Cum se implementează rețelele de antene SWaP-C pentru comunicații prin satelit folosind divizoare de putere SMD și cuploare direcționale

Spațiul din jurul Pământului se umple rapid, iar mii de sateliți noi urmează să fie lansați în următorul deceniu. Acest lucru pune presiune din două direcții asupra proiectanților de comunicații prin satelit. În primul rând, lățimea de bandă disponibilă pentru comunicațiile prin satelit în benzile tradiționale L, C și X se epuizează rapid. În al doilea rând, constructorii de sateliți comerciali doresc ca produsele lor să fie mai ușoare și ca lansarea acestora să coste mai puțin.

Proiectanții de comunicații prin satelit răspund la lipsa lățimii de bandă RF prin mutarea comunicațiilor din benzile tradiționale de satelit în benzile RF de frecvență mai mare, cum ar fi Ku (12-18 gigahertzi (GHz)). Banda Ku oferă potențialul unui debit mai mare și este mult mai puțin aglomerată. În ceea ce privește cererea de dimensiuni, greutate, putere și costuri minime („SWaP-C”), proiectanții răspund prin construirea unor elemente cheie ale satelitului, cum ar fi rețeaua de antene, folosind dispozitive de montare pe suprafață (SMD) cu încapsulare avansată.

Acest articol prezintă avantajele divizoarelor de putere SMD și ale cuploarelor direcționale, elemente pasive cheie utilizate în rețelele de antene de comunicații prin satelit în banda Ku. Articolul prezintă exemple de dispozitive de la Knowles Dielectric Labs, descrie modul în care aceste componente îndeplinesc cerințele actuale de valori SWaP reduse și modul în care proiectanții pot utiliza caracteristicile cheie de performanță ale acestor componente vitale pentru a optimiza performanța rețelelor de antene.

Progrese în domeniul rețelelor de antene

Evoluțiile recente din domeniul antenelor de satelit și al antenelor terestre au dus la trecerea de la sisteme cu o singură antenă la rețele de antene. Rețelele de antene combină două sau mai multe elemente, fiecare dintre acestea funcționând, în esență, ca o mini antenă. Avantajele rețelelor de antene în comparație cu o antenă convențională pentru aplicațiile de comunicații prin satelit includ:

• Câștig mai mare
• Raport semnal-zgomot (SNR) crescut
• Fascicule de transmisie dirijabile și sensibilitate sporită la semnalele primite dintr-o anumită direcție
• Recepție mai bună în diversitate (ajută la depășirea pierderii semnalului)
• Lobi laterali mai mici în modelul de radiație al antenei

Structura convențională a rețelei cuprinde o configurație de tip cărămidă 3D alcătuită din ansambluri electronice plasate unul lângă altul și atașate cu ajutorul mai multor conectori și cabluri. Acest lucru mărește volumul și complexitatea unei rețele de antene, în comparație cu sistemele cu o singură antenă.

Acest volum și această complexitate au fost depășite prin punerea accentului pe un SWaP-C scăzut care elimină structura de tip cărămidă rezultată din tehnicile de fabricare cu cip și fire sau cele hibride. Proiectele mai noi sunt alcătuite din mai multe elemente planare 2D microstrip bazate pe un substrat de placă de circuite imprimate care utilizează capsulă SMD. Această configurație planară elimină nevoia de utilizare a mai multor conectori și cabluri, îmbunătățind SWaP, sporind în același timp fiabilitatea și simplificând producția (Figura 1).

Figura 1: utilizarea componentelor SMD cu SWaP-C redus (dreapta) permite reducerea volumului rețelelor de antene de comunicații prin satelit în comparație cu un ansamblu convențional de tip cărămidă 3D (stânga). (Sursa imaginii: Knowles DLI)

SMD-urile nu numai că reduc considerabil volumul rețelei de antene, dar permit și utilizarea unei singure linii de asamblare automatizate, reducând în mod semnificativ costul de producție în comparație cu o abordare convențională cu cipuri și fire sau o abordare hibridă. De asemenea, asamblarea SMD contribuie la accelerarea timpului de lansare pe piață.

Aceste progrese au devenit posibile datorită unei noi generații de componente SMD care pot funcționa în mod fiabil în spațiu la frecvențe operaționale ridicate. Dispozitivele dispun de dielectrici inovatori, toleranță strânsă, fabricare cu peliculă subțire și topologii noi de linii microstrip pentru a oferi un raport performanță/amprentă mare.

