Coupling dan Kebocoran dalam Sistem RF

Sinyal RF Kehidupan Nyata

Desain dan analisis RF memerlukan pemahaman tentang cara-cara rumit di mana sinyal frekuensi tinggi bergerak melalui rangkaian nyata.

Desain RF dikenal sangat menantang di antara berbagai subdisiplin teknik listrik. Salah satu alasannya adalah inkonsistensi ekstrim antara sinyal listrik teoritis dan sinyal sinusoidal frekuensi tinggi.

Pada titik tertentu kita semua mulai menyadari bahwa komponen dan kabel yang ideal dan sinyal yang ditemukan dalam analisis rangkaian teoretis sangat membantu meskipun perkiraan realitas sangat tidak akurat. Komponen memiliki toleransi dan ketergantungan suhu dan elemen parasit; kabel memiliki hambatan, kapasitansi, dan induktansi; sinyal memiliki noise. Namun, banyak sirkuit yang sukses dirancang dan diimplementasikan dengan sedikit jika ada pertimbangan untuk ketidakberdayaan ini.

Model rangkaian ekivalen untuk "kapasitor" nyata; pada frekuensi yang sangat tinggi itu sebenarnya berperilaku seperti induktor.

Ini dimungkinkan karena begitu banyak rangkaian hari ini yang melibatkan sinyal digital atau frekuensi rendah. Sistem frekuensi rendah jauh lebih sedikit terkena sinyal non-sinyal dan perilaku komponen; akibatnya, sirkuit frekuensi rendah cenderung menyimpang jauh lebih sedikit dari operasi yang kami harapkan berdasarkan analisis teoritis. 

Sistem digital frekuensi tinggi lebih tunduk pada ketidakidealan, tetapi efek dari ketidakidealan ini biasanya tidak menonjol karena komunikasi digital secara inheren kuat. 

Sinyal digital dapat mengalami degradasi yang signifikan sebagai akibat dari perilaku rangkaian tidak-tetap, tetapi selama penerima masih dapat membedakan logika tinggi dengan rendah secara logis, sistem mempertahankan fungsionalitas penuh.

Di dunia RF, tentu saja, sinyal bukanlah digital atau frekuensi rendah. Perilaku sinyal yang tidak terduga menjadi norma, dan setiap dB dari rasio sinyal-ke-noise yang dikurangi sesuai dengan kisaran yang dikurangi, atau kualitas audio yang lebih rendah, atau peningkatan tingkat kesalahan bit.

Kopling Kapasitif
Penting untuk dipahami bahwa sinyal RF sama sekali tidak membatasi diri pada jalur konduksi yang dimaksud. Ini khususnya benar dalam konteks papan sirkuit tercetak, di mana berbagai jejak dan komponen seringkali memiliki sedikit pemisahan fisik.

 

Diagram sirkuit tipikal terdiri dari komponen, kabel, dan ruang kosong di antaranya. Asumsinya adalah bahwa sinyal bergerak di sepanjang kabel dan tidak dapat melewati ruang kosong. Pada kenyataannya, ruang-ruang kosong itu dipenuhi kapasitor. Kapasitansi terbentuk setiap kali dua konduktor dipisahkan oleh bahan isolasi, dengan kedekatan fisik yang lebih dekat sesuai dengan kapasitansi yang lebih tinggi.

Kapasitor memblokir DC dan menghadirkan impedansi tinggi untuk sinyal frekuensi rendah. Dengan demikian, kita dapat lebih atau kurang mengabaikan semua kapasitansi yang tidak diinginkan ini dalam konteks desain frekuensi rendah. Tetapi impedansi berkurang dengan meningkatnya frekuensi; pada frekuensi yang sangat tinggi, PCB diisi dengan jalur konduksi impedans rendah yang dibuat oleh kapasitansi parasit.

Coupling terpancar
Di dunia ideal, setiap perangkat RF memiliki satu antena. Pada kenyataannya, setiap konduktor adalah antena dalam arti bahwa ia mampu memancarkan dan menerima radiasi elektromagnetik. Dengan demikian, kopling terpancar menyediakan cara lain di mana sinyal RF dapat melewati ruang kosong yang dianggap tidak konduktif antara simbol skematik.

Seperti biasa, masalah ini menjadi lebih serius dengan meningkatnya frekuensi. Antena lebih efektif ketika panjangnya merupakan fraksi signifikan dari panjang gelombang sinyal, dan karenanya jejak PCB (yang biasanya agak pendek) lebih bermasalah ketika frekuensi tinggi hadir.

