Couplage et fuite dans les systèmes RF

Signaux RF réels

La conception et l'analyse RF nécessitent une compréhension des façons complexes dont les signaux haute fréquence se déplacent à travers un circuit réel.

La conception RF est connue pour être particulièrement difficile parmi les diverses sous-disciplines du génie électrique. Une des raisons à cela est l'extrême incohérence entre les signaux électriques théoriques et les signaux sinusoïdaux à haute fréquence.

À un moment donné, nous commençons tous à réaliser que les composants et les fils et les signaux idéalisés trouvés dans l'analyse des circuits théoriques sont utiles bien que des approximations très inexactes de la réalité. Les composants ont des tolérances et des dépendances de température et des éléments parasites; les fils ont une résistance, une capacité et une inductance; les signaux ont du bruit. Cependant, de nombreux circuits réussis sont conçus et mis en œuvre avec peu ou pas de considération pour ces non-réalités.

Le modèle de circuit équivalent pour un véritable «condensateur»; à des fréquences très élevées, il se comporte en fait comme une inductance.

Cela est possible car de nombreux circuits impliquent aujourd'hui principalement des signaux basse fréquence ou numériques. Les systèmes à basse fréquence sont beaucoup moins sujets au signal non idéal et au comportement des composants; par conséquent, les circuits basse fréquence ont tendance à diverger beaucoup moins du fonctionnement que nous attendons sur la base d'une analyse théorique. 

Les systèmes numériques à haute fréquence sont plus sujets à des non-réalités, mais les effets de ces non-réalités ne sont généralement pas importants car la communication numérique est intrinsèquement robuste. 

Un signal numérique peut subir une dégradation importante en raison d'un comportement de circuit non idéal, mais tant que le récepteur peut toujours distinguer correctement la logique haute de la logique basse, le système conserve toutes ses fonctionnalités.

Dans le monde RF, bien sûr, les signaux ne sont ni numériques ni à basse fréquence. Le comportement inattendu du signal devient la norme, et chaque dB de rapport signal / bruit réduit correspond à une plage réduite, à une qualité audio inférieure ou à un taux d'erreur binaire accru.

Couplage capacitif
Il est essentiel de comprendre que les signaux RF ne se limitent absolument pas aux voies de conduction prévues. Cela est particulièrement vrai dans le contexte des cartes de circuits imprimés, où les différentes traces et composants ont souvent peu de séparation physique.

 

Un schéma de circuit typique se compose de composants, de fils et de l'espace vide entre les deux. L'hypothèse est que les signaux voyagent le long des fils et ne peuvent pas traverser l'espace vide. En réalité, cependant, ces espaces vides sont remplis de condensateurs. La capacité est formée chaque fois que deux conducteurs sont séparés par un matériau isolant, avec une proximité physique plus proche correspondant à une capacité plus élevée.

Les condensateurs bloquent le courant continu et présentent une impédance élevée aux signaux basse fréquence. Ainsi, nous pouvons plus ou moins ignorer toute cette capacité involontaire dans le contexte de la conception à basse fréquence. Mais l'impédance diminue à mesure que la fréquence augmente; à des fréquences très élevées, un PCB est rempli de chemins de conduction à relativement faible impédance créés par la capacité parasite.

Couplage rayonné
Dans le monde idéalisé, chaque appareil RF possède une antenne. En réalité, chaque conducteur est une antenne dans le sens où il est capable d'émettre et de recevoir un rayonnement électromagnétique. Ainsi, le couplage rayonné fournit un autre moyen par lequel les signaux RF peuvent traverser les espaces vides supposés non conducteurs entre les symboles schématiques.

Comme d'habitude, ce problème devient plus grave à mesure que la fréquence augmente. Une antenne est plus efficace lorsque sa longueur est une fraction importante de la longueur d'onde du signal, et donc les traces de PCB (qui sont généralement plutôt courtes) sont plus problématiques lorsque des hautes fréquences sont présentes.

