Kopplung und Leckage in HF-Systemen

Echte HF-Signale

Das HF-Design und die HF-Analyse erfordern ein Verständnis der komplexen Art und Weise, in der sich Hochfrequenzsignale durch eine reale Schaltung bewegen.

Das HF-Design ist unter den verschiedenen Subdisziplinen der Elektrotechnik als besonders herausfordernd bekannt. Ein Grund dafür ist die extreme Inkonsistenz zwischen theoretischen elektrischen Signalen und hochfrequenten sinusförmigen Signalen.

Irgendwann beginnen wir alle zu erkennen, dass die idealisierten Komponenten und Drähte und Signale, die in der theoretischen Schaltungsanalyse gefunden werden, hilfreich sind, wenn auch sehr ungenaue Annäherungen an die Realität. Komponenten haben Toleranzen und Temperaturabhängigkeiten und parasitäre Elemente; Drähte haben Widerstand, Kapazität und Induktivität; Signale haben Rauschen. Es werden jedoch zahlreiche erfolgreiche Schaltungen entworfen und implementiert, ohne diese Nichtidealitäten zu berücksichtigen.

Das Ersatzschaltbild für einen realen „Kondensator“; bei sehr hohen Frequenzen verhält es sich tatsächlich wie ein Induktor.

Dies ist möglich, weil heutzutage so viele Schaltungen hauptsächlich niederfrequente oder digitale Signale enthalten. Niederfrequenzsysteme unterliegen viel weniger einem nicht idealen Signal- und Komponentenverhalten. Folglich weichen Niederfrequenzschaltungen tendenziell viel weniger von der Operation ab, die wir aufgrund theoretischer Analysen erwarten. 

Hochfrequente digitale Systeme unterliegen eher Nichtidealitäten, aber die Auswirkungen dieser Nichtidealitäten sind normalerweise nicht ausgeprägt, da die digitale Kommunikation von Natur aus robust ist. 

Ein digitales Signal kann aufgrund des nicht idealen Schaltungsverhaltens eine signifikante Verschlechterung erfahren. Solange der Empfänger jedoch noch logisch hoch von logisch niedrig unterscheiden kann, behält das System die volle Funktionalität bei.

In der HF-Welt sind Signale natürlich weder digital noch niederfrequent. Unerwartetes Signalverhalten wird zur Norm, und jedes dB eines reduzierten Signal-Rausch-Verhältnisses entspricht einem reduzierten Bereich oder einer geringeren Audioqualität oder einer erhöhten Bitfehlerrate.

Kapazitive Kopplung
Es ist wichtig zu verstehen, dass sich HF-Signale absolut nicht auf die beabsichtigten Leitungswege beschränken. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit Leiterplatten, bei denen die verschiedenen Leiterbahnen und Komponenten häufig nur eine geringe physikalische Trennung aufweisen.

 

Ein typischer Schaltplan besteht aus Komponenten, Drähten und dem leeren Raum dazwischen. Die Annahme ist, dass Signale entlang von Drähten wandern und nicht durch den leeren Raum gehen können. In Wirklichkeit sind diese leeren Räume jedoch mit Kondensatoren gefüllt. Die Kapazität wird immer dann gebildet, wenn zwei Leiter durch ein Isoliermaterial getrennt sind, wobei eine engere physikalische Nähe einer höheren Kapazität entspricht.

Kondensatoren blockieren Gleichstrom und weisen niederfrequente Signale mit hoher Impedanz auf. Somit können wir all diese unbeabsichtigten Kapazitäten im Zusammenhang mit dem Niederfrequenzdesign mehr oder weniger ignorieren. Die Impedanz nimmt jedoch mit zunehmender Frequenz ab. Bei sehr hohen Frequenzen ist eine Leiterplatte mit Leitungspfaden mit relativ niedriger Impedanz gefüllt, die durch parasitäre Kapazität erzeugt werden.

Strahlungskopplung
In der idealisierten Welt hat jedes HF-Gerät eine Antenne. In Wirklichkeit ist jeder Leiter eine Antenne in dem Sinne, dass er elektromagnetische Strahlung aussenden und empfangen kann. Somit bietet die Strahlungskopplung ein weiteres Mittel, mit dem HF-Signale durch die vermeintlich nicht leitenden Leerräume zwischen schematischen Symbolen gelangen können.

Wie üblich wird dieses Problem mit zunehmender Frequenz schwerwiegender. Eine Antenne ist effektiver, wenn ihre Länge einen signifikanten Bruchteil der Signalwellenlänge ausmacht, und daher sind Leiterplattenspuren (die normalerweise eher kurz sind) problematischer, wenn hohe Frequenzen vorhanden sind.

Der Begriff "Strahlungskopplung" ist geeigneter, wenn er sich auf Fernfeldeffekte bezieht, dh auf Interferenzen, die durch elektromagnetische Strahlung verursacht werden, die sich nicht in unmittelbarer Nähe der Antenne befindet. Wenn die Sende- und Empfangsleiter um weniger als ungefähr eine Wellenlänge voneinander getrennt sind, tritt die Wechselwirkung im Nahfeld auf. In dieser Situation dominiert das Magnetfeld, und folglich ist der genauere Begriff "induktive Kopplung".

Leckage
Ein HF-Signal, das in unerwünschte Teile eines Stromkreises eingekoppelt wird, wird als "undicht" bezeichnet. Ein klassisches Beispiel für eine Leckage ist in der folgenden Abbildung dargestellt:




Das LO-Signal (Local Oscillator) wird direkt dem LO-Eingang des Mischers zugeführt. Dies ist der beabsichtigte Leitungsweg. Gleichzeitig findet das Signal einen unbeabsichtigten Leitungspfad und kann in den anderen Eingangsanschluss des Mischers gelangen. Das Mischen von zwei Signalen mit identischer Frequenz und Phase führt zu einem Gleichstromversatz (die Größe des Versatzes nimmt gegen Null ab, wenn sich die Phasendifferenz 90 ° oder –90 ° nähert). Dieser DC-Offset stellt eine große Designherausforderung in Bezug auf Empfängerarchitekturen dar, die das Eingangssignal direkt von der Funkfrequenz in die Basisbandfrequenz umwandeln.

Ein weiterer Leckpfad führt von einem Mischer über einen rauscharmen Verstärker zur Antenne:


 

Aber es hört hier nicht auf; Das LO-Signal könnte von der Antenne abgestrahlt, von einem externen Objekt reflektiert und dann von derselben Antenne empfangen werden. Dies würde wiederum eine Selbstmischung und den resultierenden Gleichstromversatz erzeugen, aber in diesem Fall wäre der Versatz höchst unvorhersehbar - die Amplitude und Polarität des Versatzes würden durch die sich ständig ändernde Größe des reflektierten Signals beeinflusst.

Sender und Empfänger
Eine andere Situation, die zu Leckageproblemen führt, besteht darin, dass ein HF-Gerät sowohl einen Empfänger als auch einen Sender enthält. Der Senderteil hat einen Leistungsverstärker, der ein starkes Signal an die Antenne sendet. Der Empfängerabschnitt dient zum Verstärken und Demodulieren von Signalen mit sehr kleiner Amplitude. Der Sender bietet also eine hohe Leistung und der Empfänger eine hohe Empfindlichkeit.

Sie können wahrscheinlich sehen, wohin das führt. Ein Kopplungspfad könnte es dem PA-Ausgang ermöglichen, in die Empfangskette zu lecken; Selbst ein stark gedämpftes PA-Signal kann Probleme für die empfindliche Empfängerschaltung verursachen.

Simplex, Duplex
Diese Leckage zwischen PA und Empfänger ist nur dann von Bedeutung, wenn die Schaltung das gleichzeitige Senden und Empfangen unterstützen muss. Ein System, das aus zwei solchen Geräten besteht - Transceiver genannt, weil sie als Sender und Empfänger fungieren können - wird als Vollduplex bezeichnet. Ein Vollduplex-System ermöglicht die gleichzeitige bidirektionale Kommunikation.

Ein Halbduplexsystem unterstützt nur nicht simultane bidirektionale Kommunikation, obwohl die in einem Halbduplexsystem verwendeten Geräte immer noch Transceiver sind, da sie senden und empfangen können. Bei Halbduplexgeräten müssen wir uns keine Sorgen über Leckagen von der PA zum Empfänger machen, da die Empfangskette während der Übertragung nicht aktiv ist.

Ein Einweg-HF-Kommunikationssystem wird als "Simplex" bezeichnet. Ein sehr häufiges Beispiel ist AM- oder FM-Rundfunk. Die Antenne der Station sendet und das Autoradio empfängt.

Zusammenfassung

* Reale elektrische Signale und Komponenten sind schwieriger vorherzusagen und zu analysieren als ihre idealisierten Gegenstücke. Dies gilt insbesondere für hochfrequente analoge Signale.

* HF-Signale wandern leicht über unbeabsichtigte Leitungswege, die durch kapazitive Kopplung, Strahlungskopplung und induktive Kopplung erzeugt werden.
* Die Bewegung von HF-Signalen über unbeabsichtigte Leitungswege wird als Leckage bezeichnet.

* RF-Systeme können in drei allgemeine Kategorien unterteilt werden:

Vollduplex (gleichzeitige bidirektionale Kommunikation)
Halbduplex (nicht simultane bidirektionale Kommunikation)
Simplex (Einwegkommunikation)

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