ข้อต่อและการรั่วไหลในระบบ RF

สัญญาณ RF แบบ Real-Life

การออกแบบและการวิเคราะห์ RF จำเป็นต้องมีความเข้าใจในวิธีการที่ซับซ้อนซึ่งสัญญาณความถี่สูงเคลื่อนที่ผ่านวงจรจริง

การออกแบบคลื่นความถี่วิทยุนั้นเป็นที่ทราบกันดีว่ามีความท้าทายเป็นพิเศษในสาขาวิชาต่าง ๆ ของวิศวกรรมไฟฟ้า เหตุผลหนึ่งสำหรับเรื่องนี้คือความไม่ลงรอยกันอย่างมากระหว่างสัญญาณไฟฟ้าเชิงทฤษฎีและสัญญาณไซน์ไซด์ความถี่สูง

ในบางจุดเราทุกคนเริ่มตระหนักว่าส่วนประกอบและสายสัญญาณในอุดมคติที่พบในการวิเคราะห์วงจรเชิงทฤษฎีนั้นมีประโยชน์แม้ว่าการประมาณที่ไม่ถูกต้องของความเป็นจริงจะสูงมาก ส่วนประกอบมีความคลาดเคลื่อนและการพึ่งพาอุณหภูมิและองค์ประกอบของกาฝาก สายไฟมีความต้านทานความจุและตัวเหนี่ยวนำ สัญญาณมีสัญญาณรบกวน อย่างไรก็ตามวงจรที่ประสบความสำเร็จจำนวนมากได้รับการออกแบบและดำเนินการโดยมีข้อพิจารณาเล็กน้อยสำหรับความไม่เท่าเทียมเหล่านี้

แบบจำลองวงจรเทียบเท่าสำหรับ "ตัวเก็บประจุ" ที่แท้จริง ที่ความถี่สูงมากมันจะทำงานเหมือนตัวเหนี่ยวนำ

สิ่งนี้เป็นไปได้เพราะวงจรจำนวนมากในปัจจุบันนี้เกี่ยวข้องกับสัญญาณความถี่ต่ำหรือสัญญาณดิจิตอลเป็นหลัก ระบบความถี่ต่ำนั้นน้อยกว่ามากภายใต้สัญญาณ nonideal และพฤติกรรมของส่วนประกอบ ดังนั้นวงจรความถี่ต่ำมีแนวโน้มที่จะแตกต่างน้อยกว่ามากจากการดำเนินการที่เราคาดหวังจากการวิเคราะห์ทางทฤษฎี 

ระบบดิจิตอลความถี่สูงนั้นขึ้นอยู่กับความไม่เสมอภาค แต่ผลกระทบของความไม่สงบเหล่านี้มักไม่โดดเด่นเนื่องจากการสื่อสารแบบดิจิตอลมีความแข็งแกร่งอย่างแท้จริง 

สัญญาณดิจิทัลอาจพบการลดลงอย่างมีนัยสำคัญอันเป็นผลมาจากพฤติกรรมของวงจร nonideal แต่ตราบใดที่ผู้รับยังสามารถแยกแยะความแตกต่างตรรกะสูงจากตรรกะต่ำระบบจะรักษาฟังก์ชั่นเต็มรูปแบบ

ในโลก RF แน่นอนว่าสัญญาณไม่ได้เป็นแบบดิจิตอลและไม่มีความถี่ต่ำ พฤติกรรมสัญญาณที่ไม่คาดคิดจะกลายเป็นเรื่องปกติและทุกๆเดซิเบลของอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ลดลงสอดคล้องกับช่วงที่ลดลงหรือคุณภาพเสียงที่ลดลงหรืออัตราความผิดพลาดของบิตที่เพิ่มขึ้น

ข้อต่อแบบ Capacitive
จำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องเข้าใจว่าสัญญาณ RF นั้นไม่ได้ จำกัด อยู่กับเส้นทางการนำความตั้งใจ นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริบทของแผงวงจรพิมพ์ที่ซึ่งร่องรอยและส่วนประกอบต่าง ๆ มักมีการแยกทางกายภาพเพียงเล็กน้อย

 

แผนภาพวงจรทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบสายไฟและพื้นที่ว่างในระหว่าง สมมติฐานคือสัญญาณเดินทางไปตามสายไฟและไม่สามารถผ่านพื้นที่ว่างเปล่าได้ ในความเป็นจริงแม้ว่าพื้นที่ว่างเหล่านั้นจะเต็มไปด้วยตัวเก็บประจุ ความจุจะเกิดขึ้นเมื่อใดก็ตามที่ตัวนำสองตัวถูกแยกด้วยวัสดุฉนวนโดยมีความใกล้ทางกายภาพใกล้เคียงกับความจุที่มากขึ้น

ตัวเก็บประจุบล็อก DC และนำเสนอความต้านทานสูงต่อสัญญาณความถี่ต่ำ ดังนั้นเราสามารถเพิกเฉยต่อความจุที่ไม่ได้ตั้งใจทั้งหมดนี้ในบริบทของการออกแบบความถี่ต่ำ แต่ความต้านทานลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ที่ความถี่สูงมาก PCB นั้นเต็มไปด้วยเส้นทางการนำความต้านทานต่ำที่สร้างขึ้นโดยความจุของกาฝาก

การมีเพศสัมพันธ์แบบแผ่
ในโลกอุดมคติอุปกรณ์ RF ทุกตัวมีเสาอากาศหนึ่งเสา ในความเป็นจริงทุกตัวนำเป็นเสาอากาศในแง่ที่ว่ามันมีความสามารถในการเปล่งและรับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นการมีเพศสัมพันธ์แบบแผ่จึงให้วิธีการอื่นที่สัญญาณ RF สามารถผ่านช่องว่างว่างเปล่าแบบไม่เหนี่ยวนำระหว่างสัญลักษณ์วงจร

ตามปกติปัญหานี้จะรุนแรงมากขึ้นเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น เสาอากาศมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อความยาวของมันเป็นส่วนสำคัญของความยาวคลื่นของสัญญาณและทำให้ PCB ร่องรอย (ซึ่งมักจะค่อนข้างสั้น) มีปัญหามากขึ้นเมื่อมีความถี่สูง

คำว่า "การมีเพศสัมพันธ์ด้วยการแผ่รังสี" มีความเหมาะสมมากกว่าเมื่ออ้างถึงผลกระทบระยะไกลเช่นการรบกวนที่เกิดจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ได้อยู่ในบริเวณใกล้เคียงของเสาอากาศ เมื่อตัวนำเปล่งแสงและตัวนำถูกแยกออกโดยความยาวคลื่นน้อยกว่าประมาณหนึ่งความสัมพันธ์จะเกิดขึ้นในสนามใกล้ ในสถานการณ์นี้สนามแม่เหล็กครอบงำและดังนั้นคำที่ถูกต้องมากขึ้นคือ "การมีเพศสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำ"

การรั่วไหล
สัญญาณ RF ที่ต่อเข้ากับส่วนที่ไม่ต้องการของวงจรอธิบายว่า "รั่ว" ตัวอย่างแบบคลาสสิกของการรั่วไหลนั้นปรากฎในแผนภาพต่อไปนี้:




สัญญาณ oscillator (LO) ถูกป้อนเข้าโดยตรงกับอินพุต LO ของเครื่องผสม นี่คือเส้นทางการนำโดยเจตนา ในเวลาเดียวกันสัญญาณจะค้นหาเส้นทางการนำทางที่ไม่ได้ตั้งใจและจัดการให้รั่วไหลไปยังพอร์ตอินพุตอื่น ๆ ของเครื่องผสม การผสมสัญญาณสองสัญญาณที่มีความถี่และเฟสเหมือนกันส่งผลให้ DC ออฟเซ็ต (ขนาดของออฟเซ็ตลดลงเป็นศูนย์เมื่อความแตกต่างของเฟสใกล้ถึง 90 °หรือ –90 °) ออฟเซ็ต DC นี้ถือเป็นการท้าทายการออกแบบที่สำคัญด้วยความเคารพต่อสถาปัตยกรรมของเครื่องรับที่แปลสัญญาณอินพุตโดยตรงจากความถี่วิทยุเป็นความถี่เบสแบนด์

เส้นทางการรั่วไหลก็คือจากเครื่องผสมผ่านเครื่องขยายเสียงรบกวนต่ำไปยังเสาอากาศ:


 

