласования импедансов между усилителем и антенной, о чем будет сказано в этом учебнике позже.)
Оценка мощности
В предыдущем абзаце объясняется, почему мы можем проанализировать выходной РЧ каскад, подключи усилитель мощности к 50-омному входу осциллографа: большинство радиочастотных систем построены на импедансе 50 Ом, и поэтому вам, как правило, потребуется антенна с импедансом 50 Ом.
Если вы знаете соответствующие напряжение и характеристики импеданса своей схемы, вы, конечно, можете легко рассчитать мощность, подаваемую на антенну. Еще одним эффективным подходом был бы симулятор SPICE. Но если эти методы не являются практичными в ваших обстоятельствах, или если вам необходима эмпирическая проверка, то вам необходимо использовать измерительное оборудование.
Если у вас есть анализатор спектра, обязательно используйте его. Он предназначен для предоставления именно такого рода информации. Если у вас нет анализатора спектра, вы можете использовать осциллограф. Посмотрите среднеквадратичное напряжение сигнала, используя 50-омный вход осциллографа, а затем вычислите мощность как V2/R, где R = 50 Ом.
Резюме
- Электромагнитная передача тщательно регулируется для устранения проблем, связанных с непреднамеренными помехами. Преднамеренное вмешательство, известное как глушение, является незаконным в контексте гражданской жизни.
- В США передающие устройства обычно должны быть лицензированы FCC.
- Работа без лицензии возможна при определенных условиях, связанных с ограниченной мощностью передачи.
- Для достижения максимальной передачи мощности от усилителя к антенне величина выходного импеданса усилителя должна совпадать с величиной входного импеданса антенны.
- Передаваемая мощность может быть определена с помощью математического анализа или моделирования SPICE. Ее также можно оценить эмпирически с помощью анализатора спектра, осциллографа или вольтметра.