射頻系統中的耦合和洩漏

現實生活中的射頻信號

射頻設計和分析需要了解高頻信號通過真實電路的複雜方式。

眾所周知，射頻設計在電氣工程的各個子學科中特別具有挑戰性。 原因之一是理論電信號和高頻正弦信號之間極度不一致。

在某些時候，我們大家都開始意識到，儘管對電路的逼真度非常不精確，但理論上在電路分析中發現的理想化元器件，導線和信號還是有幫助的。 組件具有公差和溫度依賴性以及寄生元素； 電線具有電阻，電容和電感； 信號有噪音。 但是，設計和實現許多成功的電路時很少考慮這些非理想性。

實際“電容器”的等效電路模型； 在非常高的頻率下，它實際上就像一個電感器。

這是可能的，因為如今有那麼多電路主要涉及低頻或數字信號。 低頻系統受非理想信號和組件行為的影響要小得多。 因此，基於理論分析，低頻電路與我們期望的工作趨於相差很小。 

高頻數字系統更容易受到非理想因素的影響，但是這些非理想因素的影響通常並不突出，因為數字通信具有固有的魯棒性。 

由於不理想的電路行為，數字信號可能會經歷嚴重的降級，但是只要接收器仍然可以正確地區分邏輯高電平和邏輯低電平，系統便會保持完整功能。

當然，在RF世界中，信號既不是數字信號也不是低頻信號。 意外的信號行為已成為常態，降低的信噪比的每dB都對應於範圍減小，音頻質量降低或誤碼率增加。

電容耦合
必須理解，射頻信號絕對不會將自己限制在預期的傳導路徑內。 在印刷電路板的情況下尤其如此，在印刷電路板中，各種走線和組件通常幾乎沒有物理隔離。

 

典型的電路圖由組件，導線和它們之間的空白空間組成。 假設是信號沿導線傳播，不能穿過空白區域。 但是，實際上，這些空白空間充滿了電容器。 每當兩個導體被絕緣材料隔開時，就會形成電容，物理距離越近，對應的電容越高。

電容器會阻塞直流電，並會對低頻信號產生高阻抗。 因此，在低頻設計中，我們或多或少會忽略所有這些意外電容。 但是阻抗隨頻率的增加而降低。 在非常高的頻率下，PCB充滿了由寄生電容產生的相對低阻抗的傳導路徑。

輻射耦合
在理想化的世界中，每個RF設備都有一個天線。 實際上，從能夠發射和接收電磁輻射的意義上講，每個導體都是天線。 因此，輻射耦合提供了另一種方式，RF信號可以通過這種方式穿過原理圖符號之間的所謂非導電空白空間。

像往常一樣，隨著頻率增加，這個問題變得更加嚴重。 當天線的長度是信號波長的很大一部分時，天線會更有效，因此，當存在高頻時，PCB走線（通常很短）會帶來更多問題。

當指的是遠場效應，即由不在天線附近的電磁輻射引起的干擾時，術語“輻射耦合”更為合適。 當發射和接收導體之間的距離小於大約一個波長時，就會在近場中發生相互作用。 在這種情況下，磁場占主導地位，因此更準確的術語是“感應耦合”。

洩漏
耦合到電路不需要部分的RF信號被描述為“洩漏”。 下圖描述了一個典型的洩漏示例：




本地振盪器（LO）信號直接饋入混頻器的LO輸入； 這是故意的傳導路徑。 同時，該信號找到了意外的傳導路徑，並設法洩漏到混頻器的另一個輸入端口。 混合兩個頻率和相位相同的信號會產生一個DC偏移（當相位差接近90°或–90°時，該偏移的大小朝零減小）。 對於將輸入信號直接從射頻轉換為基帶頻率的接收器架構，此DC偏移構成了主要的設計挑戰。

另一個洩漏路徑是從混頻器通過低噪聲放大器到天線：


 

但這並不止於此。 LO信號可能會被天線輻射，被外部物體反射，然後被同一天線接收。 這將再次產生自混頻並產生直流偏移，但是在這種情況下，偏移將是高度不可預測的-偏移的幅度和極性將受到反射信號幅度不斷變化的影響。

發射器和接收器
導致洩漏問題的另一種情況是當RF設備同時包括接收器和發射器時。 發射器部分具有功率放大器，該功率放大器設計為將強信號發送到天線。 接收器部分設計用於放大和解調非常小幅度的信號。 因此，發送器提供高功率，而接收器提供高靈敏度。

您可能會看到前進的方向。 耦合路徑可能會使PA輸出洩漏到接收鏈中。 即使是高度衰減的PA信號也可能導致敏感的接收器電路出現問題。

單面，雙面
僅當電路必須支持同時發送和接收時，才考慮到PA至接收器的洩漏。 由兩個這樣的設備（稱為收發器，因為它們可以用作發送器和接收器）組成的系統稱為全雙工。 全雙工系統可以同時進行雙向通信。

半雙工系統僅支持非同時雙向通信，儘管半雙工系統中使用的設備仍是收發器，因為它們可以發送和接收。 使用半雙工設備，我們不必擔心從PA到接收器的洩漏，因為在傳輸過程中接收鏈沒有激活。

單向RF通信系統稱為“簡單”。 一個很常見的例子是AM或FM廣播。 電台的天線發射，汽車收音機接收。

總結

*現實生活中的電信號和組件比理想的電信號和組件更難以預測和分析； 對於高頻模擬信號尤其如此。

* RF信號容易通過電容耦合，輻射耦合和電感耦合產生的意外傳導路徑。
* RF信號通過意外傳導路徑的移動稱為洩漏。

* RF系統可分為三大類：

全雙工（同時雙向通訊）
半雙工（非同步雙向通信）
單純形（單向通信）

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