Связь и утечки в радиочастотных системах
Для радиочастотного проектирования и анализа требуется понимание сложных способов, с помощью которых высокочастотные сигналы перемещаются в реальной жизни.
Известно, что радиочастотное проектирование среди различных разделов электротехники особенно сложно. Одной из причин этого является крайняя противоречивость между теоретическими электрическими сигналами и высокочастотными синусоидальными сигналами.
В какой-то момент мы все начинаем понимать, что идеализированные компоненты, провода и сигналы, найденные в теоретическом анализе схем, полезны, хотя и очень неточно приближены к реальности. Компоненты имеют допустимые отклонения, температурные зависимости и паразитные элементы; провода имеют сопротивление, емкость и индуктивность; сигналы содержат шум. Тем не менее, многочисленные успешные схемы разработаны и реализованы с небольшим учетом этой неидеальности либо вообще без него.
Это возможно, потому что в настоящее время в таких схемах задействованы в основном низкочастотные или цифровые сигналы. Низкочастотные системы гораздо менее подвержены неидеальному поведению сигналов и компонентов; следовательно, низкочастотные схемы имеют тенденцию к значительно меньшему отклонению от работы, которую мы ожидаем, основываясь на теоретическом анализе. Высокочастотные цифровые системы более подвержены неидеальности, но эффекты этих неидеальностей обычно не видны, поскольку цифровая связь по своей природе является надежной. Цифровой сигнал может испытывать значительное ухудшение в результате неидеальной схемы, но пока приемник всё же может правильно отличать логическую единицу от логического нуля, система будет поддерживать полную работоспособность.
Разумеется, в радиочастотном мире сигналы не являются ни цифровыми, ни низкочастотными. Неожиданное поведение сигнала становится нормой, и каждый децибел уменьшенного отношения сигнал/шум соответствует уменьшению расстояния или более низкому качеству звука, или увеличению частоты появления битовых ошибок.
Емкостная связь
Важно понимать, что радиосигналы абсолютно не ограничиваются предполагаемыми путями проводимости. Это особенно справедливо в контексте печатных плат, где различные дорожки и компоненты часто имею небольшое физическое разделение.
Типовая схема состоит из компонентов, проводов и свободного пространства между ними. Предполагается, что сигналы движутся вдоль проводов и не могут проходить через пустое пространство. На самом деле эти пустые пространства заполнены конденсаторами. Когда два проводника разделены изоляционным материалом, создается емкость; при этом, чем физически ближе они расположены, тем выше емкость.
Конденсаторы блокируют постоянный ток и представляют собой высокий импеданс для низкочастотных сигналов. Таким образом, мы можем более или менее игнорировать всю эту непредусмотренную емкость в контексте низкочастотного проектирования. Но импеданс уменьшается по мере увеличения частоты; на очень высоких частотах печатная плата наполнена относительно низкоимпедансными проводящими путями, создаваемыми паразитной емкостью.
Связь через излучение (наводки)
В идеальном мире у каждого радиочастотного устройства одна антенна. В действительности же каждый проводник является антенной в том смысле, что он способен излучать и принимать электромагнитное излучение. Таким образом, связь через излучение (наводки) обеспечивают другой способ, посредством которого сигналы могут проходить через предположительно непроводящие пустые пространства между элементами схемы.
Как обычно, эта проблема становится более серьезной по мере увеличения частоты. Антенна более эффективна, когда ее длина составляет значительную долю длины волны сигнала, и поэтому дорожки на печатной плате (которые обычно являются довольно короткими) являются более проблематичными при наличии высоких частот.
Термин «связь через излучение» более уместен, когда речь идет о воздействии дальнего поля, т.е. помехе, вызванной электромагнитным излучением, которое не находится в непосредственной близости от антенны. Когда излучающий и принимающий проводники разделены менее чем на одну длину волны, взаимодействие между ними происходит в ближнем поле. В этой ситуации доминирует магнитное поле, и, следовательно, более точный термин «индуктивная связь».
Утечки
Радиочастотный сигнал, который связывается с непредусмотренными частями схемы, описывается как «утечка». Классический пример утечки изображен на следующей схеме:
Сигнал гетеродина (local oscillator, LO) подается непосредственно на вход LO смесителя; это предусмотренный путь. В то же время сигнал находит непредусмотренный путь и ему удается просочиться на другой вход смесителя. Смешение двух сигналов одинаковой частоты и фазы приводит к смещению по постоянному напряжению (величина смещения уменьшается до нуля, когда разность фаз приближается к 90° или –90°). Это смещение представляет собой серьезную проблему проектирования в отношении архитектур приемников, которые переносят входной сигнал с радиочастоты непосредственно на низкую частоту.
Другой путь утечки: от смесителя через малошумящий усилитель к антенне:
Но на этом не останавливаемся; сигнал гетеродина может излучаться антенной, отражаться внешним объектом, а затем приниматься той же антенной. Это снова приведет к самосмешению и даст в результате смещение по постоянному напряжению, но в этом случае смещение будет очень непредсказуемым – на амплитуду и полярность смещения будет влиять постоянно изменяющаяся величина отраженного сигнала.
Передатчики и приемники
Другая ситуация, которая приводит к проблемам утечки, заключается в том, что радиочастотное устройство включает в себя как приемник, так и передатчик. Передающая часть имеет усилитель мощности, который предназначен для подачи сильного сигнала на антенну. Приемная часть предназначена для усиления и демодуляции сигналов с очень малой амплитудой. Таким образом, передатчик обеспечивает высокую мощность, а приемник – высокую чувствительность.
Вероятно, вы можете увидеть, где всё может произойти. Путь связи мог бы позволить выходному сигналу усилителя мощности проникнуть в цепь приема; даже сильно ослабленный сигнал усилителя мощности может вызвать проблемы для чувствительной схемы приемника.
Симплекс, дуплекс
Эта утечка «усилитель мощности – приемник» является проблемой, лишь когда схема должна поддерживать одновременную передачу и прием. Система, состоящая из двух таких устройств, называемых приемопередатчиком, поскольку они могут функционировать как передатчик и приемник, называется полным дуплексом. Полнодуплексная система обеспечивает одновременную двустороннюю связь.
Полудуплексная система поддерживает только неодновременную двустороннюю связь, хотя устройства, используемые в полудуплексной системе, все еще являются приемопередатчиками, поскольку они могут и передавать, и принимать. С полудуплексными устройствами нам не нужно беспокоиться об утечке из усилителя мощности в приемник, потому что во время передачи схема приема не активна.
Односторонняя радиочастотная система связи называется «симплексной». Очень распространенным примером является AM или FM вещание; антенна станции передает, а автомобильный приемник принимает.
Резюме
- Поведение реальных электрических сигналов и компонентов сложнее спрогнозировать и проанализировать, чем их идеализированных коллег; особенно это актуально для высокочастотных аналоговых сигналов.
- Радиочастотные сигналы легко проходят через непредусмотренные пути, создаваемые емкостной и индуктивной связями.
- Движение радиочастотных сигналов через непредусмотренные пути называется утечкой.
- Радиочастотные системы можно разделить на три основные категории:
- полный дуплекс (одновременная двусторонняя связь);
- полудуплекс (неодновременная двусторонняя связь);
- симплекс (односторонняя связь).