Nozioni di base sulla catena del segnale RF e sul bilancio di collegamento

I dispositivi IoT implementati sul campo avranno generalmente due mezzi per comunicare tra loro: tramite un cavo o in modalità wireless. Nella comunicazione wireless, c'è una quantità usata per descrivere quanta potenza arriva a un ricevitore wireless: il bilancio di collegamento. In un sistema wireless che collega due dispositivi, il bilancio di collegamento deve tenere conto di tutte le fonti di guadagno e perdita che influiscono sull'erogazione di potenza all'antenna ricevente. Se stai progettando un dispositivo IoT wireless e sai come calcolare il bilancio di collegamento, puoi stimare ragionevolmente se il tuo segnale raggiungerà la sua destinazione e verrà letto dal ricevitore.

Per calcolare il bilancio di collegamento, il progettista deve conoscere tutte le altre fonti di guadagno e perdita nel sistema. Una volta determinato il bilancio di collegamento, il progettista può valutare se è necessaria qualche modifica nella catena del segnale RF. Tali modifiche potrebbero includere: lo scambio di set di materiali, la riprogettazione di uno stack-up per una perdita inferiore, l'aggiunta di amplificatori e filtri o la modifica di elementi esistenti nella catena RF.

Per aiutarti a determinare il bilancio di collegamento nel tuo sistema e se la tua catena del segnale RF ha bisogno di un aggiornamento, ho fornito tre strumenti in questo articolo:

• La formula del bilancio di collegamento
• Un calcolatore del bilancio di collegamento
• La formula di attenuazione di spazio libero

Con questi strumenti è possibile calcolare il bilancio di collegamento e determinare se sono necessari componenti aggiuntivi lungo la catena del segnale RF. Conoscere il bilancio di collegamento e confrontare la potenza ricevuta con la sensibilità del ricevitore consentirà ai progettisti di determinare se la loro catena del segnale ha bisogno di modifiche. Descriverò le potenziali modifiche necessarie al tuo sistema in questa guida.

Cos'è il bilancio di collegamento per un sistema RF?

Il bilancio di collegamento in un sistema RF fornisce una stima della potenza a cui ci si aspetterebbe di arrivare in un ricevitore considerate tutte le possibili fonti di guadagno e perdita lungo un collegamento wireless. La topologia di un sistema RF con il relativo bilancio di collegamento è illustrata di seguito:

Lungo il collegamento può essere presente un'amplificazione (integrata nel trasmettitore/ricevitore o posizionata come componente esterno) e si verificheranno perdite dai materiali e dagli altri componenti utilizzati nel sistema. Un calcolo del bilancio di collegamento tiene conto di queste perdite e guadagni nel sistema mentre un segnale viene trasmesso a un dispositivo ricevente.

Definizione del bilancio di collegamento

Il bilancio di collegamento in un sistema wireless è definito con la seguente formula:

In questa formula, le perdite hanno un segno negativo, quindi una perdita verrebbe inserita in questa formula come un valore positivo in decibel. I vari termini di questa formula sono definiti come segue:

• P_t - Potenza del trasmettitore in uscita, o la potenza equivalente che verrebbe irradiata in modo isotropico senza guadagno di antenna/amplificatore
• G _t - Guadagno del trasmettitore, tenendo conto del guadagno dell'antenna e dell'eventuale guadagno dell'amplificatore
• L_t - Perdita della catena del segnale lato trasmettitore
• L _fs - Perdita del percorso nello spazio libero o perdita di potenza durante la propagazione tra antenne trasmittenti e riceventi
• L_m - Perdite varie o qualsiasi altra perdita non inclusa in questa formula
• G _r - Guadagno del ricevitore, che tiene conto del guadagno dell'antenna e dell'eventuale guadagno dell'amplificatore
• L_r - Perdita della catena del segnale lato ricevitore

La potenza del trasmettitore è la potenza in uscita verso la catena del segnale nel sistema di trasmissione. Una volta che il segnale inizia a propagarsi nel PCB e nell'antenna di trasmissione, potrebbe verificarsi uno dei meccanismi di perdita standard lungo l'interconnessione.

