Chaîne de signaux RF et bilan de liaison : les fondamentaux

Les appareils IdO déployés sur le terrain communiquent généralement soit via un câble, soit sans fil.

Dans le domaine des communications sans fil, il existe un calcul qui vous permet d'évaluer la force du signal sur un récepteur sans fil : le bilan de liaison.

Dans un système sans fil connectant deux appareils, le bilan de liaison prend ainsi en compte toutes les sources de gain et de perte qui auront un impact sur la puissance reçue par l'antenne de réception. Si vous concevez un appareil IdO sans fil et que vous savez comment calculer ce bilan, vous pourrez raisonnablement estimer si votre signal atteindra sa destination et sera lu par le récepteur.

Pour calculer le bilan de liaison, le concepteur doit donc identifier toutes les sources de gain et de perte du système. Une fois le bilan de liaison connu, il pourra déterminer si une modification est nécessaire dans sa chaîne de signaux RF.

Ces modifications peuvent consister à échanger des ensembles de matériaux, à revoir la conception d'un empilage pour réduire les pertes, à ajouter des amplificateurs et des filtres, ou encore à modifier les éléments existants de la chaîne de signaux.

Cet article vous propose trois outils qui vous aideront à évaluer le bilan de liaison de votre système et à déterminer si votre chaîne de signaux RF doit être modifiée :

• La formule du bilan de liaison
• Un calculateur de bilan de liaison
• La formule de calcul de l'affaiblissement en espace libre

Ces outils vous permettront de calculer votre bilan de liaison et de déterminer si des composants supplémentaires sont nécessaires sur votre chaîne de signaux RF.

Connaître le bilan de liaison et comparer la puissance reçue à la sensibilité du récepteur vous aide également à déterminer si votre chaîne de signaux doit être modifiée.

Je présenterai dans ce guide les éventuelles modifications dont votre système pourrait avoir besoin.

Quel est le bilan de liaison d'un système RF ?

Le bilan de liaison d'un système RF offre une estimation de la puissance du signal attendue au niveau du récepteur, compte tenu de toutes les sources possibles de gain et de perte le long de la liaison sans fil.

La topologie d'un système RF avec son bilan de liaison est illustrée ci-dessous :

 

La liaison peut comporter une amplification (intégrée dans l'émetteur/récepteur ou ajoutée en tant que composant externe) tandis que les matériaux et les autres composants utilisés dans le système engendreront des pertes.

Le calcul de bilan de liaison vise à tenir compte des pertes et gains constatés dans le système lorsqu'un signal est transmis à un dispositif récepteur.

Définition du bilan de liaison

Dans le cas d'un système sans fil, le bilan de liaison est défini par la formule suivante :

Dans cette formule, les pertes comportent un signe négatif. Par conséquent, toute perte sera introduite dans cette formule comme une valeur en décibel positive.

Les différents termes de cette formule sont définis comme suit :

• P_t - Puissance de sortie de l'émetteur, ou puissance isotrope rayonnée équivalente sans gain d'antenne/amplificateur
• G_t - Gain de l'émetteur, en tenant compte du gain d'antenne et de tout gain d'amplificateur
• L_t - Perte de chaîne de signaux du côté émetteur
• L_fs - Affaiblissement en espace libre ou perte de puissance lors de la propagation entre les antennes d'émission et de réception
• L_m - Pertes diverses ou toute autre perte non incluse dans cette formule
• G_r - Gain du récepteur, en tenant compte du gain d'antenne et de tout gain d'amplificateur
• L_r - Perte de chaîne de signaux du côté récepteur

La puissance de l'émetteur correspond à la puissance de sortie sur la chaîne de signaux, dans le système émetteur. Une fois que le signal commence à se propager dans le circuit imprimé et vers l'antenne d'émission, il peut subir l'un des mécanismes de perte standard le long de l'interconnexion.

Affaiblissement en espace libre

L'affaiblissement en espace libre (L_fs) mentionné ci-dessus définit la perte attendue le long du chemin de propagation entre les deux antennes des dispositifs de transmission et de réception.

L'affaiblissement dans l'air dépend de la fréquence et de la distance entre les deux dispositifs :

Les termes de cette équation sont définis comme suit :

• FSPL - Affaiblissement en espace libre, mesuré en dB
• d - Distance de visibilité directe entre l'émetteur et le récepteur, mesurée en km
• f - La fréquence porteuse du signal transmis, mesurée en MHz

Cette équation ne tient pas compte de facteurs clés de la propagation, tels que les pertes d'absorption ou de diffusion dans l'air ou encore la présence d'obstacles le long du chemin de propagation (tels que des bâtiments). Ces facteurs peuvent augmenter considérablement l'affaiblissement en espace libre.

Calculateur de bilan de liaison

J'ai créé le calculateur suivant pour vous aider à obtenir une estimation simple et rapide du bilan de liaison dans votre système.

Ce calculateur tient compte de l'ensemble des facteurs de perte qui interviennent dans une liaison typique entre deux appareils et vous renseigne sur la puissance estimée du signal au niveau du récepteur, exprimée en dBm.

La puissance de sortie suit ici la définition donnée plus haut : il s'agit de la puissance isotrope rayonnée qui aurait été appliquée à l'antenne (avec un gain d'antenne = 0 dBi), mais qui a pu être concentrée avec une antenne directionnelle.

N'oubliez pas que le gain d'antenne est directionnel. Votre calcul ne sera donc valide que dans certaines directions.

Le calculateur utilise la convention des signes positifs, telle que définie dans la formule ci-dessus.

Résultat :

 dBm

 

Le résultat peut ensuite être comparé à la sensibilité du récepteur. Si le résultat calculé est inférieur à la sensibilité du récepteur, les pertes dans le système devront être réduites, les gains devront être augmentés ou les dispositifs devront être rapprochés.

Comment augmenter le bilan de liaison

Lorsqu'il s'avère que la valeur du bilan de liaison du système telle que calculée ci-dessus est trop faible, ce dernier doit être augmenté afin que le récepteur de votre appareil puisse lire le signal reçu.

Le moyen le plus simple d'augmenter la puissance perçue au niveau du récepteur consiste à appliquer des modifications au circuit imprimé et à l'entrée RF :

• Appliquer une amplification entre l'émetteur et l'antenne (ou entre l'antenne et le récepteur)
• Utiliser des matériaux à faible perte
• Utiliser une antenne avec un gain plus élevé (directivité)
• Rapprocher les appareils (réduire d)
• Modifier l'empilage pour réduire les pertes sur les lignes à impédance contrôlée.

Certains concepteurs commenceront par essayer de réduire les pertes sur le circuit imprimé en utilisant un matériau à faible perte.

Dans les plages sous-GHz, la perte liée aux matériaux sera déjà très faible (à la fois pour les diélectriques et pour le cuivre, comme je l'ai montré dans cet article sur la rugosité du cuivre). À des fréquences plus élevées (supérieures à 5 GHz), les matériaux à faible perte (cuivre et diélectriques) peuvent permettre de réduire de manière significative les pertes dans la chaîne de signaux RF.

Amplification côté émission

Nous aurons tendance, pour certaines applications RF, à accepter tout simplement l'amplification intégrée à l'appareil émetteur.

Ces appareils sont dotés d'un amplificateur de puissance intégré qui règle la puissance de sortie à la valeur fournie dans la fiche technique du composant. Ils fonctionnent souvent à un niveau proche de la saturation et il peut exister du contenu harmonique avec des produits d'intermodulation sur le signal.

Lors de la conception d'une chaîne de signaux, un amplificateur peut être placé sur la chaîne de signal afin de fournir une amplification supplémentaire le long du chemin du signal et d'augmenter ainsi la puissance envoyée à l'antenne.

Côté émission, comme l'émetteur a une puissance de sortie élevée, un signal à large bande envoyé vers un amplificateur de puissance peut entraîner un fonctionnement de l'amplificateur à un niveau proche de la saturation. Des produits d'intermodulation sont alors générés, ce qui se produit lorsque la fonction de transfert de l'amplificateur commence à s'exécuter de manière non linéaire.

C'est un problème pour les signaux modulés en fréquence, mais cela se produit également avec des signaux à large bande de manière générale.

Voici un exemple qui illustre la génération de produits d'intermodulation pour un signal modulé en fréquence :

Le problème avec ces pics est qu'ils sont difficiles à filtrer et risquent d'augmenter plus rapidement que le signal principal. Ce phénomène est illustré par la courbe de transfert typique d'un amplificateur de puissance présentée ci-dessous.

Pour éviter la génération de produits d'intermodulation, nous fixons normalement le point de compression de 1 dB comme limite pour la puissance d'entrée (en dBm) dans un amplificateur de puissance. 

• En savoir plus sur la façon dont les signaux harmoniques interagissent avec les circuits et dispositifs non linéaires

Amplification côté réception

Dans la description ci-dessus, j'ai mis l'accent sur l'amplification côté émission, mais vous pouvez également appliquer l'amplification côté réception.

Cela nécessite de placer un amplificateur faible bruit (LNA) sur le chemin du signal et de le régler sur la fréquence de fonctionnement, avec une bande passante suffisante pour amplifier uniformément l'ensemble du signal. Tant que le signal sur la chaîne de signaux côté récepteur est suffisamment intense, il peut être détecté au-dessus du bruit de fond dans le système.

Côté réception, la probabilité que l'amplificateur ou l'entrée du récepteur fonctionnent à un niveau proche de la saturation est bien plus faible, simplement parce que cela n'est pas nécessaire.

Il y a deux raisons à cela :

1. La puissance du signal côté réception sera probablement très faible. C'est la principale raison pour laquelle on peut chercher à appliquer une amplification. Cela signifie que la probabilité que l'amplificateur faible bruit fonctionne à saturation est réduite
2. Le signal côté réception n'a pas besoin d'un gain énorme. Il ne doit y avoir qu'un gain suffisant pour dépasser le seuil de sensibilité du récepteur.

Tant que vous pouvez dépasser le seuil de sensibilité du récepteur à la distance requise, vous avez appliqué suffisamment de gain. Cependant, vous devez mettre en parallèle ce résultat avec la spécification d'entrée maximale du récepteur, ce qui vous permettra de savoir quand l'entrée du récepteur commence à saturer.

Si l'amplification du récepteur est trop importante, vous devrez appliquer une exigence de distance minimale ! Équilibrez soigneusement l'amplification côté réception au risque de voir votre système dysfonctionner.

À des fréquences élevées (> 5-10 GHz), utilisez des pistes plus larges de 50 ohms

Une possibilité pour réduire les pertes consiste à modifier l'empilage de manière à réduire les pertes des lignes de transmission.

Si vous augmentez légèrement l'épaisseur du diélectrique externe, vous serez alors contraint d'augmenter aussi la largeur de la ligne, ce qui réduira les pertes de courant continu et d'effet de peau à des fréquences élevées.

Cette approche est également appropriée au-dessus de 5 à 10 GHz, et la réduction des pertes sera considérable à des fréquences très élevées atteignant la gamme des ondes millimétriques.

Cette stratégie peut être utilisée avec une conception à empilage hybride utilisant des matériaux PTFE à faible perte afin de réduire les pertes de manière significative.

• En savoir plus sur les empilages hybrides avec des diélectriques externes épais.

Lorsque tout le reste échoue, modifiez la distance

Au bout du compte, il est possible que, même après avoir appliqué toutes les améliorations possibles aux dispositifs de la chaîne de signaux, les deux dispositifs ne puissent tout simplement pas fonctionner à la distance souhaitée compte tenu de leurs capacités respectives.

Dans ce cas, vous devrez réduire la distance qui les sépare afin d'atténuer l'affaiblissement en espace libre. Bien sûr, si vous parvenez à mettre la main sur des récepteurs plus sensibles, des amplificateurs à saturation plus élevée et des antennes plus directives, vous pourrez continuer à augmenter autant que souhaité la distance entre vos appareils.

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