Grundlagen der HF-Signalkette und der Leistungsübertragungsbilanz

IoT-Geräte, die im Feld eingesetzt werden, haben im Allgemeinen zwei Möglichkeiten, miteinander zu kommunizieren: über ein Kabel oder drahtlos. In der drahtlosen Kommunikation gibt es eine Größe, die beschreibt, wie viel Leistung bei einem drahtlosen Empfänger ankommt: die Leistungsübertragungsbilanz. In einem drahtlosen System, das zwei Geräte verbindet, soll die Leistungsübertragungsbilanz alle Gewinn- und Verlustquellen berücksichtigen, die sich auf die Stromversorgung einer Empfangsantenne auswirken. Wenn Sie ein drahtloses IoT-Gerät entwerfen und wissen, wie man die Leistungsübertragungsbilanz berechnet, können Sie einigermaßen abschätzen, ob Ihr Signal sein Ziel erreichen und vom Empfänger gelesen werden wird.

Um die Leistungsübertragungsbilanz zu berechnen, muss der Konstrukteur etwas über alle anderen Verstärkungs- und Verlustquellen im System wissen. Sobald die Leistungsübertragungsbilanz festgelegt ist, kann der Konstrukteur beurteilen, ob eine Modifikation in seiner HF-Signalkette erforderlich ist. Solche Modifikationen können zum Beispiel den Austausch von Materialsätzen, die Umgestaltung eines Lagenaufbaus für geringere Verluste, das Hinzufügen von Verstärkern und Filtern oder die Änderung bestehender Elemente in der Signalkette umfassen.

Um Ihnen bei der Bestimmung der Leistungsübertragungsbilanz in Ihrem System zu helfen und bei der Entscheidung, ob Ihre HF-Signalkette ein Upgrade benötigt, habe ich in diesem Artikel drei Tools bereitgestellt:

• Die Formel zur Berechnung der Leistungsübertragungsbilanz
• Einen Leistungsübertragungsbilanz-Rechner
• Die Formel zur Berechnung der Freiraumdämpfung

Mit diesen Tools können Sie Ihre Leistungsübertragungsbilanz berechnen und feststellen, ob zusätzliche Komponenten entlang Ihrer HF-Signalkette erforderlich sind. Die Kenntnis der Leistungsübertragungsbilanz und der Vergleich der empfangenen Leistung mit der Empfindlichkeit des Empfängers helfen den Konstrukteuren auch bei der Entscheidung, ob ihre Signalkette verändert werden muss. In diesem Handbuch werde ich die möglichen Änderungen skizzieren, die Ihr System möglicherweise benötigt.

Wie hoch ist die Leistungsübertragungsbilanz für ein HF-System?

Die Leistungsübertragungsbilanz in einem HF-System gibt eine Schätzung für die Leistung, die man bei einem Empfänger erwarten würde, wenn man alle möglichen Quellen von Gewinn und Verlust entlang einer drahtlosen Verbindung berücksichtigt. Die Topologie eines HF-Systems mit seiner Leistungsübertragungsbilanz ist unten dargestellt:

Entlang der Leistungsübertragungsbilanz kann es eine Verstärkung geben (im Sender/Empfänger eingebaut oder als externe Komponente), und es gibt Verluste durch die im System verwendeten Materialien und anderen Komponenten. Durch eine Berechnung der Leistungsübertragungsbilanz sollen diese Verluste und Gewinne im System berücksichtigt werden, wenn ein Signal an ein Empfangsgerät übertragen wird.

Definition der Leistungsübertragungsbilanz

Die Leistungsübertragungsbilanz in einem drahtlosen System wird durch die folgende Formel definiert:

In dieser Formel haben die Verluste ein negatives Vorzeichen, sodass ein Verlust in dieser Formel als positiver Dezibelwert angegeben würde. Die verschiedenen Begriffe in dieser Formel sind wie folgt definiert:

• P_t - Sendeleistung oder die äquivalente Leistung, die ohne Antennen-/ Verstärkergewinn isotrop abgestrahlt würde
• G_t - Sendegewinn, der den Antennengewinn und jeglichen Verstärkergewinn berücksichtigt
• L_t - Signalkettenverlust auf der Senderseite
• L_fs - Freiraumdämpfung, oder die Leistung, die während der Ausbreitung zwischen der Sende- und der Empfangsantenne verloren geht
• L_m - Sonstige Verluste oder andere Verluste, die nicht in dieser Formel enthalten sind
• G_r - Empfängergewinn, der den Antennengewinn und jeglichen Verstärkergewinn berücksichtigt
• L_r - Signalkettenverlust auf der Empfängerseite

Die Sendeleistung ist die Leistungsabgabe an die Signalkette im Sendesystem. Sobald sich das Signal in der Leiterplatte und zur Sendeantenne ausbreitet, könnte es zu einem der üblichen Verlustmechanismen entlang der Verbindung kommen.

Freiraumdämpfung

Die oben aufgeführte Freiraumdämpfung (L_fs) definiert den zu erwartenden Verlust entlang des Ausbreitungsweges zwischen den beiden Antennen der Sende- und Empfangsgeräte. Der Pfadverlust in der Luft hängt von der Frequenz und dem Abstand zwischen den beiden Geräten ab:

Die Begriffe in dieser Gleichung sind definiert als:

• FSPL - Freiraumdämpfung, gemessen in dB
• d - Sichtliniendistanz zwischen Sender und Empfänger, gemessen in km
• f  - Die Trägerfrequenz für das übertragene Signal, gemessen in MHz

Diese Gleichung berücksichtigt keine wichtigen Ausbreitungsfaktoren wie Absorptions- oder Streuverluste in der Luft oder das Vorhandensein von Hindernissen auf dem Ausbreitungsweg (z. B. Gebäude). Diese Faktoren können die Freiraumdämpfung erheblich erhöhen.

Leistungsübertragungsbilanz-Rechner

Um eine schnelle und einfache Schätzung der Leistungsübertragungsbilanz in Ihrem System zu erhalten, habe ich den folgenden Rechner erstellt, der alle verlustbehafteten Faktoren in einer typischen Verbindung zwischen zwei Geräten berücksichtigt. Dieser Rechner gibt die geschätzte Signalstärke, die am Empfänger ankommt, in dBm zurück. Die hier gegebene Ausgangsleistung folgt der oben gegebenen Definition: Sie bezeichnet die an die Antenne abgegebene Leistung, die isotrop abgestrahlt worden wäre (mit Antennengewinn = 0 dBi) , aber stattdessen mit einer Richtantenne gebündelt werden könnte. Denken Sie daran, dass der Antennengewinn gerichtet ist, sodass Ihre Berechnung nur in bestimmten Richtungen gültig ist.

Der Rechner verwendet die positive Vorzeichenkonvention, wie in der oben gezeigten Formel definiert.

Das Ergebnis kann dann mit der Empfindlichkeitsstufe des Empfängers verglichen werden. Wenn das berechnete Ergebnis geringer ist als die Empfängerempfindlichkeit, sollten die Verluste im System verringert, die Gewinne erhöht oder die Geräte näher zusammengebracht werden.

So erhöhen Sie die Leistungsübertragungsbilanz

Wenn sich herausstellt, dass der oben berechnete Wert der Leistungsübertragungsbilanz des Systems zu niedrig ist, muss die Leistungsübertragungsbilanz erhöht werden, damit der Empfänger in Ihrem Gerät das empfangene Signal lesen kann. Die einfachste Möglichkeit, die am Empfänger erfasste Leistung zu erhöhen, besteht darin, Änderungen an der Leiterplatte und dem HF-Frontend vorzunehmen:

• Verstärkung zwischen dem Sender und der Antenne (oder zwischen Antenne und Empfänger) anwenden
• Materialien mit geringerem Verlust verwenden
• Eine Antenne mit höherem Gewinn verwenden (Richtwirkung)
• Geräte näher zusammenstellen (d reduzieren)
• Den Lagenaufbau verändern, um Verluste auf Leitungen mit kontrollierter Impedanz zu reduzieren

Einige Konstrukteure versuchen zunächst, die Verluste auf der Leiterplatte zu verringern, indem sie ein verlustärmeres Material verwenden. In Sub-GHz-Bereichen ist der Materialverlust bereits sehr gering (sowohl bei den Dielektrika als auch beim Kupfer, wie ich in diesem Artikel über Kupferrauheit dargelegt habe). Bei höheren Frequenzen (über 5 GHz) können Materialien mit niedrigem Verlust (sowohl Kupfer als auch Dielektrika) erhebliche Auswirkungen auf die Verringerung der Verluste in der HF-Signalkette haben.

Sendeseitige Verstärkung

Bei einigen HF-Anwendungen besteht die Tendenz, einfach die im Sendegerät eingebaute Verstärkung zu akzeptieren. In diese Geräte ist ein Leistungsverstärker eingebaut, der die Ausgangsleistung auf den Wert einstellt, der im Komponentendatenblatt angegeben ist. Diese Verstärker laufen oft nahe der Sättigung, und es können einige Harmonische mit Intermodulationsprodukten im Signal vorhanden sein. Beim Entwerfen einer Signalkette kann ein Verstärker in der Signalkette platziert werden, der eine zusätzliche Verstärkung entlang des Signalpfads ermöglicht. Dadurch wird die an die Antenne gesendete Leistung erhöht.

Da der Sender eine hohe Ausgangsleistung hat, kann ein Breitbandsignal, das in einen Leistungsverstärker eingespeist wird, dazu führen, dass der Verstärker nahezu gesättigt läuft. Das Ergebnis ist die Erzeugung von Intermodulationsprodukten, die auftreten, wenn die Übertragungsfunktion des Verstärkers beginnt, nichtlinear zu laufen. Dies ist ein Problem bei frequenzmodulierten Signalen, aber es wird generell auch bei Breitbandsignalen auftreten. Ein Beispiel, das die Generierung von Intermodulationsprodukten für ein frequenzmoduliertes Signal zeigt, ist unten dargestellt:

Das Problem mit diesen Spitzen ist, dass sie schwer zu filtern sind und schneller als das Hauptsignal ansteigen können. Dies wird in der unten abgebildeten typischen Leistungsverstärker-Übertragungskurve veranschaulicht. Um diese Generierung von Intermodulationsprodukten zu verhindern, legen wir normalerweise den Kompressionspunkt von 1 dB als Grenzwert für die Eingangsleistung (in dBm) eines Leistungsverstärkers fest. 

• Erfahren Sie mehr darüber, wie harmonische Signale mit nichtlinearen Schaltungen und Geräten interagieren

Empfangsseitige Verstärkung

In der obigen Beschreibung habe ich mich auf die Verstärkung auf der Sendeseite konzentriert, aber Sie könnten auch eine Verstärkung auf der Empfangsseite anwenden. Dazu müsste ein rauscharmer Verstärker (LNA) in den Signalweg geschaltet werden, der auf die Betriebsfrequenz abgestimmt ist und über eine ausreichende Bandbreite verfügt, um das gesamte Signal gleichmäßig zu verstärken. Solange das Signal in der empfängerseitigen Signalkette stark genug ist, kann es oberhalb des Grundrauschens im System erkannt werden.

Auf der Empfängerseite ist es viel unwahrscheinlicher, dass Sie den Verstärker oder den Eingang des Empfängers nahe der Sättigung laufen lassen, einfach weil Sie es nicht müssen. Dafür gibt es zwei Gründe:

1. Die Signalleistung auf der Empfangsseite wird wahrscheinlich sehr niedrig sein, weshalb man überhaupt eine Verstärkung anstreben sollte. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass der LNA bei Sättigung läuft
2. Das Signal auf der Empfangsseite benötigt keine große Verstärkung; die Verstärkung muss nur ausreichen, um die Empfindlichkeitsschwelle des Empfängers zu überschreiten.

Solange Sie die Empfindlichkeitsschwelle des Empfängers bei der angegebenen Entfernung überschreiten können, haben Sie gerade genug Verstärkung angewendet. Sie müssen dies jedoch mit der Spezifikation des maximalen Empfängereingangs abgleichen, da diese angibt, wann der Empfängereingang in die Sättigung geht. Wenn die Empfangsverstärkung zu hoch ist, müssen Sie eine Mindestabstandsvorgabe durchsetzen! Gleichen Sie die empfangsseitige Verstärkung sorgfältig aus, da sie dazu führen kann, dass ein System nicht richtig funktioniert.

Verwenden Sie bei hohen Frequenzen (>5-10 GHz) breitere 50-Ohm-Leiterbahnen

Eine Option zum Reduzieren von Verlusten besteht darin, Änderungen am Lagenaufbau vorzunehmen, sodass Übertragungsleitungsverluste reduziert werden können. Wenn Sie die Dicke des äußeren Dielektrikums leicht erhöhen, wären Sie dadurch gezwungen, die Linienbreite zu erhöhen, was die DC- und Skin-Effekt-Verluste bei hohen Frequenzen reduziert. Dies gilt auch für Frequenzen über ~5-10 GHz, und die Verlustreduzierung wird bei sehr hohen Frequenzen bis in den Millimeterwellenbereich beträchtlich sein. Diese Strategie könnte mit einem hybriden Lagenaufbau-Design unter Verwendung von verlustarmen PTFE-Materialien genutzt werden, um Verluste deutlich zu reduzieren.

• Erfahren Sie mehr über hybride Lagenaufbauten (Stackups) mit dicken äußeren Dielektrika.

Wenn alles andere fehlschlägt, ändern Sie die Entfernung

Irgendwann werden Sie bei den Geräten in der Signalkette alle möglichen Verbesserungen umgesetzt haben, und die beiden Geräte arbeiten aufgrund ihrer Betriebsfähigkeiten trotzdem einfach nicht in der gewünschten Entfernung. In diesem Fall müssen Sie den Abstand zwischen den beiden Geräten verringern, da dies die Freiraumdämpfung verringert. Wenn es Ihnen gelingt, empfindlichere Empfänger, Verstärker mit höherer Sättigung und Antennen mit höherer Richtwirkung in die Hände zu bekommen, können Sie den Abstand zwischen den Geräten weiter vergrößern.

Wenn Sie Ihre HF-Leiterplatte so entwerfen müssen, dass sie Signale ordnungsgemäß überträgt und eine ausreichend hohe Leistungsübertragungsbilanz beibehält, verwenden Sie die komplette Palette an PCB-Design-Tools in Altium Designer^®. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien für Ihren Hersteller freigeben möchten, können Sie auf der Altium-365^™-Plattform ganz einfach zusammenarbeiten und Ihre Projekte teilen.

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