แต่มันไม่หยุดเพียงแค่นั้น สัญญาณ LO สามารถแผ่คลื่นด้วยเสาอากาศซึ่งสะท้อนจากวัตถุภายนอกแล้วรับสัญญาณจากเสาอากาศเดียวกัน สิ่งนี้จะสร้างการผสมตัวเองและ DC ออฟเซ็ตที่เกิดขึ้นอีกครั้ง แต่ในกรณีนี้การชดเชยจะไม่สามารถคาดเดาได้อย่างมาก - ความกว้างและขั้วของออฟเซ็ตจะได้รับผลกระทบจากขนาดของสัญญาณสะท้อนที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

เครื่องส่งสัญญาณและตัวรับสัญญาณ
สถานการณ์อื่นที่นำไปสู่ปัญหาการรั่วไหลคือเมื่ออุปกรณ์ RF ประกอบด้วยทั้งตัวรับและตัวส่ง ส่วนเครื่องส่งสัญญาณมีเพาเวอร์แอมป์ที่ออกแบบมาเพื่อส่งสัญญาณแรงไปยังเสาอากาศ ส่วนผู้รับถูกออกแบบมาเพื่อขยายและ demodulate สัญญาณของแอมพลิจูดขนาดเล็กมาก ดังนั้นตัวส่งสัญญาณให้พลังงานสูงและตัวรับสัญญาณให้ความไวสูง

คุณอาจเห็นว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นที่ไหน พา ธ คัปปลิ้งอาจยอมให้เอาต์พุต PA รั่วไหลลงในห่วงโซ่การรับ แม้แต่สัญญาณ PA ที่ถูกลดทอนอย่างสูงอาจทำให้เกิดปัญหากับวงจรตัวรับสัญญาณที่ละเอียดอ่อน

เริม, ดูเพล็กซ์
การรั่วไหลของ PA-to-receiver นี้เป็นเพียงความกังวลเมื่อวงจรต้องรองรับการส่งและการรับพร้อมกัน ระบบประกอบด้วยสองอุปกรณ์ดังกล่าว - เรียกว่าตัวรับส่งสัญญาณเพราะพวกเขาสามารถทำหน้าที่เป็นเครื่องส่งสัญญาณและตัวรับสัญญาณ - จะเรียกว่าเพล็กซ์เต็มรูปแบบ ระบบฟูลดูเพล็กซ์เปิดใช้งานการสื่อสารสองทางพร้อมกัน

ระบบฮาล์ฟดูเพล็กซ์รองรับการสื่อสารสองทางแบบไม่พร้อมกันแม้ว่าอุปกรณ์ที่ใช้ในระบบฮาล์ฟดูเพล็กซ์จะยังคงเป็นตัวรับส่งสัญญาณเพราะสามารถส่งและรับได้ ด้วยอุปกรณ์ฮาล์ฟดูเพล็กซ์เราไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับการรั่วไหลจาก PA ไปยังเครื่องรับเนื่องจากสายโซ่การรับไม่ทำงานในระหว่างการส่งสัญญาณ

ระบบการสื่อสาร RF ทางเดียวเรียกว่า "simplex" ตัวอย่างที่พบบ่อยคือ AM หรือ FM Broadcast; เสาอากาศของสถานีส่งสัญญาณและวิทยุรถรับ

สรุป

* สัญญาณและส่วนประกอบไฟฟ้าในชีวิตจริงนั้นยากต่อการคาดเดาและวิเคราะห์มากกว่าคู่อุดมคติของพวกเขา นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสัญญาณอะนาล็อกความถี่สูง

* สัญญาณ RF พร้อมที่จะเดินทางผ่านเส้นทางการนำทางที่ไม่ได้ตั้งใจซึ่งสร้างขึ้นโดยการมีเพศสัมพันธ์แบบ capacitive, การมีเพศสัมพันธ์แบบแผ่และการมีเพศสัมพันธ์แบบอุปนัย
* การเคลื่อนที่ของสัญญาณ RF ผ่านเส้นทางการนำไฟฟ้าที่ไม่ได้ตั้งใจเรียกว่าการรั่วไหล

* ระบบ RF สามารถแบ่งออกเป็นสามประเภททั่วไป:

ฟูลดูเพล็กซ์ (การสื่อสารสองทางพร้อมกัน)
half duplex (การสื่อสารสองทางแบบไม่พร้อมกัน)
เริม (การสื่อสารทางเดียว)

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