Tecnologia RF - Decriptare la catena del segnale RF: caratteristiche e indicatori di prestazione

Concentrandosi sulle caratteristiche eccezionali della RF, compreso lo spostamento di fase, la reattività, la dissipazione, il rumore, la radiazione, la riflessione e la non linearità, è possibile stabilire una base di definizione coerente, coprendo molteplici significati. 1 Questa base rappresenta una moderna definizione onnicomprensiva che non si basa su un singolo aspetto o valore specifico per distinguere RF da altri termini. Il termine RF si applica a qualsiasi circuito o componente che abbia le caratteristiche che compongono questa definizione.

Abbiamo impostato lo sfondo di questa discussione, e ora possiamo iniziare ad entrare nell'argomento e analizzare la catena generale del segnale RF. Tra questi, il modello di circuito a componente distribuito viene utilizzato per riflettere lo spostamento di fase nel circuito. Questo spostamento non può essere ignorato ad una lunghezza d'onda RF più breve. Pertanto, la rappresentazione approssimativa del circuito totale PCB impostato non è adatta a questi tipi di sistemi. La catena del segnale RF può includere una varietà di componenti discreti, come attenuatori, interruttori, amplificatori, rivelatori, sintetizzatori e altri dispositivi analogici RF, così come PCB e DAC ad alta velocità. Combinando tutti questi componenti per una specifica applicazione, la prestazione nominale complessiva dipenderà dalle prestazioni combinate di questi componenti discreti.

Pertanto, al fine di progettare un sistema specifico in grado di soddisfare l'applicazione target, gli ingegneri di sistema RF devono essere in grado di considerare veramente da una prospettiva di sistema e avere una comprensione coerente dei concetti e dei principi chiave di base. Queste riserve di conoscenze sono molto importanti. Per questo motivo, abbiamo compilato questo articolo di discussione, che contiene due parti. L'obiettivo della prima parte è quello di introdurre brevemente le principali caratteristiche e indicatori utilizzati per determinare le caratteristiche del dispositivo RF e quantificarne le prestazioni. L'obiettivo della seconda parte è fornire un'introduzione approfondita ai vari singoli componenti e ai loro tipi che possono essere utilizzati per sviluppare la catena del segnale RF per l'applicazione desiderata. In questo articolo, ci concentreremo sulla prima parte, e considereremo le principali caratteristiche e indicatori di prestazione relativi al sistema RF.

Scheda PCB rf

1. Introduzione alla terminologia RF Ci sono una varietà di parametri attualmente utilizzati per descrivere le caratteristiche dell'intero sistema RF e dei suoi moduli discreti. A seconda dell'applicazione o del caso d'uso, alcune di queste funzionalità possono essere estremamente importanti, mentre altre sono meno importanti o irrilevanti. Con questo articolo da solo, è certamente impossibile condurre un'analisi completa di un argomento così complesso. Tuttavia, cercheremo di seguire un'idea comune, che è quella di trasformare una serie di contenuti correlati complessi in una guida equilibrata e facile da capire delle proprietà e caratteristiche del sistema RF, in modo da riassumere in modo conciso e completo le prestazioni RF più comuni.

Nel caso della corrispondenza di rete, S21 è equivalente al coefficiente di trasmissione dalla porta 1 alla porta 2 (S12 può anche essere definito in modo analogo). L'ampiezza |S21| espressa su una scala logaritmica rappresenta il rapporto tra potenza in uscita e potenza in ingresso, che è chiamato guadagno o guadagno logaritmico scalare. Questo parametro è un indicatore importante di amplificatori e altri sistemi RF e può anche prendere un valore negativo. Il guadagno negativo rappresenta perdita intrinseca o perdita di disallineamento ed è solitamente rappresentato dalla sua reciproca, vale a dire perdita di inserzione (IL), che è un tipico indicatore di attenuatori e filtri.

