Acoplamiento e filtracións en sistemas RF

Sinais RF de vida real

O deseño e análise de RF require unha comprensión das formas complexas nas que os sinais de alta frecuencia se moven a través dun circuíto real.

É coñecido que o deseño de RF é especialmente difícil entre as distintas subdisciplinas da enxeñería eléctrica. Unha das razóns para isto é a extrema inconsistencia entre sinais eléctricos teóricos e sinais sinusoidees de alta frecuencia.

Nalgún momento todos empezamos a entender que os compoñentes idealizados, os fíos e sinais atopados na análise de circuítos teóricos son útiles, aínda que as aproximacións moi imprecisas da realidade. Os compoñentes teñen tolerancias e dependencias de temperatura e elementos parasitos; os fíos teñen resistencia, capacitancia e inductancia; os sinais teñen ruído. Non obstante, moitos circuítos exitosos están deseñados e implementados con pouca consideración por estas nonalidades.

O modelo de circuíto equivalente a un "condensador" real; a frecuencias moi altas comportase realmente como un indutor.

Isto é posible porque tantos circuítos nestes días implican principalmente sinais dixitais de baixa frecuencia ou dixitais. Os sistemas de baixa frecuencia están moito menos sometidos a comportamentos de sinal e non compoñentes; Consecuentemente, os circuítos de baixa frecuencia adoitan desviarse moito menos da operación que esperamos en función da análise teórica. 

Os sistemas dixitais de alta frecuencia están máis suxeitos a nonidealidades, pero os efectos destas nonidealidades normalmente non son destacados porque a comunicación dixital é inherentemente robusta. 

Un sinal dixital pode experimentar unha degradación significativa como consecuencia do comportamento do circuíto non externo, pero sempre que o receptor poida distinguir correctamente a lóxica alta da lóxica baixa, o sistema mantén unha funcionalidade completa.

No mundo de RF, por suposto, os sinais non son dixitais nin de baixa frecuencia. O comportamento inesperado do sinal convértese na norma e cada dB de relación sinal-ruído reducida corresponde a un rango reducido, unha calidade de audio inferior ou unha taxa de erro aumentada.

Acoplamiento Capacitivo
É esencial comprender que os sinais RF absolutamente non se limitan ás vías de condución previstas. Isto é particularmente certo no contexto das placas de circuíto impreso, onde as distintas trazas e compoñentes adoitan ter pouca separación física.

 

Un diagrama de circuíto típico está composto por compoñentes, fíos e o espazo baleiro no medio. A suposición é que os sinais viaxan ao longo de fíos e non poden pasar polo espazo baleiro. En realidade, porén, eses espazos baleiros están cheos de condensadores. A capacitancia fórmase cada vez que dous condutores están separados por un material illante, cunha proximidade física máis próxima correspondente á maior capacitancia.

Os condensadores bloquean a corrente continua e presentan alta impedancia a sinais de baixa frecuencia. Así, podemos ignorar máis ou menos toda esta capacitancia non intencionada no contexto do deseño de baixa frecuencia. Pero a impedancia diminúe a medida que aumenta a frecuencia; a frecuencias moi altas, un PCB está cheo de vías de condución de pouca impedancia creadas pola capacitancia parasitaria.

Acoplamiento radiado
No mundo idealizado, cada dispositivo RF ten unha antena. En realidade, cada condutor é unha antena no sentido de que é capaz de emitir e recibir radiación electromagnética. Así, o acoplamiento radiado fornece outro medio polo que os sinais RF poden atravesar os espazos baleiros supostamente non condutores entre símbolos esquemáticos.

Como é habitual, este problema faise máis grave a medida que aumenta a frecuencia. Unha antena é máis eficaz cando a súa lonxitude é unha fracción significativa da lonxitude de onda do sinal e, polo tanto, as trazas de PCB (que normalmente son bastante curtas) son máis problemáticas cando están presentes altas frecuencias.