Componente cheie ale rețelei de antene: divizorul de putere

Un SMD pasiv critic în rețeaua de antene este divizorul de putere. Divizoarele de putere individuale împart un semnal de intrare în două sau mai multe semnale pentru a le distribui pe elementele antenei care alcătuiesc rețeaua. În forma sa cea mai simplă, divizorul de putere împarte puterea de intrare (minus unele pierderi din circuit) în mod egal pe fiecare tronson de ieșire, dar alte forme de divizoare de putere permit împărțirea proporțională a puterii de intrare pe tronsoanele de ieșire.

Există mai multe configurații pentru divizoarele de putere, dar pentru aplicațiile de înaltă frecvență, divizoarele de putere au, de obicei, un design Wilkinson cu linie microstrip (Figura 2). În forma de bază, fiecare tronson al divizorului măsoară un sfert din lungimea de undă a semnalului de RF de intrare. De exemplu, pentru un semnal de intrare cu o frecvență centrală de 15 GHz, fiecare tronson ar avea o lungime de 5 milimetri (mm). Tronsoanele funcționează ca transformatoare de impedanță cu un sfert de lungime de undă.

Se utilizează un rezistor de izolare pentru a adapta porturile de ieșire; deoarece există un potențial zero între porturile de ieșire, prin rezistor nu trece curent, astfel încât acesta nu contribuie la pierderile rezistive. De asemenea, rezistorul asigură o izolare excelentă, chiar și atunci când dispozitivul este utilizat în sens invers (ca un sumator de putere), limitând astfel diafonia între canalele individuale.

Figura 2: divizorul de putere Wilkinson de bază utilizează două transformatoare de impedanță cu o lungime de un sfert de undă și un rezistor de izolare pentru a adapta porturile de ieșire. Porturile 2 și 3 furnizează fiecare câte jumătate din puterea de intrare a portului 1. (Sursa imaginii: Knowles DLI)

Pentru a limita pierderile pe măsură ce puterea este împărțită, cele două porturi de ieșire ale divizorului de putere trebuie să apară fiecare ca o impedanță de 2 Zo. (Valoarea de 2 Zo în paralel va prezenta o impedanță totală de Zo.)

Pentru o distribuție egală a puterii cu R = 2 Z_o, atunci:

Unde:

R = valoarea rezistorului de terminație conectat între cele două porturi

Z_o = impedanța caracteristică a întregului sistem

Z_match = impedanța transformatoarelor cu un sfert de undă din tronsoanele divizorului de putere.

O matrice de împrăștiere (matrice S) conține parametrii de împrăștiere utilizați pentru a descrie performanța electrică a unei rețele liniare RF, cum ar fi un divizor de putere Wilkinson. Figura 3 prezintă matricea S pentru forma simplă a divizorului de putere prezentat în Figura 2.

Figura 3: matricea de împrăștiere (matrice S) pentru divizorul de putere Wilkinson prezentat în Figura 2. (Sursa imaginii: Steven Keeping)

Caracteristicile cheie ale matricei S includ următoarele:

• S_ij = S_ji (ce arată că divizorul de putere Wilkinson poate fi folosit și ca un sumator)
• Terminalele sunt adaptate (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• Terminalele de ieșire sunt izolate (S₂₃, S₃₂ = 0)
• Puterea este împărțită în mod egal (S₂₁ = S₃₁)

Pierderile sunt reduse la minimum atunci când semnalele de la porturile 2 și 3 sunt în fază și au magnitudine egală. Un divizor de putere Wilkinson ideal furnizează S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3 decibeli (dB) (adică jumătate din puterea de intrare la fiecare port de ieșire).

Divizoarele de putere Wilkinson cu linie microstrip sunt o soluție bună pentru aplicațiile rețelelor de antene cu SWaP-C redus. Opțiunile comerciale pentru banda Ku includ divizorul de putere Wilkinson cu două căi PDW06401 de 16 GHz de la Knowles Dielectric Labs. Cunoștințele experților de la Knowles legate de fabricarea cu peliculă subțire și a dielectricilor le-au permis să fabrice un SMD cu pierderi reduse, dar compact, pentru utilizare cu rețele de antene de comunicații prin satelit în banda Ku.