Le terme «couplage rayonné» est plus approprié pour désigner les effets de champ lointain, c'est-à-dire les interférences causées par un rayonnement électromagnétique qui ne se trouve pas à proximité immédiate de l'antenne. Lorsque les conducteurs d'émission et de réception sont séparés par moins d'environ une longueur d'onde, l'interaction se produit dans le champ proche. Dans cette situation, le champ magnétique domine et, par conséquent, le terme le plus précis est «couplage inductif».

Fuite
Un signal RF qui se couple dans des parties indésirables d'un circuit est décrit comme une «fuite». Un exemple classique de fuite est illustré dans le diagramme suivant:




Le signal de l'oscillateur local (LO) est envoyé directement à l'entrée LO du mélangeur; c'est le chemin de conduction intentionnel. Dans le même temps, le signal trouve un chemin de conduction involontaire et parvient à fuir dans l'autre port d'entrée du mélangeur. Le mélange de deux signaux de fréquence et de phase identiques entraîne un décalage CC (l'amplitude du décalage diminue vers zéro lorsque la différence de phase s'approche de 90 ° ou –90 °). Ce décalage CC constitue un défi de conception majeur en ce qui concerne les architectures de récepteurs qui traduisent le signal d'entrée directement de la fréquence radio à la fréquence de bande de base.

Un autre chemin de fuite est d'un mélangeur à travers un amplificateur à faible bruit à l'antenne:


 

Mais cela ne s'arrête pas là; le signal LO pourrait être rayonné par l'antenne, réfléchi par un objet extérieur, puis reçu par la même antenne. Cela produirait à nouveau un auto-mixage et le décalage DC résultant, mais dans ce cas, le décalage serait hautement imprévisible - l'amplitude et la polarité du décalage seraient affectées par l'amplitude en constante évolution du signal réfléchi.

Emetteurs et récepteurs
Une autre situation qui entraîne des problèmes de fuite est lorsqu'un appareil RF comprend à la fois un récepteur et un émetteur. La partie émetteur a un amplificateur de puissance conçu pour envoyer un signal fort à l'antenne. La partie réceptrice est conçue pour amplifier et démoduler des signaux de très faible amplitude. L'émetteur fournit donc une puissance élevée et le récepteur une sensibilité élevée.

Vous pouvez probablement voir où cela va. Un chemin de couplage pourrait permettre à la sortie PA de fuir dans la chaîne de réception; même un signal PA très atténué pourrait causer des problèmes aux circuits sensibles du récepteur.

Simplex, Duplex
Cette fuite PA vers récepteur n'est préoccupante que lorsque le circuit doit prendre en charge la transmission et la réception simultanées. Un système composé de deux de ces dispositifs - appelés émetteurs-récepteurs, car ils peuvent fonctionner comme des émetteurs et des récepteurs - est appelé duplex intégral. Un système full-duplex permet une communication bidirectionnelle simultanée.

Un système semi-duplex ne prend en charge que les communications bidirectionnelles non simultanées, bien que les périphériques utilisés dans un système semi-duplex soient toujours des émetteurs-récepteurs car ils peuvent transmettre et recevoir. Avec les appareils semi-duplex, nous n'avons pas à nous soucier des fuites du PA vers le récepteur car la chaîne de réception n'est pas active pendant les transmissions.

Un système de communication RF unidirectionnel est appelé «simplex». Un exemple très courant est la diffusion AM ou FM; l'antenne de la station émet et l'autoradio reçoit.

Résumé

* Les signaux et composants électriques réels sont plus difficiles à prévoir et à analyser que leurs homologues idéalisés; cela est particulièrement vrai pour les signaux analogiques haute fréquence.

* Les signaux RF voyagent facilement à travers des chemins de conduction non intentionnels créés par le couplage capacitif, le couplage rayonné et le couplage inductif.
* Le mouvement des signaux RF à travers des chemins de conduction involontaires est appelé fuite.

* Les systèmes RF peuvent être divisés en trois catégories générales:

duplex intégral (communication bidirectionnelle simultanée)
half duplex (communication bidirectionnelle non simultanée)
simplex (communication unidirectionnelle)

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