HF-Übertragung: Vorschriften, Interferenz und Energieübertragung

Das elektromagnetische Spektrum
Erfahren Sie, wie Sie die maximale Leistung von Ihrem Verstärker auf Ihre Antenne übertragen und diese Leistung mithilfe eines Oszilloskops schätzen.

Ein wichtiges Merkmal der HF-Technologie ist das Folgende: Es ist für eine Person relativ einfach, die drahtlose Kommunikation einer anderen Person zu behindern oder sogar gründlich zu ruinieren. Radiowellen bewegen sich durch die Luft und stehen allen zur Verfügung, auch denen, die absichtlich oder versehentlich Signale senden, die als Interferenz bezeichnet werden könnten.

Zunächst ist es wichtig zu verstehen, dass Sie bereits übertragene Funksignale nicht „zerstören“ oder „beschädigen“ können. Der Effekt einer Interferenz kann jedoch gleichbedeutend mit der Zerstörung eines Originalsignals sein, da er die Fähigkeit des Empfängers beeinträchtigt, die in diesem Signal enthaltenen wichtigen Informationen zu extrahieren. Mit anderen Worten, die Informationen sind immer noch vorhanden, aber in Bezug auf einen bestimmten Empfänger hat sie in der Praxis aufgehört zu existieren.

Interferenzen sind eine ständige Herausforderung beim HF-Design, und die Verbreitung drahtloser Geräte macht die Situation nicht einfacher. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein System störungsresistent zu machen. Diese werden später in diesem Lehrbuch erläutert. Der größte Teil dieser Störung ist einfach auf die Tatsache zurückzuführen, dass nicht kommunizierende Geräte häufig ähnliche Trägerfrequenzen verwenden müssen.

Es gibt jedoch auch absichtliche Eingriffe. Dies nennt man Jamming; Ziel ist es, ein Signal zu senden, das auf die eine oder andere Weise verhindert, dass andere drahtlose Systeme eine erfolgreiche Kommunikation aufrechterhalten. Jamming ist eine wichtige Taktik in der modernen Kriegsführung, und im täglichen Leben ist es ein Ärgernis (oder schlimmer) und völlig illegal.

 

Regulierungen
Es mag zunächst seltsam erscheinen, dass die Regierung drahtlose Übertragungen regulieren würde - können wir wirklich Gesetze für etwas so Immaterielles wie elektromagnetische Strahlung auferlegen? Das Störungsbeispiel macht jedoch deutlich, dass das Fehlen von Vorschriften zu ernsthaften Problemen führen würde. Eine strikte Organisation ist erforderlich, um sicherzustellen, dass sich der Bereich der EMR nicht zu einer chaotischen Horde störender Signale verschlechtert.

In den Vereinigten Staaten liegt die Aufgabe der Aufrechterhaltung der Ordnung in der Welt der drahtlosen Kommunikation bei der Federal Communications Commission (FCC). Private und öffentliche Organisationen, die einen Teil des elektromagnetischen Spektrums nutzen möchten, müssen die Genehmigung der FCC einholen. Diese Erlaubnis wird als Lizenz bezeichnet. Es gibt Ausnahmen für Systeme, deren Reichweite begrenzt ist und die daher wahrscheinlich keine größeren Störungen verursachen.

Maximale Kraft
Wenn Sie an (legalen) lizenzfreien Funkübertragungen interessiert sind, müssen Sie Ihre Sendeleistung kennen. Selbst wenn die offiziellen Vorschriften in Bezug auf die effektive Reichweite oder eine andere Metrik angegeben werden, sollten Sie in der Lage sein, die Sendeleistung zu bestimmen, die in diesen Situationen allgemein als akzeptabel angesehen wird - und die Schätzung der Leistung ist einfacher als der Versuch, die Reichweite des Systems oder die Feldstärke in einem bestimmten Abstand von der Antenne.

Dieses Diagramm enthält Grenzwerte für die Feldstärke (für einen bestimmten Frequenzbereich) basierend auf den FCC-Regeln „Teil 15“. Bild von Digi-Key angepasst
 
In HF- und allen anderen Arten von Stromkreisen ist die von einer Komponente abgegebene Leistung gleich der Spannung an dieser Komponente multipliziert mit dem durch die Komponente fließenden Strom. Sie können sich eine Antenne einfach als Leiter und daher als etwas mit sehr geringem Widerstand vorstellen. 

Es ist wahr, dass ein Leiter bei Gleichstrom einen sehr niedrigen Widerstand haben kann, aber bei höheren Frequenzen hat eine Antenne erhebliche Mengen an Eingangsimpedanz. Wir sind an der Impedanz der Antenne bei den spezifischen Frequenzen interessiert, die wir zur Übertragung unseres HF-Signals verwenden. Wir benötigen diese Informationen, um die an die Antenne gelieferte Leistung abzuschätzen.

Spannungsübertragung vs. Energieübertragung
In einer typischen digitalen oder analogen Schaltung möchten wir nicht, dass eine Draht- oder Leiterplattenspur einen Widerstand von 50 Ω hat. Dies scheint ein schrecklich hoher Widerstand für etwas zu sein, das als Dirigent bezeichnet wird. 

Wir müssen uns jedoch daran erinnern, dass wir in Niederfrequenzschaltungen normalerweise an der Spannungsübertragung interessiert sind, dh sicherstellen möchten, dass die Spannung an einem Eingangspin so nahe wie möglich an der Spannung am vorhergehenden Ausgangspin liegt. Um eine gute Spannungsübertragung zu erreichen, benötigen wir eine niedrige Ausgangsimpedanz, eine niedrige Leiterimpedanz und eine hohe Eingangsimpedanz.

In der Ausgangsstufe eines HF-Senders (oder eines Audioverstärkers) ist das Ziel jedoch die Leistungsübertragung. Wir wollen nicht nur die Spannung von einem Gerät auf ein anderes übertragen. Wir wollen, dass ein erheblicher Strom durch die Antenne fließt, damit sie genügend elektrische Energie hat, die in abgestrahlte elektromagnetische Energie umgewandelt werden kann.

Die maximale Leistungsübertragung tritt auf, wenn die Größe der Lastimpedanz gleich der Größe der Quellenimpedanz ist.

Wie Sie sehen können, ist die Lastleistung (PL) maximal, wenn RL = RS. Beachten Sie jedoch, dass der Wirkungsgrad (η) über diesen Punkt hinaus weiter zunimmt. Die maximale Leistungsübertragung entspricht nicht der maximalen Effizienz.
 
In HF-Schaltungen hat die Ausgangsstufe des Verstärkers (und die Übertragungsleitung, die den Verstärker mit der Antenne verbindet) häufig eine Impedanz von 50 Ω, und daher muss die Antennenimpedanz auch 50 Ω betragen, um eine maximale Leistungsübertragung sicherzustellen. (Ein weiteres wichtiges Thema sind hier „Anpassungsnetzwerke“, mit denen die Impedanzanpassung zwischen einem Verstärker und einer Antenne verbessert wird. Dies wird später im Lehrbuch erläutert.)

Schätzung der Leistung
In der vorangegangenen Diskussion wird erläutert, warum wir eine HF-Ausgangsstufe analysieren können, indem wir den Leistungsverstärker an einen 50-Ω-Oszilloskopeingang anschließen: Die meisten HF-Systeme sind mit Impedanzen von 50 Ω aufgebaut, sodass Sie im Allgemeinen eine Antennenimpedanz von 50 Ω benötigen.

Wenn Sie die relevanten Spannungs- und Impedanzeigenschaften Ihrer Schaltung kennen, können Sie natürlich einfach die an die Antenne gelieferte Leistung berechnen. Ein SPICE-Simulator wäre ein weiterer effektiver Ansatz. Wenn diese Techniken unter Ihren Umständen nicht praktikabel sind oder wenn Sie eine empirische Überprüfung wünschen, müssen Sie Messgeräte verwenden.

Wenn Sie einen Spektrumanalysator haben, verwenden Sie ihn auf jeden Fall. Es wurde entwickelt, um genau diese Art von Informationen bereitzustellen. Wenn Sie keinen Spektrumanalysator haben, können Sie ein Oszilloskop verwenden. Sehen Sie sich die Effektivspannung des Signals mit einem 50-Ω-Oszilloskop-Eingang an und berechnen Sie die Leistung als V2 / R, wobei R = 50 Ω ist.

Zusammenfassung

* Die elektromagnetische Übertragung wird sorgfältig geregelt, um Probleme im Zusammenhang mit unbeabsichtigten Störungen zu vermeiden. Vorsätzliche Eingriffe, bekannt als Jamming, sind im Kontext des zivilen Lebens illegal.

* In den USA müssen Übertragungsgeräte im Allgemeinen von der FCC lizenziert werden.

* Unter bestimmten Bedingungen, die mit einer eingeschränkten Sendeleistung verbunden sind, ist ein lizenzfreier Betrieb möglich.

* Um eine maximale Übertragung elektrischer Leistung von einem Verstärker zu einer Antenne zu erreichen, muss die Größe der Ausgangsimpedanz des Verstärkers mit der Größe der Eingangsimpedanz der Antenne übereinstimmen.

* Die Sendeleistung kann durch mathematische Analyse oder SPICE-Simulation bestimmt werden. Sie kann auch empirisch unter Verwendung eines Spektrumanalysators oder eines Oszilloskops geschätzt werden.

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