PDW06401 măsoară 3 x 3 x 0,4 mm și utilizează materiale cu pierderi reduse care minimizează variația performanțelor pe o gamă largă de temperaturi. Impedanța caracteristică a capsulei (Z₀) corespunde cerinței de 50 ohmi (Ω) necesară pentru a minimiza raportul de undă staționară de joasă tensiune (VWSR) și, prin urmare, pierderile la retur în sistemele RF de înaltă frecvență. Dispozitivul prezintă un defazaj nominal zero, un echilibru de amplitudine de ±0,25 dB și un echilibru de fază de ± 5°. Pierderile la inserție în exces sunt de 0,5 dB. Figura 4 ilustrează răspunsul în frecvență al divizorului de putere PDW06401.

Figura 4: răspunsul în frecvență al divizorului de putere PDW06401. RL reprezintă adaptarea terminalelor (S₁₁, S_22, etc.), Iso este izolarea între porturile de ieșire (S₂₃, S₃₂), iar IL este puterea de ieșire (S₂₁, S₃₁). (Sursa imaginii: Knowles DLI)

Caracteristicile legate de pierderile la retur, izolare, echilibrul de amplitudine și echilibrul de fază ale unui divizor de putere sunt esențiale pentru performanța rețelei de antene în următoarele moduri:

• Pierderea la retur a produsului trebuie să fie scăzută, deoarece pierderile mai mari compromit direct energia maximă a fasciculului transmis sau recepționat.
• Izolarea produsului trebuie să fie ridicată, deoarece aceasta afectează izolarea între căile de semnal din rețeaua de antene și îmbunătățește câștigul acesteia.
• Echilibrul de amplitudine al dispozitivului ar trebui să se apropie de 0 dB, deoarece afectează performanța amplitudinii și puterea efectivă radiată izotrop (EIRP) a antenei.
• Echilibrul de fază al dispozitivului ar trebui să se apropie de o diferență de 0°, deoarece acest lucru favorizează transferul maxim de putere și asigură lungimea de fază prevăzută pentru toate derivațiile din rețea. Un dezechilibru mare de fază va deteriora EIRP și ar putea schimba modelul de radiație al unei rețele de antene cu formare de fascicul.

Componente cheie ale rețelei de antene: cuplor direcțional

Cuplorul direcțional este o altă componentă care joacă un rol important în rețelele de antene prin măsurarea constantă a puterii de emisie și de recepție a elementelor rețelei. Cuplorul direcțional este un dispozitiv pasiv care cuplează o cantitate cunoscută de putere de transmisie sau de recepție printr-un alt port, de unde poate fi măsurată. De obicei, cuplarea se realizează prin poziționarea a doi conductori unul lângă celălalt, astfel încât energia care trece printr-o linie să fie cuplată cu cealaltă.

Dispozitivul are patru porturi: intrare, transmis, cuplat și izolat. Linia principală de transmisie este situată între porturile 1 și 2. Portul izolat se termină cu o sarcină internă sau externă adaptată (de obicei, 50 Ω), în timp ce portul cuplat (3) este utilizat pentru a capta energia cuplată. De obicei, portul cuplat livrează o fracțiune din energia liniei principale și este adesea prevăzut cu un conector mai mic pentru a-l distinge de porturile 1 și 2 ale liniei principale. Portul cuplat poate fi utilizat pentru a obține informații despre nivelul de putere și frecvența semnalului, fără a întrerupe fluxul principal de energie din sistem. Puterea care intră în portul transmis trece în portul izolat și nu afectează ieșirea portului cuplat (Figura 5).

Figura 5: portul cuplat (P3) al unui divizor de putere transmite o anumită fracțiune din puterea furnizată la portul de intrare (P1), restul trecând prin portul transmis (P2). Portul izolat (P4) se termină cu o sarcină internă sau externă adaptată. (Sursa imaginii: Spinningspark la Wikipedia)

Caracteristica cheie a unui cuplor este factorul de cuplare.

Acesta se definește astfel:

Cea mai simplă formă a unui cuplor prezintă o topologie în unghi drept, în care liniile cuplate sunt adiacente pe un sfert din lungimea de undă a semnalului de intrare (de exemplu, 5 mm pentru un semnal de 15 GHz). De obicei, acest tip de cuplor produce jumătate din puterea de intrare la portul 3 (adică are un factor de cuplaj de 3 dB), iar puterea la portul de transmisie este, de asemenea, redusă cu 3 dB. (Figura 6).