Perdita del percorso nello spazio libero

La perdita del percorso nello spazio libero (L_fs) sopra elencata definisce la perdita attesa lungo il percorso di propagazione tra le due antenne dei dispositivi trasmittenti e riceventi. La perdita del percorso in aria dipende dalla frequenza e dalla distanza tra i due dispositivi:

I termini in questa equazione sono definiti come:

• FSPL - Attenuazione di spazio libero, misurata in dB
• d - Distanza della linea di visualizzazione tra il trasmettitore e il ricevitore, misurata in km
• f - La frequenza portante del segnale trasmesso, misurata in MHz

Questa equazione non tiene conto di fattori importanti nella propagazione, come l'assorbimento o lo scattering di perdite nell'aria, o della presenza di ostruzioni lungo il percorso di propagazione (come gli edifici). Questi fattori possono aumentare significativamente la perdita del percorso nello spazio libero.

Calcolatore del bilancio di collegamento

Per ottenere una stima rapida e semplice del bilancio di collegamento nel tuo sistema RF, ho creato il seguente calcolatore che include tutti i fattori di perdita in un collegamento tipico tra due dispositivi. Questo calcolatore restituisce l'intensità del segnale stimata che arriva al ricevitore, espressa in dBm. L'uscita di potenza qui segue la definizione di cui sopra: si riferisce alla potenza data all'antenna che sarebbe stata irradiata in modo isotropico (con guadagno dell'antenna = 0 dBi), ma potrebbe invece essere concentrata con un'antenna direzionale. Ricorda che il guadagno dell'antenna è direzionale, quindi il calcolo sarà valido solo in determinate direzioni.

La calcolatrice utilizza la convenzione dei segni positivi, come definita nella formula sopra riportata.

Il risultato può quindi essere confrontato con il livello di sensibilità del ricevitore. Se il risultato calcolato è inferiore alla sensibilità del ricevitore, occorre ridurre le perdite del sistema, aumentare i guadagni o avvicinare i dispositivi.

Come aumentare il bilancio di collegamento

Quando si rileva che il valore del bilancio di collegamento del sistema calcolato sopra è troppo basso, è necessario incrementarlo in modo che il ricevitore del dispositivo possa leggere il segnale ricevuto. Il modo più semplice per aumentare la potenza rilevata dal ricevitore consiste nell'applicare modifiche al PCB e al front-end RF:

• Applicare l'amplificazione tra il trasmettitore e l'antenna (o tra l'antenna e il ricevitore)
• Utilizzare materiali con perdite inferiori
• Utilizzare un'antenna con un guadagno (direttività) più elevato
• Posizionare i dispositivi più vicini tra loro (ridurre d)
• Modificare lo stack-up per ridurre le perdite sulle linee a impedenza controllata

Alcuni progettisti inizieranno cercando di ridurre le perdite sul PCB utilizzando un materiale con perdite inferiori. Negli intervalli inferiori di GHz, la perdita di materiale sarà già molto ridotta (sia dai dielettrici che dal rame, come ho mostrato in questo articolo sulla rugosità del rame). A frequenze più elevate (sopra i 5 GHz), i materiali a bassa perdita (sia rame che dielettrici) possono avere un effetto sostanziale sulla diminuzione delle perdite nella catena del segnale RF.

Amplificazione del lato di trasmissione

In alcune applicazioni RF è presente una tendenza ad accettare semplicemente l'amplificazione integrata nel dispositivo di trasmissione. Questi dispositivi sono dotati di un amplificatore di potenza integrato che imposta la potenza di uscita sul valore fornito nella scheda tecnica del componente. Questi amplificatori spesso operano a valori vicini alla saturazione e può esserci del contenuto armonico con i prodotti di intermodulazione presenti sul segnale. Quando si progetta una catena del segnale, è possibile inserirvi un amplificatore che fornirà un'ulteriore amplificazione lungo il percorso del segnale e ciò aumenterà la quantità di potenza inviata all'antenna.

Sul lato della trasmissione, poiché il trasmettitore ha un'elevata potenza di uscita, un segnale a banda larga alimentato in un amplificatore di potenza può portare l'amplificatore vicino alla saturazione. Il risultato è la generazione di prodotti di intermodulazione, che si verificano quando la funzione di trasferimento dell'amplificatore inizia a funzionare in modo non lineare. Questo è un problema nei segnali a modulazione di frequenza, ma in generale si verificherà anche nei segnali a banda larga. Di seguito è riportato un esempio che mostra la generazione di prodotti di intermodulazione per un segnale modulato di frequenza:

Il problema con questi picchi è che sono difficili da filtrare e possono aumentare più rapidamente rispetto al segnale principale. Ciò è illustrato dalla tipica curva di trasferimento dell'amplificatore di potenza mostrata di seguito. Per prevenire questa generazione di prodotti di intermodulazione, in genere impostiamo il punto di compressione di 1 dB come limite per la potenza di ingresso (in dBm) in un amplificatore di potenza. 

• Ulteriori informazioni su come i segnali armonici interagiscono con circuiti e dispositivi non lineari

Amplificazione lato ricezione

Nella descrizione di cui sopra, mi sono concentrato sull'amplificazione sul lato della trasmissione, ma potresti anche applicare l'amplificazione sul lato della ricezione. Ciò richiederebbe il posizionamento di un amplificatore a basso rumore (LNA) nel percorso del segnale regolato alla frequenza operativa e dotato di sufficiente larghezza di banda per amplificare uniformemente l'intero segnale. Finché il segnale nella catena del segnale del ricevitore è sufficientemente intenso, può essere rilevato al di sopra del rumore di fondo del sistema.

Dal lato del ricevitore, è molto meno probabile che tu utilizzi l'amplificatore o l'ingresso del ricevitore fino a livelli di saturazione, semplicemente perché non hai necessità di farlo. Ci sono due ragioni per questo:

1. La potenza del segnale sul lato di ricezione sarà probabilmente molto bassa, motivo per cui puoi provare ad applicare l'amplificazione in primo luogo. Ciò significa che è meno probabile che l'LNA operi a livelli di saturazione
2. Il segnale sul lato di ricezione non richiede un guadagno enorme, bensì deve solo avere un guadagno sufficiente per superare la soglia di sensibilità del ricevitore.

Fintanto che è possibile superare la soglia di sensibilità del ricevitore al requisito di distanza specificato, avrai applicato un guadagno sufficiente. Tuttavia, è necessario bilanciarlo rispetto alla specifica massima dell'ingresso del ricevitore, poiché indica quando l'ingresso del ricevitore inizia a saturarsi. Se l'amplificazione del ricevitore è troppo alta, avrai un requisito di distanza minima da applicare! Bilancia l'amplificazione lato ricezione con attenzione, in quanto può causare un funzionamento errato del sistema.

Ad alte frequenze (>5-10 GHz), utilizza tracce più larghe di 50 Ohm

Un'opzione per ridurre le perdite consiste nell'applicare modifiche allo stack-up in modo da poter ridurre le perdite sulla linea di trasmissione. Se aumenti leggermente lo spessore del dielettrico esterno, dovrai aumentare la larghezza della linea, riducendo così le perdite per effetto DC e skin alle alte frequenze. Ciò è appropriato anche al di sopra di ~5-10 GHz, e la riduzione della perdita sarà considerevole a frequenze molto alte che raggiungono la gamma mmWave. Questa strategia potrebbe essere utilizzata con un design stackup ibrido che impiega materiali PTFE a basse perdite per ridurre significativamente le perdite.

• Scopri di più sugli stack-up ibridi con dielettrici esterni spessi.

Quando tutto il resto non funziona, cambia la distanza

Infine, è possibile che tutti i miglioramenti nei dispositivi della catena del segnale RF siano stati applicati e che i due dispositivi semplicemente non siano in grado di funzionare alla distanza desiderata, date le rispettive capacità operative. In questo caso dovrai diminuire la distanza tra i due dispositivi per ridurre la perdita di attenuazione di spazio libero. Se riesci a procurarti ricevitori più sensibili, amplificatori a saturazione più elevata e antenne a direttività più elevata, puoi continuare ad aumentare la distanza tra i dispositivi.

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