射频系统中的耦合和泄漏

现实生活中的射频信号

射频设计和分析需要了解高频信号通过真实电路的复杂方式。

众所周知，射频设计在电气工程的各个子学科中特别具有挑战性。 原因之一是理论电信号和高频正弦信号之间极度不一致。

在某些时候，我们大家都开始意识到，尽管对电路的逼真度非常不精确，但理论上在电路分析中发现的理想元器件，导线和信号还是有帮助的。 组件具有公差和温度依赖性以及寄生元素； 电线具有电阻，电容和电感； 信号有噪音。 但是，设计和实现许多成功的电路时很少考虑这些非理想性。

实际“电容器”的等效电路模型； 在非常高的频率下，它实际上就像一个电感器。

这是可能的，因为如今有那么多电路主要涉及低频或数字信号。 低频系统受非理想信号和组件行为的影响要小得多。 因此，基于理论分析，低频电路与我们期望的工作趋于相差很小。 

高频数字系统更容易受到非理想因素的影响，但是这些非理想因素的影响通常并不突出，因为数字通信具有固有的鲁棒性。 

由于不理想的电路行为，数字信号可能会经历严重的降级，但是只要接收器仍然可以正确地区分逻辑高电平和逻辑低电平，系统便会保持完整的功能。

当然，在RF世界中，信号既不是数字信号也不是低频信号。 意外的信号行为已成为常态，降低的信噪比的每dB都对应于范围减小，音频质量降低或误码率提高。

电容耦合
必须理解，射频信号绝对不会将自己限制在预期的传导路径内。 在印刷电路板的情况下尤其如此，在印刷电路板中，各种走线和组件通常几乎没有物理隔离。

 

典型的电路图由组件，导线和它们之间的空白空间组成。 假设是信号沿导线传播，不能穿过空白区域。 但是，实际上，这些空白空间充满了电容器。 每当两个导体被绝缘材料隔开时，就会形成电容，物理距离越近，对应的电容越高。

电容器会阻塞直流电，并会对低频信号产生高阻抗。 因此，在低频设计中，我们或多或少会忽略所有这些意外电容。 但是阻抗随频率的增加而降低。 在非常高的频率下，PCB充满了由寄生电容产生的相对低阻抗的传导路径。

辐射耦合
在理想化的世界中，每个RF设备都有一个天线。 实际上，从能够发射和接收电磁辐射的意义上讲，每个导体都是天线。 因此，辐射耦合提供了另一种方式，RF信号可以通过这种方式穿过原理图符号之间的所谓非导电空白空间。

像往常一样，随着频率增加，这个问题变得更加严重。 当天线的长度是信号波长的很大一部分时，天线会更有效，因此，当存在高频时，PCB走线（通常相当短）会带来更多问题。

当指的是远场效应时，术语“辐射耦合”更合适，即由不在天线附近的电磁辐射引起的干扰。 当发射和接收导体之间的距离小于大约一个波长时，就会在近场中发生相互作用。 在这种情况下，磁场占主导地位，因此更准确的术语是“感应耦合”。

泄漏量
耦合到电路不需要部分的RF信号被描述为“泄漏”。 下图描述了一个典型的泄漏示例：




本地振荡器（LO）信号直接馈入混频器的LO输入； 这是故意的传导路径。 同时，该信号找到了意外的传导路径，并设法泄漏到混频器的另一个输入端口。 混合两个频率和相位相同的信号会产生一个DC偏移（当相位差接近90°或–90°时，该偏移的大小朝零减小）。 对于将输入信号直接从射频转换为基带频率的接收器架构，此DC偏移构成了主要的设计挑战。

另一个泄漏路径是从混频器通过低噪声放大器到天线：


 

但这并不止于此。 LO信号可能会被天线辐射，被外部物体反射，然后被同一天线接收。 这将再次产生自混频并产生直流偏移，但是在这种情况下，偏移将是高度不可预测的-偏移的幅度和极性将受到反射信号幅度不断变化的影响。

发射器和接收器
导致泄漏问题的另一种情况是当RF设备同时包括接收器和发射器时。 发射器部分具有功率放大器，该功率放大器设计为将强信号发送到天线。 接收器部分设计用于放大和解调非常小幅度的信号。 因此，发送器提供高功率，而接收器提供高灵敏度。

您可能会看到前进的方向。 耦合路径可能会使PA输出泄漏到接收链中。 即使是高度衰减的PA信号也可能导致敏感的接收器电路出现问题。

单面，双面
仅当电路必须支持同时发送和接收时，才考虑到PA至接收器的泄漏。 由两个这样的设备（称为收发器，因为它们可以用作发送器和接收器）组成的系统称为全双工。 全双工系统可以同时进行双向通信。

半双工系统仅支持非同时双向通信，尽管半双工系统中使用的设备仍是收发器，因为它们可以发送和接收。 使用半双工设备，我们不必担心从PA到接收器的泄漏，因为在传输过程中接收链没有激活。

单向RF通信系统称为“简单”。 一个很常见的例子是AM或FM广播。 电台的天线发射，汽车收音机接收。

总结

*现实生活中的电信号和组件比理想的电信号和组件更难以预测和分析； 对于高频模拟信号尤其如此。

* RF信号容易通过电容耦合，辐射耦合和电感耦合产生的意外传导路径。
* RF信号通过意外传导路径的移动称为泄漏。

* RF系统可分为三大类：

全双工（同时双向通讯）
半双工（非同步双向通信）
单纯形（单向通信）

留言 

邮件列表