Figura 6: cea mai simplă formă de cuplor direcțional prezintă linii de cuplare adiacente pe un sfert din frecvența semnalului de intrare. (Sursa imaginii: Spinningspark la Wikipedia)

Ca și în cazul divizorului de putere, există câteva caracteristici cheie ale cuplorului direcțional care afectează performanța rețelei de antene. Aceste caracteristici includ următoarele:

• Pierderea liniei principale ar trebui să fie redusă la minimum pentru a spori câștigul antenei. Această pierdere se datorează încălzirii rezistive a liniei principale și este separată de pierderea la cuplare. Pierderea totală a liniei principale este combinația dintre pierderea prin încălzire rezistivă și pierderea prin cuplare.
• Pierderea la cuplare este reducerea puterii din cauza energiei transferate către porturile cuplate și izolate. Presupunând o directivitate rezonabilă, puterea transferată neintenționat către portul izolat ar trebui să fie neglijabilă în comparație cu cea transferată intenționat către portul cuplat.
• Pierderea la retur trebuie să fie redusă la minimum. Aceasta este o măsură a cantității de semnal care este returnată sau reflectată de cuplorul direcțional.
• Pierderea la inserție ar trebui, de asemenea, să fie redusă la minimum. Aceasta este raportul unui nivel al semnalului într-o configurație de testare fără cuplorul direcțional prezent, comparativ cu cel în care acesta este prezent.
• Izolarea trebuie să fie maximă. Aceasta este diferența de nivel de putere dintre portul de intrare și portul izolat.
• Directivitatea ar trebui să fie maximizată. Aceasta este diferența de nivel de putere dintre portul 3 și portul 4 al cuplorului direcțional și este legată de izolare. Este o măsură a independenței porturilor cuplate și izolate.

În timp ce cuploarele direcționale de RF pot fi implementate folosind o varietate de tehnici, tipul de linie microstrip este cel preferat în aplicațiile de comunicații prin satelit cu SWaP-C scăzut datorită dimensiunilor reduse. Un exemplu este cuplorul direcțional FPC06078 de la Knowles. Dispozitivul este un dispozitiv de linie microstrip SMD care măsoară 2,5 x 2,0 x 0,4 mm. Are un interval de temperatură de funcționare de la -55°C la +125°C și o impedanță caracteristică de 50 Ω.

În timp ce factorul de cuplaj depinde de frecvență, un cuplor direcțional de înaltă calitate va prezenta un răspuns relativ plat la frecvența de cuplare. Din Figura 7 de mai jos, se poate observa că dispozitivul Knowles prezintă un factor de cuplaj nominal de 20 dB, care variază cu numai 2 dB în intervalul de funcționare de la 12 la 18 GHz. Cuplorul direcțional FPC06078 are o pierdere la inserție de 0,3 dB și o pierdere minimă la retur de 15 dB. Directivitatea dispozitivului este de 14 dB (Figura 8).

Figura 7: se prezintă răspunsul în frecvență al cuplorului direcțional FPC06078. Dispozitivul prezintă un factor de cuplaj nominal de -20 dB și o pierdere scăzută la inserție, de 0,3 dB. (Sursa imaginii: Knowles DLI)

Figura 8: se prezintă un grafic al directivității cuplorului direcțional FPC06078. Pentru o performanță mai mare a rețelei de antene, directivitatea, care este legată de izolare, trebuie să fie maximizată. (Sursa imaginii: Knowles DLI)

Concluzie

Proiectanții răspund la cererea de SWaP-C redus în aplicațiile de comunicații prin satelit, utilizând componente pasive SMD compacte. Printre exemple se numără divizoarele de putere și cuploarele direcționale utilizate la fabricarea rețelelor de antene pentru satelit.

Prin selectarea unor dispozitive pasive SMD compacte de bună calitate – care promit performanțe superioare prin construcția liniilor de microstrip și materiale ceramice cu capacități dielectrice ridicate – proiectanții pot profita de benzile de RF de frecvență mai mare pentru aplicații de comunicații prin satelit. Mai mult, această nouă generație de divizoare de putere SMD și cuploare direcționale permite proiectanților să creeze rețele de antene mai mici și mai ușoare, îmbunătățind în același timp capacitățile antenelor legate de câștig și de formare a fasciculului.