Se consideriamo ora l'onda incidente e l'onda riflessa nella stessa porta, possiamo definire S11 e S22 come mostrato nella Figura 2. Quando altre porte sono terminate con carichi corrispondenti, questi termini sono equivalenti al coefficiente di riflessione |Γ| della porta corrispondente. Secondo la formula 1, possiamo correlare la dimensione del coefficiente di riflessione con la perdita di ritorno (RL):

La perdita di ritorno si riferisce al rapporto tra la potenza incidente della porta e la potenza riflessa della sorgente. In base alla porta che utilizziamo per stimare questo rapporto, possiamo distinguere tra perdita di ritorno in ingresso e uscita. La perdita di ritorno è sempre un valore non negativo, indicando quanto bene l'impedenza di ingresso o uscita della rete corrisponda all'impedenza della porta verso la sorgente. Va notato che questa semplice relazione tra i parametri IL e RL e S è valida solo quando tutte le porte sono abbinate. Questo è un prerequisito per definire la matrice S della rete stessa. Se la rete non corrisponde, non cambierà i suoi parametri S intrinseci, ma può cambiare il coefficiente di riflessione delle sue porte e il coefficiente di trasmissione tra le porte.

2. Gamma di frequenza e larghezza di bandaTutte queste quantità di base che descriviamo cambieranno costantemente nella gamma di frequenza, che è la caratteristica di base comune di tutti i sistemi RF. Definisce la gamma di frequenza supportata da questi sistemi e ci fornisce una banda metrica di prestazioni più critica (BW).

Non lineare

Va sottolineato che le caratteristiche del sistema RF non cambieranno solo con la frequenza, ma anche con il livello di potenza del segnale. Le caratteristiche di base descritte all'inizio di questo articolo sono solitamente rappresentate da piccoli parametri S di segnale, e gli effetti non lineari non sono considerati. Tuttavia, in generale, l'aumento continuo del livello di potenza attraverso la rete RF di solito porterà effetti non lineari più evidenti e, infine, porterà al suo degrado delle prestazioni.

Quando parliamo di sistemi RF o componenti con buona linearità, di solito intendiamo che gli indicatori chiave utilizzati per descrivere le loro prestazioni non lineari soddisfano i requisiti applicativi target. Diamo un'occhiata a questi indicatori chiave che sono comunemente utilizzati per quantificare il comportamento non lineare dei sistemi RF.

Il primo parametro che dobbiamo considerare è il punto di compressione di 1 dB in uscita (OP1dB), che definisce il punto di flessione per il dispositivo generale per passare dalla modalità lineare alla modalità non lineare, cioè il livello di potenza in uscita quando il guadagno del sistema è ridotto di 1 dB. Questa è la caratteristica di base dell'amplificatore di potenza, che viene utilizzato per impostare il livello di funzionamento del dispositivo al livello di saturazione definito dalla potenza di uscita verso saturazione (PSAT). L'amplificatore di potenza si trova solitamente nell'ultimo stadio della catena del segnale, quindi questi parametri di solito definiscono l'intervallo di potenza in uscita del sistema RF.

Una volta che il sistema è in modalità non lineare, distorce il segnale e produce componenti di frequenza falsa, o speroni. Lo spurioso è misurato rispetto al livello del segnale portante (unità: dBc) e può essere diviso in armoniche e prodotti di intermodulazione (cfr. figura 3). Le armoniche sono segnali a multipli interi della frequenza fondamentale (per esempio, le armoniche H1, H2, H3), e i prodotti di intermodulazione sono segnali che appaiono quando due o più segnali fondamentali sono presenti in un sistema non lineare. Se il primo segnale fondamentale è alla frequenza f1 e il secondo è a f2, i prodotti di intermodulazione del secondo ordine appaiono alla somma e alla differenza delle posizioni di frequenza dei due segnali, vale a dire f1 + f2 e f2 – f1, e f1 + f1 e f2 + f2 (quest'ultimo è anche chiamato armonico H2). La combinazione del prodotto di intermodulazione di secondo ordine e del segnale fondamentale produrrà il prodotto di intermodulazione di terzo ordine, due dei quali (2f1 – f2 e 2f2 – f1) sono particolarmente importanti, perché sono vicini al segnale originale, quindi è difficile da filtrare. Lo spettro di uscita di un sistema RF non lineare contenente componenti di frequenza spuria rappresenta la distorsione di intermodulazione (IMD), che è un termine importante per descrivere la non linearità del sistema. 2

I componenti falsi relativi alla distorsione di intermodulazione di secondo ordine (IMD2) e alla distorsione di intermodulazione di terzo ordine (IMD3) possono causare interferenze al segnale di destinazione. Un indicatore importante utilizzato per quantificare la gravità dell'interferenza è il Punto di Intermodulazione (IP). Possiamo distinguere i punti di intermodulazione di secondo ordine (IP2) e terzo ordine (IP3). Come mostrato nella Figura 4, definiscono i punti ipotetici di potenza del segnale in ingresso (IIP2, IIP3) e in uscita (OIP2, OIP3). In questi punti, la potenza dei componenti falsi corrispondenti raggiungerà lo stesso livello elettrico del componente fondamentale. flat. Sebbene il punto di intermodulazione sia un concetto puramente matematico, è un indicatore importante per misurare la tolleranza del sistema RF alla non linearità.

noiseOra diamo un'occhiata ad un'altra importante caratteristica inerente a ogni sistema RF-rumore. Il rumore si riferisce alla fluttuazione dei segnali elettrici e contiene molti aspetti diversi. Secondo il suo spettro di frequenza, il modo in cui influisce sul segnale e il meccanismo con cui genera rumore, il rumore può essere diviso in molti tipi e forme differenti. Tuttavia, nonostante l'esistenza di molte fonti di rumore diverse, non è necessario approfondire le loro caratteristiche fisiche per descrivere il loro impatto finale sulle prestazioni del sistema. Possiamo studiare sulla base di un modello semplificato di rumore del sistema, che utilizza un unico generatore teorico di rumore ed è descritto dall'importante indicatore di rumore (NF). Può quantificare la diminuzione del rapporto segnale-rumore (SNR) causata dal sistema, che è definito come il rapporto logaritmico tra il rapporto segnale-rumore in uscita e il rapporto segnale-rumore in ingresso. La cifra di rumore espressa su scala lineare è chiamata fattore di rumore. Questa è la caratteristica principale del sistema RF e può controllare le sue prestazioni complessive.

Per un semplice dispositivo passivo lineare, la cifra di rumore è uguale alla perdita di inserimento definita da |S21|. In un sistema RF più complesso composto da più componenti attivi e passivi, il rumore è descritto dal rispettivo fattore di rumore Fi e dal guadagno di potenza Gi. Secondo la formula Friis (supponendo che l'impedenza di ogni stadio sia abbinata), l'influenza del rumore è sul segnale Diminuire passo dopo passo nella catena:

Si può concludere che le prime due fasi della catena del segnale RF sono la fonte principale della cifra complessiva del rumore del sistema. Questo è il motivo per cui i componenti con il livello di rumore più basso (come gli amplificatori a basso rumore) sono posizionati all'estremità anteriore della catena del segnale del ricevitore.

Se consideriamo ora un dispositivo o un sistema dedicato che genera un segnale, quando si tratta delle sue caratteristiche di prestazione acustica, si riferisce generalmente alle caratteristiche del segnale interessate dalla fonte di rumore. Queste caratteristiche sono phase jitter e phase noise, che vengono utilizzati per rappresentare la stabilità del segnale nel dominio temporale (jitter) e frequenza (phase noise). La scelta specifica dipende generalmente dall'applicazione. Ad esempio, nelle applicazioni di comunicazione RF, il rumore di fase è generalmente utilizzato, mentre nei sistemi digitali, il jitter è generalmente utilizzato. Il jitter di fase si riferisce a piccole fluttuazioni nella fase di un segnale, e il rumore di fase è la sua rappresentazione spettrale. È definita come la potenza del rumore all'interno di una larghezza di banda di 1Hz con offset di frequenza differenti rispetto alla frequenza portante. Si ritiene che la potenza sia bilanciata in questa larghezza di banda (in conclusione)Possiamo utilizzare una varietà di caratteristiche e indicatori di prestazione per caratterizzare la catena del segnale RF. Essi riguardano diversi aspetti del sistema e la loro importanza e rilevanza possono variare da applicazione a applicazione. Anche se non possiamo spiegare completamente tutti questi fattori in un articolo, se gli ingegneri RF possono comprendere profondamente le caratteristiche di base discusse in questo articolo, possono facilmente essere trasformati in applicazioni target come radar, comunicazioni, misura o altri sistemi RF. Requisiti chiave e specifiche tecniche. ADI si basa sull'ampia combinazione di soluzioni RF, microonde e onde millimetriche del settore, nonché sulla profonda esperienza nella progettazione di sistemi, per soddisfare una varietà di requisiti applicativi RF esigenti. Queste ampie soluzioni ADI discrete e completamente integrate, dalle antenne ai bit, consentono di aprire l'intero spettro da DC a oltre 100 GHz e forniscono prestazioni eccezionali, supportando comunicazioni, test e strumenti di misura, industriali, aerospaziali e una varietà di progetti RF e microonde sono implementati per la difesa e altre applicazioni.