RF-överföring: Regler, störningar och kraftöverföring

Det elektromagnetiska spektrumet
Lär dig hur du överför maximal effekt från din förstärkare till din antenn och hur du uppskattar denna effekt med hjälp av ett oscilloskop.

En viktig egenskap hos RF-tekniken är följande: det är relativt enkelt för en person att hindra, eller till och med grundligt förstöra, en persons persons trådlösa kommunikation. Radiovågor reser genom luften och är tillgängliga för alla, inklusive de som - avsiktligt eller av misstag - överför signaler som kan beskrivas som störningar.

Först är det viktigt att förstå att du inte kan "förstöra" eller "skada" radiosignaler som redan har överförts. Trots det kan interferenseffekten vara likvärdigt med att förstöra en original signal eftersom den komprometterar mottagarens förmåga att extrahera den viktiga informationen som finns i denna signal. Med andra ord är informationen fortfarande närvarande, men med avseende på en viss mottagare har den i praktiken upphört att existera.

Störningar är en ständig utmaning inom RF-design, och spridningen av trådlösa enheter gör situationen inte enklare. Det finns olika sätt att göra ett system motståndskraftigt mot störningar, och dessa kommer att diskuteras senare i läroboken. Det mesta av denna störning beror helt enkelt på det faktum att enheter som inte kommunicerar ofta måste använda liknande bärfrekvenser.

Det finns emellertid också något som medvetet störning. Detta kallas störning; målet är att sända en signal som på ett eller annat sätt hindrar andra trådlösa system från att upprätthålla framgångsrik kommunikation. Jamming är en viktig taktik i modern krigföring, och i det dagliga livet är det en olägenhet (eller värre) och är helt olaglig.

 

förordningar
Det kan inledningsvis verka konstigt att regeringen skulle reglera trådlösa överföringar - kan vi verkligen införa lagar på något som är så immateriellt som elektromagnetisk strålning? Men det jammande exemplet gör det klart att frånvaron av förordningar skulle leda till allvarliga problem. Strikt organisation krävs för att säkerställa att EMR-området inte försämras till en kaotisk horde av störande signaler.

I USA faller uppgiften att upprätthålla ordningen i världen av trådlös kommunikation till Federal Communications Commission (FCC). Privata och offentliga organisationer som vill använda en del av det elektromagnetiska spektrumet måste få tillstånd från FCC; detta tillstånd kallas licens. Det finns undantag för system som är begränsade inom räckvidd och därmed osannolikt orsakar en större störning.

Max effekt
Om du är intresserad av (lagliga) licensfria radiosändningar måste du känna till din sändningsstyrka. Även om de officiella bestämmelserna presenteras i termer av effektiv räckvidd eller någon annan metrisk, bör du kunna bestämma den sändningseffekt som allmänt anses vara acceptabel i dessa situationer - och att uppskatta effekten är lättare än att försöka mäta systemets räckvidd eller fältstyrka på ett visst avstånd från antennen.

Denna plott ger fältstyrkegränser (för ett visst frekvensområde) baserat på FCC: s "del 15" -regler. Bild anpassad från Digi-Key
 
I RF och alla andra typer av elektriska kretsar är effekten som avlägsnas av en komponent lika med spänningen över den komponent multiplicerad med strömmen som strömmar genom komponenten. Du kanske tänker på en antenn som helt enkelt en ledare och därför som något med mycket lite motstånd. 

Det är sant att en ledare kan ha mycket lågt motstånd vid DC, men vid högre frekvenser har en antenn betydande mängder ingångsimpedans. Vi är intresserade av antennens impedans vid de specifika frekvenserna som vi använder för att sända vår RF-signal; vi behöver den här informationen för att uppskatta mängden energi som levereras till antennen.

Spänningsöverföring kontra kraftöverföring
I en typisk digital eller analog krets vill vi inte att en tråd- eller PCB-spår ska ha ett motstånd på 50 Ω. Detta verkar vara ett väldigt högt motstånd för något som beskrivs som en ledare. 

Men vi måste komma ihåg att i lågfrekventa kretsar är vi vanligtvis intresserade av spänningsöverföring, dvs vi vill se till att spänningen vid en ingångsstift är så nära spänningen som möjligt vid föregående utgångsstift. För att uppnå god spänningsöverföring behöver vi låg utgångsimpedans, låg ledarimpedans och hög ingångsimpedans.

I utgångssteget för en RF-sändare (eller en ljudförstärkare) är målet emellertid kraftöverföring. Vi vill inte bara flytta spänning från en enhet till en annan; vi vill ha betydande ström som flyter genom antennen, så att den har gott om elektrisk energi som kan omvandlas till utstrålad elektromagnetisk energi.

Maximal effektöverföring inträffar när storleken på lastimpedansen är lika stor som källimpedansen.

Som ni ser är lasteffekten (PL) maximal när RL = RS. Observera dock att effektiviteten (η) fortsätter att öka utöver denna punkt. Maximal effektöverföring motsvarar inte maximal effektivitet.
 
I RF-kretsar kommer förstärkarens utgångssteg (och transmissionslinjen som ansluter förstärkaren till antennen) ofta att ha impedans 50 Ω, och därför måste antennimpedansen också vara 50 Ω för att säkerställa maximal effektöverföring. (Ett annat viktigt ämne här är "matchande nätverk", som används för att förbättra impedansmatchning mellan en förstärkare och en antenn; detta kommer att diskuteras senare i läroboken.)

Uppskattning av makten
Den föregående diskussionen förklarar varför vi kan analysera ett RF-utgångssteg genom att ansluta effektförstärkaren till en 50 Ω oscilloskopingång: de flesta RF-system är byggda runt 50 Ω impedanser, och därför kommer du i allmänhet att behöva en 50 Ω antennimpedans.

Naturligtvis, om du känner till relevanta spännings- och impedansegenskaper för din krets, kan du helt enkelt beräkna den effekt som levereras till antennen. En SPICE-simulator skulle vara en annan effektiv metod. Men om dessa tekniker inte är praktiska under dina omständigheter, eller om du vill ha empirisk verifiering, måste du använda mätutrustning.

Om du har en spektrumanalysator, använd det på alla sätt. Den är utformad för att tillhandahålla exakt den här typen av information. Om du inte har en spektrumanalysator kan du använda ett oscilloskop. Titta på RMS-spänningen för signalen med en 50 Ω omfattningsingång och beräkna sedan effekten som V2 / R, där R = 50 Ω.

Sammanfattning

* Elektromagnetisk transmission är noggrant reglerad för att mildra problem förknippade med oavsiktlig störning. Avsiktlig störning, känd som fastklämning, är olaglig inom ramen för det civila livet.

* I USA måste sändande enheter i allmänhet vara licensierade av FCC.

* Licensfri drift är möjlig under vissa förhållanden i samband med begränsad sändningseffekt.

* För att uppnå maximal överföring av elektrisk effekt från en förstärkare till en antenn måste förstorarens utgångsimpedans överensstämma med storleken på antennens ingångsimpedans.

* Sändningseffekt kan bestämmas via matematisk analys eller SPICE-simulering. Det kan också uppskattas empiriskt med hjälp av en spektrumanalysator eller ett oscilloskop.

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC