Μετάδοση RF: Κανονισμοί, παρεμβολές και μεταφορά ισχύος

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα
Μάθετε πώς μπορείτε να μεταφέρετε τη μέγιστη ισχύ από τον ενισχυτή σας στην κεραία σας και πώς να εκτιμήσετε αυτήν την ισχύ χρησιμοποιώντας παλμογράφο.

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της τεχνολογίας RF είναι το εξής: είναι σχετικά εύκολο για ένα άτομο να παρεμποδίσει ή ακόμη και να καταστρέψει εντελώς την ασύρματη επικοινωνία ενός άλλου ατόμου. Τα ραδιοκύματα ταξιδεύουν στον αέρα και είναι διαθέσιμα σε όλους, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που - εκ προθέσεως ή κατά λάθος - μεταδίδουν σήματα που θα μπορούσαν να περιγραφούν ως παρεμβολές.

Πρώτον, είναι σημαντικό να καταλάβετε ότι δεν μπορείτε να «καταστρέψετε» ή να «καταστρέψετε» ραδιοσήματα που έχουν ήδη μεταδοθεί. Παρ 'όλα αυτά, το αποτέλεσμα της παρεμβολής μπορεί να είναι ισοδύναμο με την καταστροφή ενός πρωτότυπου σήματος επειδή θέτει σε κίνδυνο την ικανότητα του δέκτη να εξαγάγει τις σημαντικές πληροφορίες που περιέχονται σε αυτό το σήμα. Με άλλα λόγια, οι πληροφορίες εξακολουθούν να υπάρχουν, αλλά σε σχέση με έναν συγκεκριμένο δέκτη, στην πράξη, έπαψε να υπάρχει.

Η παρεμβολή είναι μια διαρκής πρόκληση στον σχεδιασμό RF και ο πολλαπλασιασμός των ασύρματων συσκευών δεν καθιστά την κατάσταση απλούστερη. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να κάνετε ένα σύστημα ανθεκτικό στις παρεμβολές, και αυτοί θα συζητηθούν αργότερα στο βιβλίο. Οι περισσότερες από αυτές τις παρεμβολές οφείλονται απλώς στο γεγονός ότι οι συσκευές που δεν επικοινωνούν πρέπει συχνά να χρησιμοποιούν παρόμοιες συχνότητες φορέα.

Ωστόσο, υπάρχει επίσης μια εσκεμμένη παρέμβαση. Αυτό ονομάζεται μπλοκάρισμα. ο στόχος είναι η μετάδοση ενός σήματος ότι με τον ένα ή τον άλλο τρόπο εμποδίζει άλλα ασύρματα συστήματα να διατηρήσουν επιτυχημένη επικοινωνία. Το μπλοκάρισμα είναι μια σημαντική τακτική στον σύγχρονο πόλεμο, και στην καθημερινή ζωή είναι μια ενόχληση (ή χειρότερη) και είναι εντελώς παράνομη.

 

Κανονισμοι
Μπορεί αρχικά να φαίνεται περίεργο το ότι η κυβέρνηση θα ρυθμίζει τις ασύρματες μεταδόσεις - μπορούμε πραγματικά να επιβάλουμε νόμους σε κάτι τόσο άυλο όσο η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία; Ωστόσο, το παράδειγμα μπλοκαρίσματος καθιστά σαφές ότι η απουσία κανονισμών θα οδηγούσε σε σοβαρά προβλήματα. Απαιτείται αυστηρή οργάνωση για να διασφαλιστεί ότι η σφαίρα του EMR δεν θα υποβαθμιστεί σε μια χαοτική ορδή παρεμβαλλόμενων σημάτων.

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, το καθήκον της διατήρησης της τάξης στον κόσμο της ασύρματης επικοινωνίας ανήκει στην Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών (FCC). Ιδιωτικοί και δημόσιοι οργανισμοί που θέλουν να χρησιμοποιήσουν ένα μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος πρέπει να λάβουν άδεια από την FCC. αυτή η άδεια αναφέρεται ως άδεια. Υπάρχουν εξαιρέσεις για συστήματα που είναι περιορισμένης εμβέλειας και, ως εκ τούτου, είναι απίθανο να προκαλέσουν σημαντική διαταραχή.

