Acoplamento e vazamento em sistemas de RF

Sinais de RF da vida real

O design e a análise de RF requerem uma compreensão das formas complexas pelas quais os sinais de alta frequência se movem através de um circuito real.

Sabe-se que o projeto de RF é particularmente desafiador entre as várias subdisciplinas da engenharia elétrica. Uma razão para isso é a extrema inconsistência entre os sinais elétricos teóricos e os sinais sinusoidais de alta frequência.

Em algum momento, todos começamos a perceber que os componentes, fios e sinais idealizados encontrados na análise teórica de circuitos são úteis, embora aproximações altamente imprecisas da realidade. Os componentes possuem tolerâncias e dependências de temperatura e elementos parasitas; os fios têm resistência, capacitância e indutância; sinais têm ruído. No entanto, numerosos circuitos de sucesso são projetados e implementados com pouca ou nenhuma consideração por essas não-idealidades.

O modelo de circuito equivalente para um "capacitor" real; em frequências muito altas, ele realmente se comporta como um indutor.

Isso é possível porque hoje em dia muitos circuitos envolvem principalmente sinais digitais ou de baixa frequência. Os sistemas de baixa frequência estão muito menos sujeitos ao sinal não ideal e ao comportamento dos componentes; consequentemente, os circuitos de baixa frequência tendem a divergir muito menos da operação que esperamos com base na análise teórica. 

Os sistemas digitais de alta frequência estão mais sujeitos a não ideais, mas os efeitos dessas não ideais geralmente não são proeminentes porque a comunicação digital é inerentemente robusta. 

Um sinal digital pode sofrer degradação significativa como resultado do comportamento do circuito não ideal, mas enquanto o receptor ainda puder distinguir corretamente a lógica alta da lógica baixa, o sistema manterá a funcionalidade completa.

No mundo da RF, é claro, os sinais não são digitais nem de baixa frequência. O comportamento inesperado do sinal torna-se a norma, e cada dB de proporção sinal / ruído reduzida corresponde a faixa reduzida ou qualidade de áudio mais baixa ou taxa de erro de bit aumentada.

Acoplamento Capacitivo
É essencial entender que os sinais de RF não se limitam absolutamente aos caminhos de condução pretendidos. Isso é particularmente verdadeiro no contexto das placas de circuito impresso, onde os vários traços e componentes costumam ter pouca separação física.

 

Um diagrama de circuito típico consiste em componentes, fios e o espaço vazio no meio. A suposição é que os sinais viajam ao longo dos fios e não podem passar pelo espaço vazio. Na realidade, porém, esses espaços vazios são preenchidos com capacitores. A capacitância é formada sempre que dois condutores são separados por um material isolante, com proximidade física mais próxima, correspondendo a maior capacitância.

Os capacitores bloqueiam CC e apresentam alta impedância aos sinais de baixa frequência. Assim, podemos mais ou menos ignorar toda essa capacitância não intencional no contexto do design de baixa frequência. Mas a impedância diminui à medida que a frequência aumenta; em frequências muito altas, um PCB é preenchido com caminhos de condução de impedância relativamente baixa criados pela capacitância parasitária.

Acoplamento Radiado
No mundo idealizado, todo dispositivo de RF possui uma antena. Na realidade, todo condutor é uma antena no sentido de que é capaz de emitir e receber radiação eletromagnética. Assim, o acoplamento radiado fornece outro meio pelo qual os sinais de RF podem passar através dos espaços vazios supostamente não condutores entre os símbolos esquemáticos.

Como sempre, esse problema se torna mais grave à medida que a frequência aumenta. Uma antena é mais eficaz quando seu comprimento é uma fração significativa do comprimento de onda do sinal e, portanto, traços de PCB (que geralmente são bastante curtos) são mais problemáticos quando altas frequências estão presentes.

O termo “acoplamento irradiado” é mais apropriado quando se refere a efeitos de campo distante, ou seja, interferência causada por radiação eletromagnética que não está nas imediações da antena. Quando os condutores emissores e receptores são separados por menos de aproximadamente um comprimento de onda, a interação ocorre no campo próximo. Nesta situação, o campo magnético domina e, consequentemente, o termo mais preciso é "acoplamento indutivo".

Vazamento
Um sinal de RF acoplado a partes indesejadas de um circuito é descrito como "vazamento". Um exemplo clássico de vazamento é mostrado no diagrama a seguir:




O sinal do oscilador local (LO) é alimentado diretamente na entrada LO do mixer; esse é o caminho de condução intencional. Ao mesmo tempo, o sinal encontra um caminho de condução não intencional e consegue vazar na outra porta de entrada do mixer. A mistura de dois sinais de frequência e fase idênticas resulta em um deslocamento DC (a magnitude do deslocamento diminui para zero quando a diferença de fase se aproxima de 90 ° ou –90 °). Esse deslocamento DC constitui um grande desafio de projeto em relação às arquiteturas de receptor que convertem o sinal de entrada diretamente da frequência de rádio para a frequência da banda base.

Outro caminho de vazamento é de um misturador através de um amplificador de baixo ruído até a antena:


 

Mas não para por aí; o sinal LO pode ser irradiado pela antena, refletido por um objeto externo e, em seguida, recebido pela mesma antena. Isso produziria novamente a mistura automática e o deslocamento DC resultante, mas, neste caso, o deslocamento seria altamente imprevisível - a amplitude e a polaridade do deslocamento seriam afetadas pela magnitude em constante mudança do sinal refletido.

Transmissores e Receptores
Outra situação que leva a problemas de vazamento é quando um dispositivo de RF inclui um receptor e um transmissor. A parte do transmissor possui um amplificador de potência projetado para enviar um sinal forte para a antena. A porção do receptor é projetada para amplificar e desmodular sinais de amplitude muito pequena. Portanto, o transmissor fornece alta potência e o receptor fornece alta sensibilidade.

Você provavelmente pode ver onde isso está acontecendo. Um caminho de acoplamento pode permitir que a saída do PA vaze na cadeia de recebimento; mesmo um sinal PA altamente atenuado pode causar problemas nos circuitos sensíveis do receptor.

Simplex, Duplex
Esse vazamento de PA para receptor é apenas uma preocupação quando o circuito deve suportar transmissão e recepção simultâneas. Um sistema composto por dois desses dispositivos - chamados transceptores, porque eles podem funcionar como transmissores e receptores - é chamado de full duplex. Um sistema full-duplex permite a comunicação bidirecional simultânea.

Um sistema half-duplex suporta apenas comunicação bidirecional não simultânea, embora os dispositivos usados ​​em um sistema half-duplex ainda sejam transceptores porque podem transmitir e receber. Com dispositivos half-duplex, não precisamos nos preocupar com vazamentos do PA para o receptor, porque a cadeia de recebimento não está ativa durante as transmissões.

Um sistema de comunicação RF unidirecional é referido como "simplex". Um exemplo muito comum é a transmissão AM ou FM; a antena da estação transmite e o rádio do carro recebe.

Resumo

* Sinais e componentes elétricos da vida real são mais difíceis de prever e analisar do que seus equivalentes idealizados; isso é especialmente verdade para sinais analógicos de alta frequência.

* Os sinais de RF viajam facilmente através de caminhos de condução não intencionais criados pelo acoplamento capacitivo, acoplamento irradiado e acoplamento indutivo.
* O movimento dos sinais de RF através de caminhos de condução não intencionais é conhecido como vazamento.

* Os sistemas de RF podem ser divididos em três categorias gerais:

full duplex (comunicação bidirecional simultânea)
half duplex (comunicação bidirecional não simultânea)
simplex (comunicação unidirecional)

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