צימוד ודליפה במערכות RF

אותות RF אמיתיים

תכנון וניתוח RF דורש הבנה של הדרכים המורכבות בהן אותות בתדרים גבוהים עוברים במעגל אמיתי.

תכנון RF ידוע כמאתגר במיוחד בין תחומי המשנה השונים של הנדסת חשמל. אחת הסיבות לכך היא חוסר עקביות קיצוני בין אותות חשמליים תיאורטיים לבין אותות סינוסואידים בתדר גבוה.

בשלב מסוים כולנו מתחילים להבין שהמרכיבים האידיאליים והחוטים והאותות הנמצאים בניתוח מעגלים תיאורטיים מועילים אם כי קירובים מאוד לא מדויקים של המציאות. לרכיבים יש סובלנות ותלות טמפרטורה ואלמנטים טפיליים; לחוטים יש התנגדות, קיבול ושראות; יש לאותות רעש. עם זאת, מספר רב של מעגלים מצליחים מתוכננים ומיושמים תוך התחשבות מועטה, אם בכלל, בגין אי-פגיעות אלה.

מודל המעגל המקביל ל"קבל "אמיתי; בתדרים גבוהים מאוד זה למעשה מתנהג כמו משרן.

זה אפשרי מכיוון שמעגלים רבים כל כך בימינו כוללים בעיקר אותות בתדר נמוך או דיגיטלי. מערכות בתדרים נמוכים כפופות הרבה פחות להתנהגות לא אותית והתנהגות רכיבים; כתוצאה מכך, מעגלי תדרים נמוכים נוטים לסטות הרבה פחות מהפעולה שאנו מצפים על סמך ניתוח תיאורטי. 

מערכות דיגיטליות בתדירות גבוהה נתונות יותר לאי-פגיעות, אך בדרך כלל ההשפעות של אי-פגיעות אלה אינן בולטות מכיוון שהתקשורת הדיגיטלית היא חזקה מטבעה. 

האות הדיגיטלי עשוי לחוות השפלה משמעותית כתוצאה מהתנהגות מעגלים לא-טבעיים, אך כל עוד המקלט עדיין יכול להבדיל נכון בין ההיגיון לבין ההיגיון הנמוך, המערכת שומרת על פונקציונליות מלאה.

בעולם ה- RF, כמובן, האותות אינם דיגיטליים ואינם בעלי תדר נמוך. התנהגות איתות בלתי צפויה הופכת לנורמה, וכל dB של יחס אות לרעש מופחת תואם טווח מופחת, או איכות שמע נמוכה יותר, או שיעור שגיאת סיביות מוגבר.

צימוד קיבולי
חיוני להבין כי אותות RF לחלוטין אינם מסתפקים בנתיבי ההולכה המיועדים. זה נכון במיוחד בהקשר של לוחות מעגלים מודפסים, בהם לעיתים קרובות עקבות והרכיבים השונים אינם בעלי הפרדה פיזית.

 

דיאגרמת מעגלים טיפוסית מורכבת מרכיבים, חוטים, והמרחב הריק שביניהם. ההנחה היא שסימנים נודדים לאורך חוטים ואינם יכולים לעבור בחלל הריק. אולם במציאות, אותם חללים ריקים מלאים בקבלים. קיבול נוצר בכל פעם ששני מוליכים מופרדים על ידי חומר מבודד, עם קרבה פיזית קרובה יותר המתאימה לקיבול גבוה יותר.

קבלים חוסמים DC ומציגים עכבה גבוהה לאותות בתדר נמוך. לפיכך, אנו יכולים פחות או יותר להתעלם מכל הקיבול הבלתי מכוון הזה בהקשר של תדירות נמוכה. אולם עכבה פוחתת ככל שהתדירות עולה; בתדרים גבוהים מאוד, PCB מלא במסלולי הולכה עם עכבה נמוכה יחסית הנוצרים על ידי קיבול טפילי.

צימוד מקרין
בעולם האידיאלי, לכל מכשיר RF אנטנה אחת. במציאות, כל מוליך הוא אנטנה במובן זה שהוא מסוגל לפלוט ולקבל קרינה אלקטרומגנטית. לפיכך, צימוד מקרין מספק אמצעי נוסף שבאמצעותו יכולים אותות RF לעבור דרך השטחים הריקים והלא-מוליכים כביכול בין סמלים סכמטיים.

כרגיל, בעיה זו הופכת חמורה יותר ככל שהתדירות עולה. אנטנה יעילה יותר כאשר אורכה הוא חלק ניכר מאורך הגל של האות, ולכן עקבות PCB (שלרוב קצרות למדי) הן בעייתיות יותר כאשר קיימים תדרים גבוהים.

המונח "צימוד מוקרן" מתאים יותר כשמדובר בהשפעות שדה רחוק, כלומר הפרעות הנגרמות כתוצאה מקרינה אלקטרומגנטית שאינה נמצאת בסביבתו הקרובה של האנטנה. כאשר המוליכים הנפלטים והמקבלים מופרדים בפחות מכוח גל אחד אחד, האינטראקציה מתרחשת בשדה הקרוב. במצב זה השדה המגנטי שולט, וכתוצאה מכך המונח המדויק יותר הוא "צימוד אינדוקטיבי."

דְלִיפָה
אות RF שמתחבר לחלקים לא רצויים של מעגל מתואר כ"דלף ". דוגמה קלאסית לדליפה מתוארת בתרשים הבא:




אות המתנד המקומי (LO) מוזר ישירות לכניסת LO של המיקסר; זה מסלול ההולכה המכוון. במקביל, האות מוצא נתיב הולכה לא מכוון ומצליח לדלוף ליציאת הקלט האחרת של המיקסר. ערבוב של שני אותות בעלי תדר ושלב זהים מביא לקיזוז DC (עוצמת הקיזוז פוחתת לעבר אפס ככל שההפרש שלב מתקרב ל 90 ° או –90 °). קיזוז DC זה מהווה אתגר עיצובי עיקרי בכל הקשור לארכיטקטורות מקלטים המתורגמים את אות הקלט ישירות מתדר הרדיו לתדר פסי הבסיס.

נתיב דליפה נוסף הוא ממיקסר דרך מגבר רעש נמוך לאנטנה:


 

אבל זה לא נעצר שם; ניתן להקרין את האות LO על ידי האנטנה, להשתקף על ידי אובייקט חיצוני ולקבל אותה באותה אנטנה. זה יביא שוב לערבוב עצמי ולקיזוז DC המתקבל, אך במקרה זה הקיזוז יהיה בלתי צפוי ביותר - המשרעת והקוטביות של הקיזוז יושפעו מגודל המשתנה המתמיד של האות המוחזר.

משדרים ומקלטים
סיטואציה נוספת שמובילה לבעיות דליפה היא כאשר מכשיר RF כולל גם מקלט וגם משדר. לחלק המשדר מגבר כוח אשר נועד לשלוח אות חזק לאנטנה. חלק המקלט נועד להגביר ולפענח אותות של משרעת קטנה מאוד. אז המשדר מספק כוח גבוה, והמקלט מספק רגישות גבוהה.

אתה בטח יכול לראות לאן זה הולך. מסלול צימוד יכול לאפשר לפלט הרשות הפלסטינית לדלוף לשרשרת הקליטה; אפילו אות PA מועתק מאוד עלול לגרום לבעיות במעגלי המקלט הרגישים.

סימפלקס, דופלקס
זליגת PA-to-receiver היא חשש רק כאשר המעגל צריך לתמוך בהעברה וקבלה סימולטנית. מערכת המורכבת משני מכשירים כאלה - המכונים משדרים / משדרים, מכיוון שהם יכולים לתפקד כמשדרים ומקלטים - מכונה דופלקס מלא. מערכת דו-צדדית מלאה מאפשרת תקשורת דו כיוונית בו זמנית.

מערכת חצי דופלקס תומכת רק בתקשורת דו כיוונית לא סימולטנית, אם כי ההתקנים המשמשים במערכת חצי דופלקס הם עדיין משדרים כיוון שהם יכולים לשדר ולקבל. במכשירים דו-צדדיים למחצה אנו לא צריכים לדאוג לדליפה מהרשות לפלוטר מכיוון שרשת הקליטה אינה פעילה במהלך השידור.

מערכת תקשורת RF חד כיוונית מכונה "סימפלקס". דוגמא נפוצה מאוד היא שידור AM או FM; האנטנה של התחנה משדרת ורדיו המכונית מקבל.

<br> סיכום

* קשה יותר לחזות ולנתח אותות ורכיבים חשמליים בחיים האמיתיים מאשר המקבילים האידיאלי שלהם; זה נכון במיוחד עבור אותות אנלוגיים בתדירות גבוהה.

* אותות RF נעים בקלות דרך נתיבי הולכה לא מכוונים הנוצרים על ידי צימוד קיבולי, צימוד מקרין וצימוד אינדוקטיבי.
* תנועת אותות RF דרך נתיבי הולכה לא מכוונים מכונה דליפה.

* ניתן לחלק מערכות RF לשלוש קטגוריות כלליות:

דופלקס מלא (תקשורת דו כיוונית בו זמנית)
חצי דופלקס (תקשורת דו כיוונית לא סימולטנית)
סימפלקס (תקשורת חד כיוונית)

השאר הודעה 

רשימת הודעות