Μέγιστη ισχύς
Εάν ενδιαφέρεστε για (νόμιμες) ραδιοφωνικές μεταδόσεις χωρίς άδεια, πρέπει να γνωρίζετε την ισχύ μετάδοσης. Ακόμα κι αν οι επίσημοι κανονισμοί παρουσιάζονται σε σχέση με το πραγματικό εύρος ή κάποια άλλη μέτρηση, θα πρέπει να μπορείτε να προσδιορίσετε την ισχύ μετάδοσης που θεωρείται γενικά αποδεκτή σε αυτές τις καταστάσεις - και η εκτίμηση της ισχύος είναι ευκολότερη από το να προσπαθείτε να μετρήσετε με ακρίβεια το εύρος του συστήματος ή το ισχύ πεδίου σε μια ορισμένη απόσταση από την κεραία.

Αυτό το διάγραμμα δίνει όρια ισχύος πεδίου (για ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων) βάσει των κανόνων της FCC «Μέρος 15». Εικόνα προσαρμοσμένη από το Digi-Key
 
Στο RF και σε όλους τους άλλους τύπους ηλεκτρικών κυκλωμάτων, η ισχύς που διασκορπίζεται από ένα εξάρτημα είναι ίση με την τάση κατά μήκος αυτού του εξαρτήματος πολλαπλασιαζόμενη με το ρεύμα που ρέει μέσω του εξαρτήματος. Μπορείτε να σκεφτείτε μια κεραία ως απλό αγωγό και ως εκ τούτου ως κάτι με πολύ μικρή αντίσταση. 

Είναι αλήθεια ότι ένας αγωγός μπορεί να έχει πολύ χαμηλή αντίσταση στο DC, αλλά σε υψηλότερες συχνότητες μια κεραία έχει σημαντικές ποσότητες αντίστασης εισόδου. Μας ενδιαφέρει η σύνθετη αντίσταση της κεραίας στις συγκεκριμένες συχνότητες που χρησιμοποιούμε για τη μετάδοση του σήματος RF. θα χρειαστούμε αυτές τις πληροφορίες για να εκτιμήσουμε την ποσότητα ισχύος που παρέχεται στην κεραία.

Μεταφορά τάσης έναντι μεταφοράς ισχύος
Σε ένα τυπικό ψηφιακό ή αναλογικό κύκλωμα, δεν θα θέλαμε ένα ίχνος σύρματος ή PCB να έχει αντίσταση 50 Ω. Αυτό φαίνεται σαν μια εξαιρετικά υψηλή αντίσταση για κάτι που περιγράφεται ως αγωγός. 

Αλλά πρέπει να θυμόμαστε ότι στα κυκλώματα χαμηλής συχνότητας συνήθως μας ενδιαφέρει η μεταφορά τάσης, δηλαδή θέλουμε να διασφαλίσουμε ότι η τάση σε έναν πείρο εισόδου είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στην τάση στον προηγούμενο πείρο εξόδου. Για να επιτύχουμε καλή μεταφορά τάσης, χρειαζόμαστε χαμηλή αντίσταση εξόδου, χαμηλή σύνθετη αντίσταση αγωγού και υψηλή αντίσταση εισόδου.

Ωστόσο, στο στάδιο εξόδου ενός πομπού RF (ή ενός ενισχυτή ήχου), ο στόχος είναι η μεταφορά ισχύος. Δεν θέλουμε απλώς να μεταφέρουμε τάση από τη μία συσκευή στην άλλη. θέλουμε σημαντικό ρεύμα να ρέει μέσω της κεραίας, έτσι ώστε να έχει άφθονη ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να μετατραπεί σε ακτινοβολημένη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια.

Η μέγιστη μεταφορά ισχύος συμβαίνει όταν το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης φορτίου είναι ίσο με το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης πηγής.

Όπως μπορείτε να δείτε, η ισχύς φορτίου (PL) είναι μέγιστη όταν RL = RS. Σημειώστε, ωστόσο, ότι η απόδοση (η) συνεχίζει να αυξάνεται πέρα ​​από αυτό το σημείο. Η μέγιστη μεταφορά ισχύος δεν αντιστοιχεί στη μέγιστη απόδοση.
 
Στα κυκλώματα RF, το στάδιο εξόδου του ενισχυτή (και η γραμμή μετάδοσης που συνδέει τον ενισχυτή με την κεραία) θα έχουν συχνά σύνθετη αντίσταση 50 Ω και συνεπώς η αντίσταση της κεραίας πρέπει επίσης να είναι 50 Ω για να διασφαλιστεί η μέγιστη μεταφορά ισχύος. (Ένα άλλο σημαντικό θέμα εδώ είναι «ταίριασμα δικτύων», τα οποία χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της αντιστάθμισης σύνθετης αντίστασης μεταξύ ενός ενισχυτή και μιας κεραίας · αυτό θα συζητηθεί αργότερα στο βιβλίο.)

Εκτίμηση ισχύος
Η προηγούμενη συζήτηση εξηγεί γιατί μπορούμε να αναλύσουμε ένα στάδιο εξόδου RF συνδέοντας τον ενισχυτή ισχύος σε μια είσοδο παλμογράφου 50 Ω: τα περισσότερα συστήματα RF είναι κατασκευασμένα γύρω από αντίσταση 50 Ω και επομένως γενικά θα χρειαστείτε σύνθετη αντίσταση 50 Ω.

Φυσικά, εάν γνωρίζετε τα σχετικά χαρακτηριστικά τάσης και σύνθετης αντίστασης του κυκλώματός σας, μπορείτε απλά να υπολογίσετε την ισχύ που παρέχεται στην κεραία. Ένας εξομοιωτής SPICE θα ήταν μια άλλη αποτελεσματική προσέγγιση. Αλλά αν αυτές οι τεχνικές δεν είναι πρακτικές στις περιστάσεις σας ή εάν θέλετε εμπειρική επαλήθευση, πρέπει να χρησιμοποιήσετε εξοπλισμό μέτρησης.

Εάν έχετε αναλυτή φάσματος, χρησιμοποιήστε το με κάθε τρόπο. Έχει σχεδιαστεί για να παρέχει ακριβώς αυτό το είδος πληροφοριών. Εάν δεν έχετε αναλυτή φάσματος, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε παλμογράφο. Κοιτάξτε την τάση RMS του σήματος χρησιμοποιώντας μια είσοδο εύρους 50 Ω και, στη συνέχεια, υπολογίστε την ισχύ ως V2 / R, όπου R = 50 Ω.

Χαρακτηριστικά

* Η ηλεκτρομαγνητική μετάδοση ρυθμίζεται προσεκτικά για να μετριάσει τα προβλήματα που σχετίζονται με ακούσιες παρεμβολές. Η εκούσια παρέμβαση, γνωστή ως μπλοκάρισμα, είναι παράνομη στο πλαίσιο της πολιτικής ζωής.

* Στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι συσκευές μετάδοσης γενικά πρέπει να διαθέτουν άδεια από την FCC.

* Η λειτουργία χωρίς άδεια είναι δυνατή υπό ορισμένες προϋποθέσεις που σχετίζονται με περιορισμένη ισχύ μετάδοσης.

* Για να επιτευχθεί η μέγιστη μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος από έναν ενισχυτή σε μια κεραία, το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης εξόδου του ενισχυτή πρέπει να ταιριάζει με το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης εισόδου της κεραίας.

* Η ισχύς μετάδοσης μπορεί να προσδιοριστεί μέσω μαθηματικής ανάλυσης ή προσομοίωσης SPICE. Μπορεί επίσης να εκτιμηθεί εμπειρικά χρησιμοποιώντας αναλυτή φάσματος ή παλμογράφο.

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων