Transmisión de RF: regulaciones, interferencia y transferencia de energía

El espectro electromagnético
Aprenda cómo transferir la potencia máxima de su amplificador a su antena, y cómo estimar esta potencia utilizando un osciloscopio.

Una característica importante de la tecnología de RF es la siguiente: es relativamente fácil para una persona impedir, o incluso arruinar por completo, la comunicación inalámbrica de otra persona. Las ondas de radio viajan por el aire y están disponibles para todos, incluidos aquellos que, intencionalmente o accidentalmente, transmiten señales que podrían describirse como interferencias.

Primero, es importante comprender que no puede "destruir" o "dañar" las señales de radio que ya se han transmitido. No obstante, el efecto de la interferencia puede ser equivalente a destruir una señal original porque compromete la capacidad del receptor para extraer la información importante contenida en esta señal. En otras palabras, la información todavía está presente, pero con respecto a un receptor particular que, en la práctica, ha dejado de existir.

La interferencia es un desafío constante en el diseño de RF, y la proliferación de dispositivos inalámbricos no está simplificando la situación. Hay varias formas de hacer que un sistema sea resistente a la interferencia, y estas se discutirán más adelante en el libro de texto. La mayor parte de esta interferencia se debe simplemente al hecho de que los dispositivos que no se comunican a menudo deben utilizar frecuencias portadoras similares.

Sin embargo, también existe la interferencia deliberada. Esto se llama interferencia; El objetivo es transmitir una señal que de una forma u otra evite que otros sistemas inalámbricos mantengan una comunicación exitosa. La interferencia es una táctica importante en la guerra moderna, y en la vida diaria es una molestia (o peor) y es completamente ilegal.

 

Regulación
Inicialmente puede parecer extraño que el gobierno regule las transmisiones inalámbricas: ¿podemos realmente imponer leyes sobre algo tan intangible como la radiación electromagnética? Pero el ejemplo de interferencia deja en claro que la ausencia de regulaciones conduciría a serios problemas. Se requiere una organización estricta para garantizar que el ámbito de EMR no se deteriore en una horda caótica de señales interferentes.

En los Estados Unidos, la tarea de mantener el orden en el mundo de la comunicación inalámbrica recae en la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Las organizaciones públicas y privadas que desean utilizar una parte del espectro electromagnético deben obtener el permiso de la FCC; Este permiso se conoce como licencia. Hay excepciones para los sistemas que tienen un alcance limitado y, por lo tanto, es poco probable que causen una perturbación importante.

Máximo poder
Si está interesado en transmisiones de radio (legales) sin licencia, debe conocer su potencia de transmisión. Incluso si las regulaciones oficiales se presentan en términos de alcance efectivo o alguna otra métrica, debe poder determinar la potencia de transmisión que generalmente se considera aceptable en estas situaciones, y estimar la potencia es más fácil que tratar de medir con precisión el alcance del sistema o el intensidad de campo a cierta distancia de la antena.

Este gráfico proporciona límites de intensidad de campo (para un rango específico de frecuencias) según las reglas de la "Parte 15" de la FCC. Imagen adaptada de Digi-Key
 
En RF y en todos los demás tipos de circuitos eléctricos, la potencia disipada por un componente es igual al voltaje a través de ese componente multiplicado por la corriente que fluye a través del componente. Puede pensar en una antena como simplemente un conductor y, por lo tanto, como algo con muy poca resistencia. 

Es cierto que un conductor puede tener una resistencia muy baja en CC, pero a frecuencias más altas una antena tiene cantidades significativas de impedancia de entrada. Estamos interesados ​​en la impedancia de la antena en las frecuencias específicas que estamos utilizando para transmitir nuestra señal de RF; Necesitaremos esta información para estimar la cantidad de energía entregada a la antena.

Transferencia de voltaje vs. Transferencia de energía
En un circuito digital o analógico típico, no quisiéramos que un trazado de cable o PCB tenga una resistencia de 50 Ω. Esto parece una resistencia tremendamente alta para algo descrito como un conductor. 

Pero tenemos que recordar que en los circuitos de baja frecuencia generalmente estamos interesados ​​en la transferencia de voltaje, es decir, queremos asegurarnos de que el voltaje en un pin de entrada esté lo más cerca posible del voltaje en el pin de salida anterior. Para lograr una buena transferencia de voltaje, necesitamos baja impedancia de salida, baja impedancia del conductor e alta impedancia de entrada.

Sin embargo, en la etapa de salida de un transmisor de RF (o de un amplificador de audio), el objetivo es la transferencia de potencia. No solo queremos mover el voltaje de un dispositivo a otro; queremos una corriente significativa que fluya a través de la antena, de modo que tenga mucha energía eléctrica que pueda convertirse en energía electromagnética radiada.

La transferencia de potencia máxima ocurre cuando la magnitud de la impedancia de carga es igual a la magnitud de la impedancia de la fuente.

Como puede ver, la potencia de carga (PL) es máxima cuando RL = RS. Tenga en cuenta, sin embargo, que la eficiencia (η) continúa aumentando más allá de este punto. La máxima transferencia de potencia no corresponde a la máxima eficiencia.
 
En los circuitos de RF, la etapa de salida del amplificador (y la línea de transmisión que conecta el amplificador a la antena) a menudo tendrá una impedancia de 50 Ω y, por lo tanto, la impedancia de la antena también debe ser de 50 Ω para garantizar la máxima transferencia de potencia. (Otro tema importante aquí es "redes de correspondencia", que se utilizan para mejorar la correspondencia de impedancia entre un amplificador y una antena; esto se discutirá más adelante en el libro de texto).

Poder de estimación
La discusión anterior explica por qué podemos analizar una etapa de salida de RF conectando el amplificador de potencia a una entrada de osciloscopio de 50 Ω: la mayoría de los sistemas de RF están construidos alrededor de impedancias de 50 Ω y, por lo tanto, generalmente necesitará una impedancia de antena de 50 Ω.

Por supuesto, si conoce las características relevantes de voltaje e impedancia de su circuito, simplemente puede calcular la potencia entregada a la antena. Un simulador SPICE sería otro enfoque efectivo. Pero si estas técnicas no son prácticas en sus circunstancias, o si desea una verificación empírica, debe usar equipos de medición.

Si tiene un analizador de espectro, utilícelo por todos los medios. Está diseñado para proporcionar exactamente este tipo de información. Si no tiene un analizador de espectro, puede usar un osciloscopio. Mire el voltaje RMS de la señal usando una entrada de alcance de 50 Ω, y luego calcule la potencia como V2 / R, donde R = 50 Ω.

Resumen

* La transmisión electromagnética está cuidadosamente regulada para mitigar los problemas asociados con la interferencia no intencional. La interferencia intencional, conocida como interferencia, es ilegal en el contexto de la vida civil.

* En los Estados Unidos, los dispositivos de transmisión generalmente deben tener licencia de la FCC.

* La operación sin licencia es posible bajo ciertas condiciones asociadas con la potencia de transmisión restringida.

* Para lograr la máxima transferencia de energía eléctrica de un amplificador a una antena, la magnitud de la impedancia de salida del amplificador debe coincidir con la magnitud de la impedancia de entrada de la antena.

* La potencia de transmisión se puede determinar mediante análisis matemático o simulación SPICE. También se puede estimar empíricamente utilizando un analizador de espectro o un osciloscopio.

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