Jak implementovat anténní pole satcom s malými rozměry, hmotností, výkonem a náklady pomocí děličů výkonu a směrových sdružovačů SMD

Prostor kolem Země se rychle zaplňuje a v příštím desetiletí mají být vypuštěny tisíce dalších nových satelitů. To vytváří tlak na konstruktéry satelitní komunikace („satellite communication“, satcom) ze dvou stran. Zaprvé se dostupná šířka pásma pro satcom v tradičních pásmech L, C a X rychle vyčerpává. Zadruhé komerční stavitelé satelitů chtějí, aby jejich produkty k vypuštění byly lehčí a levnější.

Návrháři satcom reagují na nedostatek šířky RF pásma přesunem komunikace z tradičních satelitních pásem do RF pásem s vyššími frekvencemi, jako je pásmo Ku (12 až 18 GHz). Pásmo Ku nabízí potenciál větší propustnosti a je mnohem méně přetížené. S ohledem na požadavek minimální velikosti, hmotnosti, výkonu a nákladů („size, weight, power, and cost“, SWaP-C) reagují konstruktéři sestavováním klíčových prvků satelitu, jako je anténní pole, pomocí pokročilých zařízení pro povrchovou montáž v pouzdru („surface mount devices“, SMD).

V tomto článku jsou nastíněny výhody SMD děličů výkonu a směrových sdružovačů, klíčových pasivních prvků používaných v anténních polích satcom pásma Ku. V článku jsou představeny příklady zařízení od společnosti Knowles Dielectric Labs a je zde popsáno, jak tyto součástky splňují dnešní požadavky na malé rozměry, hmotnost a výkon a jak mohou konstruktéři využít klíčové výkonnostní charakteristiky těchto důležitých součástek k optimalizaci výkonu anténního pole.

Pokroky v anténních polích

Nedávný vývoj v oblasti antén satelitů a pozemních stanic zaznamenal odklon od antén s jednou anténou k anténním polím. Anténní pole kombinují dva nebo více prvků, z nichž každý funguje v podstatě jako minianténa. Mezi výhody anténních polí ve srovnání s konvenčními anténami pro aplikace satcom patří:

• Vyšší zisk
• Vyšší odstup signálu od šumu („signal-to-noise ratio“, SNR)
• Říditelné přenosové paprsky a zvýšená citlivost na příchozí signály z určitého směru
• Lepší příjem rozmanitosti (pomáhá překonat slábnutí signálu)
• Menší boční laloky ve vyzařovacím diagramu antény

Konvenční struktura pole obsahuje 3D cihlovou konfiguraci složenou z elektronických sestav umístěných vedle sebe a připojených pomocí více konektorů a kabelů. To zvyšuje objem a složitost anténního pole ve srovnání s parabolami s jednou anténou.

Řešení této objemnosti a složitosti vychází ze zaměření na malé rozměry, hmotnost, výkon a náklady, které eliminuje cihlovou strukturu vyplývající z čipových a drátových nebo hybridních výrobních technik. Novější návrhy se skládají z více mikropáskových 2D planárních prvků založených na substrátu desky plošných spojů s použitím pouzdra SMD. Tato planární konfigurace eliminuje potřebu mnoha konektorů a kabelů, zlepšuje faktor rozměrů, hmotnosti a výkonu a zároveň zvyšuje spolehlivost a zjednodušuje výrobu (obrázek 1).

Obrázek 1: Použití součástek SMD s malými rozměry, hmotností, výkonem a náklady (vpravo) umožňuje snížit objem anténních polí satcom ve srovnání s konvenčním 3D cihlovým uspořádáním (vlevo). (Zdroj obrázku: společnost Knowles DLI)

Zařízení SMD nejenže značně redukují objem anténního pole, ale také umožňují použití jediné automatizované montážní linky, což dramaticky snižuje náklady na výrobu ve srovnání s konvenčním přístupem založeným na čipu a drátu nebo hybridním přístupem. Montáž zařízení SMD pomáhá také urychlit dobu do uvedení na trh.

Takový pokrok byl umožněn díky nové generaci SMD součástek, které mohou ve vesmíru spolehlivě fungovat při vysokých provozních frekvencích. Zařízení se vyznačují inovativním dielektrikem, přísnou tolerancí, výrobou tenkých vrstev a novými topologiemi mikropáskových linek, které poskytují vysoký poměr výkon/půdorys.

Klíčové součásti anténního pole: dělič výkonu

Kritickým pasivním zařízením SMD v anténním poli je dělič výkonu. Jednotlivé děliče výkonu rozdělují příchozí signál na dva nebo více signálů pro distribuci mezi prvky antény tvořící pole. Ve své nejjednodušší formě rozděluje dělič výkonu vstupní výkon (s odečtením některých ztrát v obvodu) rovnoměrně napříč jednotlivými výstupními větvemi, ale jiné formy děličů výkonu umožňují, aby byl vstupní výkon sdílen přes výstupní větve proporcionálně.

Existuje několik konfigurací děličů výkonu, ale pro vysokofrekvenční aplikace mají děliče výkonu obvykle podobu Wilkinsonova mikropáskového vedení (obrázek 2). V základní podobě měří každá větev děliče jednu čtvrtinu vlnové délky příchozího RF signálu. Například pro příchozí signál se střední frekvencí 15 GHz by každá větev měla délku 5 mm. Větve fungují jako čtvrtvlnné impedanční transformátory.

K přizpůsobení výstupních portů se používá oddělovací rezistor. Vzhledem k tomu, že mezi výstupními porty je nulový potenciál, neprotéká rezistorem žádný proud, takže nepřispívá ke ztrátám odporem. Rezistor poskytuje také vynikající izolaci, i když se zařízení používá obráceně (jako slučovač výkonu), čímž omezuje přeslechy mezi jednotlivými kanály.

Obrázek 2: Základní Wilkinsonův dělič výkonu používá k přizpůsobení výstupním portům dva čtvrtvlnné impedanční transformátory a oddělovací rezistor. Porty 2 a 3 poskytují polovinu vstupního výkonu portu 1. (Zdroj obrázku: společnost Knowles DLI)

K omezení ztrát při rozdělování výkonu musí oba výstupní porty děliče výkonu vystupovat jako impedance 2 Zo. (Paralelní 2 Zo budou představovat celkovou impedanci Zo.)

Pro rovnoměrné rozdělení výkonu s R = 2 Z_o, pak:

Kde:

R = hodnota zakončovacího rezistoru připojeného mezi dva porty

Z_o = charakteristická impedance celého systému

Z_match = impedance čtvrtvlnných transformátorů ve větvích děliče výkonu

Matice rozptylu (matice S) obsahuje parametry rozptylu používané k popisu elektrického výkonu RF lineární sítě, jako je Wilkinsonův dělič výkonu. Na obrázku 3 je ukázána matice S pro jednoduchou formu děliče výkonu znázorněného na obrázku 2.

Obrázek 3: Matice rozptylu (matice S) pro Wilkinsonův dělič výkonu znázorněný na obrázku 2. (Zdroj obrázku: Steven Keeping)

Klíčové vlastnosti matice S zahrnují následující:

• S_ij = S_ji (zobrazení Wilkinsonova děliče výkonu lze použít také jako slučovač)
• Svorky jsou přizpůsobené (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• Výstupní svorky jsou izolované (S₂₃, S₃₂ = 0)
• Výkon je rozdělen rovnoměrně (S₂₁ = S₃₁)

Ztráty jsou minimalizovány, když jsou signály na portech 2 a 3 ve fázi a mají stejnou velikost. Ideální Wilkinsonův dělič výkonu dodává S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (−)3 dB (tj. polovinu vstupního výkonu na každém výstupním portu).

Mikropáskové Wilkinsonovy děliče výkonu jsou dobrým řešením pro aplikace anténního pole s malými rozměry, hmotností, výkonem a náklady. Komerční možnosti pro pásmo Ku zahrnují 16GHz obousměrný Wilkinsonův dělič výkonu PDW06401 společnosti Knowles Dielectric Labs. Know-how v oblasti výroby dielektrika a tenkých vrstev umožnilo společnosti Knowles vyrobit kompaktní zařízení SMD s nízkými ztrátami pro provoz s anténními poli satcom v pásmu Ku.

Model PDW06401 měří 3 × 3 × 0,4 mm a využívá materiály s nízkými ztrátami, které minimalizují změny výkonu v širokém rozsahu teplot. Charakteristická impedance pouzdra (Z₀) odpovídá požadavku 50 Ω potřebnému k minimalizaci poměru napětí stojatých vln („voltage standing wave ratio“, VWSR), a tedy útlumu odrazu ve vysokofrekvenčních RF systémech. Zařízení se vyznačuje nulovým nominálním fázovým posunem, vyrovnáním amplitudy ±0,25 dB a fázovým vyrovnáním ±5°. Nadměrné vložené ztráty jsou 0,5 dB. Na obrázku 4 je znázorněna frekvenční odezva děliče výkonu PDW06401.

Obrázek 4: Frekvenční odezva děliče výkonu PDW06401. RL představuje přizpůsobení svorek (S₁₁, S₂₂ atd.), Iso je izolace mezi výstupními porty (S₂₃, S₃₂) a IL je výstupní výkon (S₂₁, S₃₁). (Zdroj obrázku: společnost Knowles DLI)

Charakteristiky útlumu odrazu, izolace, vyrovnání amplitudy a fázového vyrovnání děliče výkonu jsou rozhodující pro výkon anténního pole následujícími způsoby:

• Útlum odrazu produktu by měl být nízký, protože větší útlumy přímo ohrožují maximální vysílanou nebo přijímanou energii paprsku.
• Izolace produktu by měla být vysoká, protože to ovlivňuje izolaci mezi signálovými cestami v anténním poli a zvyšuje jeho zisk.
• Vyrovnání amplitudy zařízení by se mělo blížit 0 dB, protože ovlivňuje výkon amplitudy a efektivní izotropní vyzářený výkon („Effective Isotropic Radiated Power“, EIRP) antény.
• Fázové vyrovnání zařízení by se mělo blížit rozdílu 0°, protože to podporuje maximální přenos výkonu a zajišťuje zamýšlenou délku fáze pro všechny větve v síti. Velká fázová nerovnováha zhorší EIRP a potenciálně změní vyzařovací diagram anténního pole formujícího paprsek.

Klíčové součásti anténního pole: směrový sdružovač

Směrový sdružovač je další součástkou, která hraje důležitou roli v anténních polích tím, že důsledně měří vysílací a přijímací výkon prvků pole. Směrový sdružovač je pasivní zařízení, které spojuje známé množství vysílaného nebo přijímaného výkonu do jiného portu, ve kterém jej lze měřit. Sdružení se typicky dosahuje umístěním dvou vodičů blízko sebe tak, že energie procházející jedním vedením se sdružuje s druhým.

Zařízení má čtyři porty: vstupní, vysílací, sdružený a izolovaný. Hlavní přenosové vedení se nachází mezi porty 1 a 2. Izolovaný port je zakončen interní nebo externí přizpůsobenou zátěží (typicky 50 Ω), zatímco sdružený port (3) se používá k odběru sdružené energie. Sdružený port obvykle dodává zlomek energie hlavního vedení a má často menší konektor, který ho odlišuje od portů 1 a 2 hlavního vedení. Sdružený port lze použít k získání informací o úrovni výkonu signálu a frekvenci bez přerušení hlavního toku energie v systému. Výkon vstupující do vysílacího portu proudí do izolovaného portu a neovlivňuje výstup sdruženého portu (obrázek 5).

Obrázek 5: Sdružený port (P3) děliče výkonu předává část výkonu dodávaného do vstupního portu (P1), přičemž zbytek prochází vysílacím portem (P2). Izolovaný port (P4) je zakončen interní nebo externí přizpůsobenou zátěží. (Zdroj obrázku: Spinningspark na webu Wikipedia)

Klíčovou vlastností sdružovače je činitel vazby.

Ten je definován jako:

Nejjednodušší forma činitele vazby se vyznačuje pravoúhlou topologií, přičemž sdružená vedení probíhají vedle sebe po jednu čtvrtinu vlnové délky vstupního signálu (např. 5 mm pro 15GHz signál). Tento typ činitele vazby typicky produkuje na portu 3 polovinu vstupního výkonu (tj. má činitel vazby 3 dB), přičemž výkon na vysílacím portu je rovněž snížen o 3 dB (obrázek 6).

Obrázek 6: Nejjednodušší forma směrového sdružovače se vyznačuje sdružovacími vedeními probíhajícími vedle sebe po čtvrtinu vlnové délky frekvence vstupního signálu. (Zdroj obrázku: Spinningspark na webu Wikipedia)

Stejně jako v případě děliče výkonu existují některé klíčové vlastnosti směrového sdružovače, které ovlivňují výkon anténního pole. Mezi tyto vlastnosti patří následující:

• Ztráta hlavního vedení by měla být minimalizována, aby se zvýšil zisk anténního pole. Tato ztráta je způsobena odporovým ohřevem hlavního vedení a je oddělená od ztráty vazby. Celková ztráta hlavního vedení je kombinací odporových tepelných ztrát a ztrát vazby.
• Ztráta vazby je snížení výkonu v důsledku energie přenesené do sdruženého a izolovaného portu. Za předpokladu přiměřené směrovosti by výkon neúmyslně přenesený na izolovaný port měl být zanedbatelný ve srovnání s výkonem přeneseným záměrně na sdružený port.
• Útlum odrazu by měl být minimalizován. Jde o míru množství signálu, který se vrátí nebo odrazí směrovým sdružovačem.
• Vložené ztráty by měly být také minimalizovány. Jde o poměr úrovně signálu v testovací konfiguraci bez přítomnosti směrového sdružovače ve srovnání s poměrem, kdy je součástka přítomna.
• Izolace by měla být maximalizována. Jde o rozdíl úrovně výkonu mezi vstupním portem a izolovaným portem.
• Směrovost by měla být maximalizována. Jde o rozdíl úrovně výkonu mezi portem 3 a portem 4 směrového sdružovače a souvisí s izolací. Je to měřítko nezávislosti sdruženého a izolovaného portu.

Zatímco RF směrové sdružovače mohou být implementovány pomocí různých technik, je to právě typ mikropáskového vedení, které je v aplikacích satcom s malými rozměry, hmotností, výkonem a náklady oblíbený kvůli své malé velikosti. Jedním z příkladů je směrový sdružovač FPC06078 společnosti Knowles. Zařízení je SMD zařízení mikropáskového vedení o rozměrech 2,5 × 2,0 × 0,4 mm. Má rozsah provozních teplot −55 °C až +125 °C a charakteristickou impedanci 50 Ω.

Zatímco činitel vazby je závislý na frekvenci, vysoce kvalitní směrový sdružovač bude vykazovat relativně plochou frekvenční odezvu vazby. Z obrázku 7 níže je patrné, že zařízení společnosti Knowles vykazuje nominální činitel vazby 20 dB, který se v provozním rozsahu 12 až 18 GHz liší pouze o 2 dB. Směrový sdružovač FPC06078 má vložené ztráty 0,3 dB a minimální útlum odrazu 15 dB. Směrovost zařízení je 14 dB (obrázek 8).

Obrázek 7: Zobrazena je frekvenční odezva směrového sdružovače FPC06078. Zařízení vykazuje jmenovitý činitel vazby −20 dB a nízké vložené ztráty 0,3 dB. (Zdroj obrázku: společnost Knowles DLI)

Obrázek 8: Znázorněn je graf směrovosti směrového sdružovače FPC06078. Pro vyšší výkon anténního pole by měla být maximalizována směrovost, která souvisí s izolací. (Zdroj obrázku: společnost Knowles DLI)

Závěr

Konstruktéři reagují na poptávku po malých rozměrech, hmotnosti, výkonu a nákladech v aplikacích satcom použitím kompaktních pasivních součástek SMD. Mezi příklady patří děliče výkonu a směrové sdružovače používané při výrobě anténních polí satelitů.

Výběrem kvalitních kompaktních pasivních zařízení SMD – která slibují vynikající výkon díky konstrukci mikropáskového vedení a keramickým materiálům s vysokými dielektrickými vlastnostmi – mohou konstruktéři pro aplikace satcom využít výhod RF pásem s vyššími frekvencemi. Kromě toho tato nová generace SMD děličů výkonu a směrových sdružovačů umožňuje konstruktérům přijít s menšími a lehčími anténními poli, přičemž současně zvyšuje zisk antén a možnosti formování paprsku.