RF 설계는 전기 공학의 다양한 하위 분야 중에서 특히 어려운 것으로 알려져 있습니다. 그 이유 중 하나는 이론적 전기 신호와 고주파 사인파 신호 사이의 극심한 불일치입니다.
어느 순간 우리 모두는 이론적 회로 분석에서 발견되는 이상화된 구성 요소와 전선 및 신호가 현실에 대한 매우 부정확한 근사치이기는 하지만 도움이 된다는 것을 깨닫기 시작합니다. 구성 요소에는 허용 오차와 온도 의존성 및 기생 요소가 있습니다. 전선에는 저항, 커패시턴스 및 인덕턴스가 있습니다. 신호에는 노이즈가 있습니다. 그러나 수많은 성공적인 회로가 이러한 비이상성을 거의 또는 전혀 고려하지 않고 설계되고 구현됩니다.
실제 "커패시터"에 대한 등가 회로 모델은 매우 높은 주파수에서 실제로 인덕터처럼 동작합니다.
이는 오늘날 많은 회로가 주로 저주파 또는 디지털 신호를 포함하기 때문에 가능합니다. 저주파 시스템은 비이상적인 신호 및 구성 요소 동작의 영향을 훨씬 덜 받습니다. 따라서 저주파 회로는 이론적 분석에 근거하여 예상하는 작동에서 훨씬 덜 벗어나는 경향이 있습니다. 고주파 디지털 시스템은 비이상적인 영향을 더 많이 받지만 디지털 통신은 본질적으로 견고하기 때문에 이러한 비이상적인 영향은 일반적으로 두드러지지 않습니다. 디지털 신호는 비이상적인 회로 동작의 결과로 상당한 저하를 겪을 수 있지만 수신기가 논리 하이와 논리 로우를 여전히 올바르게 구별할 수 있는 한 시스템은 모든 기능을 유지합니다.
물론 RF 세계에서 신호는 디지털도 저주파도 아닙니다. 예상치 못한 신호 동작이 표준이 되고, 신호 대 잡음비가 감소한 모든 dB는 범위 감소, 오디오 품질 저하 또는 비트 오류율 증가에 해당합니다.
용량성 커플링
RF 신호는 의도된 전도 경로에 절대적으로 국한되지 않는다는 것을 이해하는 것이 필수적입니다. 이는 특히 다양한 트레이스와 구성 요소가 물리적으로 거의 분리되지 않는 인쇄 회로 기판의 맥락에서 더욱 그렇습니다.
기생 용량의 예.
일반적인 회로도는 구성 요소, 전선 및 그 사이의 빈 공간으로 구성됩니다. 신호는 전선을 따라 이동하고 빈 공간을 통과할 수 없다는 가정이 있습니다. 그러나 실제로는 이러한 빈 공간이 커패시터로 채워져 있습니다 . 커패시턴스는 두 도체가 절연 재료로 분리될 때마다 형성되며 물리적으로 더 가까울수록 커패시턴스가 더 높아집니다.
커패시터는 DC를 차단하고 저주파 신호에 높은 임피던스를 제공합니다. 따라서 저주파 설계의 맥락에서 이러한 의도치 않은 모든 커패시턴스를 무시할 수 있습니다. 그러나 주파수가 증가함에 따라 임피던스가 감소합니다. 매우 높은 주파수에서 PCB는 기생 커패시턴스에 의해 생성된 비교적 낮은 임피던스 전도 경로로 채워집니다.
방사 결합
이상적인 세계에서 모든 RF 장치에는 안테나가 하나씩 있습니다. 실제로 모든 도체는 전자기파를 방출하고 수신할 수 있다는 의미에서 안테나입니다. 따라서 방사 결합은 RF 신호가 회로 기호 사이의 비전도성 빈 공간을 통과할 수 있는 또 다른 수단을 제공합니다.
평소처럼 이 문제는 주파수가 증가함에 따라 더 심각해집니다. 안테나는 길이가 신호 파장의 상당 부분일 때 더 효과적이며, 따라서 PCB 트레이스(보통 다소 짧음)는 고주파가 있을 때 더 문제가 됩니다.
"방사 결합"이라는 용어는 원거리 효과, 즉 안테나 바로 근처에 없는 전자기 복사로 인한 간섭을 언급할 때 더 적절합니다. 송신 및 수신 도체가 약 1파장 미만으로 분리되어 있을 때 상호 작용은 근거리에서 발생합니다. 이 상황에서는 자기장이 지배적이므로 더 정확한 용어는 "유도 결합"입니다.
누출
회로의 원치 않는 부분에 결합되는 RF 신호는 "누설"로 설명됩니다. 누설의 전형적인 예는 다음 다이어그램에 나와 있습니다.
로컬 오실레이터(LO) 신호는 믹서의 LO 입력에 직접 공급됩니다. 이는 의도적인 전도 경로입니다. 동시에 신호는 의도하지 않은 전도 경로를 찾아 믹서의 다른 입력 포트로 누출됩니다. 동일한 주파수와 위상의 두 신호를 혼합하면 DC 오프셋이 발생합니다(위상 차이가 90° 또는 -90°에 가까워질수록 오프셋의 크기가 0에 가까워짐). 이 DC 오프셋은 입력 신호를 무선 주파수에서 기저대역 주파수로 직접 변환하는 수신기 아키텍처와 관련하여 주요 설계 과제를 구성합니다.
또 다른 누설 경로는 믹서에서 저잡음 증폭기를 거쳐 안테나로 가는 경로입니다.
하지만 거기서 끝나지 않습니다. LO 신호는 안테나에서 방사되고, 외부 물체에서 반사된 후 동일한 안테나에서 수신될 수 있습니다. 이는 다시 셀프 믹싱과 그 결과 DC 오프셋을 생성하지만, 이 경우 오프셋은 매우 예측할 수 없습니다. 오프셋의 진폭과 극성은 반사 신호의 끊임없이 변화하는 크기의 영향을 받습니다.
송신기 및 수신기
누설 문제로 이어지는 또 다른 상황은 RF 장치에 수신기와 송신기가 모두 포함된 경우입니다. 송신기 부분에는 안테나로 강한 신호를 보내도록 설계된 전력 증폭기가 있습니다. 수신기 부분은 매우 작은 진폭의 신호를 증폭하고 복조하도록 설계되었습니다. 따라서 송신기는 높은 전력을 제공하고 수신기는 높은 감도를 제공합니다.
아마도 이게 어디로 가는지 알 수 있을 겁니다. 커플링 경로는 PA 출력이 수신 체인으로 누출되도록 할 수 있습니다. 심지어 매우 감쇠된 PA 신호조차도 민감한 수신기 회로에 문제를 일으킬 수 있습니다.
심플렉스, 듀플렉스
이 PA-수신기 누설은 회로가 동시 전송과 수신을 지원해야 할 때만 문제가 됩니다. 두 개의 이러한 장치로 구성된 시스템( 송신기 와 수신기 로 작동할 수 있기 때문에 트랜시버라고 함 )을 풀 듀플렉스라고 합니다. 풀 듀플렉스 시스템은 동시 양방향 통신을 가능하게 합니다.
반이중 시스템은 비동시적 양방향 통신만 지원하지만, 반이중 시스템에서 사용되는 장치는 여전히 송수신기입니다. 왜냐하면 송수신과 수신이 가능하기 때문입니다. 반이중 장치를 사용하면 PA에서 수신기로의 누설에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 왜냐하면 전송 중에 수신 체인이 활성화되지 않기 때문입니다.
단방향 RF 통신 시스템은 "심플렉스"라고 합니다. 매우 일반적인 예로는 AM 또는 FM 방송이 있습니다. 방송국의 안테나가 송신하고 자동차 라디오가 수신합니다.
요약
- 실제의 전기 신호와 구성 요소는 이상적인 신호와 구성 요소보다 예측하고 분석하기가 더 어렵습니다. 특히 고주파 아날로그 신호의 경우 더욱 그렇습니다.
- RF 신호는 용량 결합, 방사 결합, 유도 결합에 의해 생성된 의도치 않은 전도 경로를 통해 쉽게 이동합니다.
- 의도하지 않은 전도 경로를 통한 RF 신호의 이동을 누설이라고 합니다.
- RF 시스템은 세 가지 일반적인 범주로 나눌 수 있습니다.
- 풀 듀플렉스(동시 양방향 통신)
- 반이중(비동시적 양방향 통신)
- 단방향 통신(단방향 통신)