O termo "acoplamiento radiado" é máis apropiado cando se refire a efectos de campo lonxitude, é dicir, a interferencias causadas pola radiación electromagnética que non se atopa nas inmediacións da antena. Cando os condutores emisores e receptores están separados por menos dunha aproximadamente lonxitude de onda, a interacción prodúcese no campo próximo. Nesta situación domina o campo magnético e, polo tanto, o termo máis preciso é "acoplamiento indutivo".

Fuga
Un sinal de RF que se acopla a partes non desexadas dun circuíto descríbese como "filtrado". Un exemplo clásico de fugas móstrase no seguinte diagrama:




O sinal do oscilador local (LO) transmítese directamente á entrada LO do mezclador; esta é a vía de condución intencionada. Ao mesmo tempo, o sinal atopa unha ruta de condución non intencionada e consegue filtrarse no outro porto de entrada do mesturador. A mestura de dous sinais de idéntica frecuencia e fase resulta unha compensación de corrente continua (a magnitude da desviación diminúe cara a cero a medida que a diferenza de fase achégase a 90 ° ou –90 °). Este offset CC constitúe un importante reto de deseño con respecto ás arquitecturas de receptores que traducen o sinal de entrada directamente desde a frecuencia de radio á frecuencia de banda base.

Outra vía de fuga é desde un mesturador a través dun amplificador de baixo ruído ata a antena:


 

Pero non para aí; o sinal LO podería ser radiado pola antena, reflectido por un obxecto externo, e logo recibido pola mesma antena. Isto produciría de novo a mestura automática e a compensación CC resultante, pero neste caso o offset sería altamente imprevisible: a amplitude e polaridade do offset verían afectadas pola magnitude en constante cambio do sinal reflectido.

Emisores e receptores
Outra situación que leva a problemas de fuga é cando un dispositivo RF inclúe tanto un receptor como un transmisor. A parte do transmisor ten un amplificador de potencia deseñado para enviar un forte sinal á antena. A parte do receptor está deseñada para amplificar e demodular sinais de amplitude moi pequena. Así o transmisor proporciona alta potencia e o receptor proporciona alta sensibilidade.

Probablemente poida ver onde vai isto. Unha ruta de acoplamiento podería permitir que a saída de PA se filtrase na cadea de recepción; incluso un sinal de PA altamente atenuado pode causar problemas no circuíto receptor sensible.

Simplex, dúplex
Esta fuga de PA a receptor só é unha preocupación cando o circuíto debe soportar a transmisión e recepción simultáneas. Un sistema composto por dous tales dispositivos, chamados transceptores, porque poden funcionar como transmisores e receptores, chámase dúplex completo. Un sistema full-duplex permite unha comunicación bidireccional simultánea.

Un sistema semidúplex admite só as comunicacións bidireccionais non simultáneas, aínda que os dispositivos empregados nun sistema semidúplex son aínda transceptores porque poden transmitir e recibir. Con dispositivos semidesnúplex non temos que preocuparse pola fuga do micrófono ao receptor porque a cadea de recepción non está activa durante as transmisións.

Un sistema de comunicación de sentido único RF denomínase "simplex". Un exemplo moi común é a transmisión AM ou FM; a antena da estación transmite e a radio do coche recibe.

Resumo

* Os sinais e compoñentes eléctricos da vida real son máis difíciles de predecir e analizar que os seus homólogos idealizados; isto é especialmente certo para os sinais analóxicos de alta frecuencia.

* Os sinais de RF viaxan a través de camiños de condución non desexados creados por unión capacitiva, unión radiada e un acoplamiento indutivo.
* O movemento dos sinais RF a través de camiños de condución non desexados denomínase fugas.

* Os sistemas de RF pódense dividir en tres categorías xerais:

duplex completo (comunicación bidireccional simultánea)
half duplex (comunicación bidireccional non simultánea)
simplex (comunicación unidireccional)

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes