Dla inżynierów zajmujących się analizą obwodów innych niż RF lub rzeczywistą pracą na płytkach drukowanych i komputerach stacjonarnych, głównymi parametrami sygnału, które ich interesują, są napięcie i prąd w określonych punktach projektu. Parametry te można zmierzyć za pomocą woltomierza, oscyloskopu lub rezystora pomiarowego prądu.
Z kolei pracownicy zajmujący się przewodowymi i bezprzewodowymi polami RF skupiają się na mocy w watach lub miliwatach (mW) lub decybelach (dB) w przeliczeniu na 1 mW (dBm). Jednakże pomiar mocy RF nie jest łatwym zadaniem, ponieważ nie ma czegoś takiego jak proste napięcie lub prąd, które zakłócałyby punkt odbioru sygnału transmisji mocy. Wręcz przeciwnie, do oceny poziomów mocy RF należy stosować unikalne nadajniki sygnału i schematy.
Jedną z najpopularniejszych metod jest sprzęgacz kierunkowy, będący urządzeniem pasywnym, które może zarówno „odbierać” sygnały RF o określonym stopniu sprzężenia, jak i zapewniać wysoką izolację pomiędzy sygnałem a portem próbkowania.
Jest to w pełni sprawdzona technologia, która pozwala nam zrozumieć zasadę działania sprzęgaczy kierunkowych. Następnie zbadamy, w jaki sposób postęp materiałowy może wpłynąć na rozwój łączników, redukując je do urządzeń z technologią mikromontażu powierzchniowego (SMT), odpowiednich do obwodów małej mocy.
Zasada działania sprzęgacza kierunkowego
Uniwersalny sprzęgacz czteroportowy posiada pasywną funkcję RF, obejmującą port sprzęgający (do przodu) i port izolujący (do tyłu lub odbicie) (Rysunek 1, górny rysunek). Sprzęgacz kierunkowy to konstrukcja trójportowa, która nie wymaga stosowania izolowanych portów; Ta konfiguracja jest używana w zastosowaniach, które wymagają tylko jednego wyjścia ze sprzężeniem w przód (kierunkowym) (Rysunek 1, rysunek poniżej).
Zadaniem sprzęgacza kierunkowego jest pobieranie próbek mocy w linii przesyłowej sygnału bez zmiany charakterystyki linii. Przypomina to trochę użycie woltomierza o wysokiej impedancji, aby uniknąć dodatkowego obciążenia zasilacza na linii testowej.
Dzięki tej technologii sprzęgania kierunkowego do pomiaru mocy sygnału można używać prostych detektorów niskiego poziomu lub mierników natężenia pola i urządzeń do pomiaru mocy. Niewielka część stałej mocy wejściowej będzie padać z portu wejściowego P1 do portu sprzęgającego P3 w celach pomiarowych. Pozostała moc wejściowa jest przesyłana (określana jako przepustowość lub moc wyjściowa) do portu transmisyjnego P2.
Ważną zaletą sprzęgaczy kierunkowych jest ich jednokierunkowa charakterystyka sprzęgania mocy; Tylko sprzęgająca jednokierunkowa moc transmisji; Jakakolwiek nieoczekiwana moc wpływająca do portu wyjściowego zostanie połączona z nieużywanym portem izolacji terminala P4 zamiast portu P3, ale ta sytuacja nie będzie zakłócać kierunkowego przepływu sprzęgacza kierunkowego.
Rysunek 1: Sprzęgacz kierunkowy to trzyportowe, pasywne urządzenie funkcjonalne RF, które może przenosić część mocy padającej na P1 do portu sprzęgającego P3 w celu pomiaru bez wpływu na główną pojedynczą ścieżkę z portu wejściowego P1 do portu transmisyjnego (wyjściowego) P2; Sprzęgacz kierunkowy jest jednokierunkowym urządzeniem podrzędnym czteroportowego sprzęgacza dwukierunkowego. (Źródło obrazu: Wikipedia)
Te parametry najwyższego poziomu służą do określania sprzęgaczy kierunkowych:
Stopień sprzężenia: Proporcja mocy wejściowej (w P1) przekazywana do portu sprzęgającego (P3).
Kierunkowość: Ten parametr reprezentuje zdolność sprzęgacza do rozróżnienia propagacji fali do przodu i do tyłu, co można zaobserwować z portu sprzęgającego (P3) i portu izolującego (P4).
Izolacja: Moc dostarczana do niesprzężonych obciążeń (P4).
Tłumienie wtrąceniowe: odnosi się do tłumienia mocy wejściowej w porcie transmisyjnym, w tym części mocy kierowanej do portu sprzęgającego i portu izolacyjnego.
Strata powrotna: Ten parametr reprezentuje moc odbitą z powrotem do portu P1 z powodu niedopasowania impedancji.
Zastosowanie zaawansowanych materiałów może zmniejszyć objętość sprzęgaczy kierunkowych
Istnieje wiele metod konstruowania sprzęgaczy kierunkowych. Z historycznego punktu widzenia sprzęgacze kierunkowe zostały osiągnięte za pomocą falowodów lub kabli koncentrycznych, które są nadal niezbędne w zastosowaniach o większej mocy. Jednak nowoczesne obwody RF niskiej klasy, takie jak te w stacjach bazowych, wymagają znacznie mniejszych sprzęgaczy. Można to osiągnąć stosując linie paskowe lub procesy mikropaskowe na podłożach ceramicznych o wysokiej stałej dielektrycznej.
Linia mikropaskowa to technologia płaskiej linii przesyłowej, w której wykorzystuje się pasek przewodzący odizolowany od płaszczyzny uziemienia za pomocą podłoża dielektrycznego. Kompletne urządzenia, takie jak anteny, sprzęgacze, filtry i dzielniki mocy, są utworzone przez metalizowane struktury na podłożu i charakteryzują się dużą precyzją wymiarową. W porównaniu z innymi technologiami linii przesyłowych małe urządzenia zbudowane w technologii linii mikropaskowych są lżejsze, bardziej kompaktowe i zazwyczaj tańsze. Ten typ urządzenia może obsługiwać średni poziom mocy około dziesięciu watów.
Używanie materiałów o wysokiej K jako podłoży może skrócić długość fali sygnałów RF i zmniejszyć całkowity rozmiar urządzenia. Należy pamiętać, że w literaturze akademickiej czasami używa się małych liter „k”, co w bardziej formalnych materiałach określa się jako „kappa”.
Wykorzystując sprzęgacze kierunkowe wykonane z materiałów o wysokiej zawartości K oraz wysoce precyzyjną technologię cienkowarstwowego procesu mikropaskowego firmy Knowles, projektanci RF mogą zmniejszyć rozmiar, wagę i moc (SWaP) obwodów RF, zachowując jednocześnie ścisłe tolerancje wydajności.
Zalety i efekty tych materiałów o wysokiej zawartości K są bardzo znaczące, jak pokazano na rysunku 2: stałe dielektryczne i odpowiadające im długości fal trzech popularnych materiałów dielektrycznych (PTFE, FR-4 i tlenek glinu) oraz trzech niestandardowych podłoży opracowanych przez Knowles (PG, CF i CG) przy 25 gigahercach (GHz). Ich podłoże CF ma stałą dielektryczną 25, podczas gdy stała dielektryczna materiału FR-4 wynosi 4,8. Dlatego urządzenia wykonane z materiału CF mają długość fali skróconą do 2/5 urządzeń z materiału FR-4, co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiarów urządzenia.