Istilah "kopling terpancar" lebih tepat ketika mengacu pada efek medan jauh, yaitu gangguan yang disebabkan oleh radiasi elektromagnetik yang tidak berada di sekitar antena. Ketika konduktor pemancar dan penerima dipisahkan oleh kurang dari sekitar satu panjang gelombang, interaksi terjadi di bidang dekat. Dalam situasi ini medan magnet mendominasi, dan akibatnya istilah yang lebih akurat adalah "kopling induktif."

Kebocoran
Sinyal RF yang digabungkan ke bagian-bagian yang tidak diinginkan dari sirkuit digambarkan sebagai "bocor." Contoh klasik kebocoran digambarkan dalam diagram berikut:




Sinyal local oscillator (LO) diumpankan langsung ke input LO dari mixer; ini adalah jalur konduksi yang disengaja. Pada saat yang sama, sinyal menemukan jalur konduksi yang tidak disengaja dan berhasil bocor ke port input mixer lainnya. Pencampuran dua sinyal dengan frekuensi dan fase yang identik menghasilkan offset DC (besarnya offset berkurang ke nol ketika perbedaan fase mendekati 90 ° atau –90 °). Offset DC ini merupakan tantangan desain utama sehubungan dengan arsitektur penerima yang menerjemahkan sinyal input langsung dari frekuensi radio ke frekuensi baseband.

Jalur kebocoran lainnya adalah dari mixer melalui penguat rendah noise ke antena:


 

Tapi itu tidak berhenti di situ; sinyal LO dapat diradiasikan oleh antena, dipantulkan oleh objek eksternal, dan kemudian diterima oleh antena yang sama. Ini lagi akan menghasilkan pencampuran sendiri dan offset DC yang dihasilkan, tetapi dalam kasus ini offset akan sangat tidak dapat diprediksi — amplitudo dan polaritas offset akan dipengaruhi oleh besaran sinyal pantulan yang terus berubah.

Pemancar dan Penerima
Situasi lain yang mengarah ke masalah kebocoran adalah ketika perangkat RF menyertakan penerima dan pemancar. Bagian pemancar memiliki penguat daya yang dirancang untuk mengirim sinyal kuat ke antena. Bagian penerima dirancang untuk memperkuat dan mendemodulasi sinyal dengan amplitudo sangat kecil. Jadi pemancar memberikan daya tinggi, dan penerima memberikan sensitivitas tinggi.

Anda mungkin bisa melihat ke mana arah ini. Jalur kopling dapat memungkinkan output PA bocor ke rantai penerima; bahkan sinyal PA yang sangat lemah dapat menyebabkan masalah untuk sirkuit penerima yang sensitif.

Simpleks, Dupleks
Kebocoran PA-ke-penerima ini hanya menjadi masalah ketika sirkuit harus mendukung transmisi dan penerimaan simultan. Suatu sistem yang terdiri dari dua perangkat seperti itu - disebut transceiver, karena mereka dapat berfungsi sebagai pemancar dan penerima - disebut sebagai dupleks penuh. Sistem dupleks penuh memungkinkan komunikasi dua arah secara simultan.

Sistem setengah dupleks hanya mendukung komunikasi dua arah non-simultan, meskipun perangkat yang digunakan dalam sistem setengah dupleks masih merupakan transceiver karena mereka dapat mengirim dan menerima. Dengan perangkat setengah dupleks kita tidak perlu khawatir tentang kebocoran dari PA ke penerima karena rantai penerima tidak aktif selama transmisi.

Sistem komunikasi RF satu arah disebut sebagai "simpleks." Contoh yang sangat umum adalah siaran AM atau FM; antena stasiun mentransmisikan, dan radio mobil menerima.

Kesimpulan

* Sinyal dan komponen listrik kehidupan nyata lebih sulit untuk diprediksi dan dianalisis daripada rekan-rekan ideal mereka; ini terutama berlaku untuk sinyal analog frekuensi tinggi.

* Sinyal RF siap bepergian melalui jalur konduksi yang tidak diinginkan yang dibuat oleh kopling kapasitif, kopling terpancar, dan kopling induktif.
* Pergerakan sinyal RF melalui jalur konduksi yang tidak diinginkan disebut sebagai kebocoran.

* Sistem RF dapat dibagi menjadi tiga kategori umum:

dupleks penuh (komunikasi dua arah simultan)
half duplex (komunikasi dua arah non-simultan)
simplex (komunikasi satu arah)

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan