Sådan implementeres SWaP-C Satcom antenne arrays ved hjælp af SMD effektdelere og retningskoblere

Rummet omkring Jorden fyldes hurtigt op, og tusindvis af nye satellitter skal opsendes i løbet af det næste årti. Det lægger pres på designerne af satellitkommunikation (satcoms) fra to sider. For det første er den tilgængelige båndbredde til satellitkommunikation på de traditionelle L-, C- og X-bånd hurtigt ved at være opbrugt. For det andet ønsker de kommercielle satellitbyggere, at deres produkter skal være lettere og billigere at opsende.

Satcom-designere reagerer på mangel på RF-båndbredde ved at flytte kommunikationen fra de traditionelle satellitbånd til RF-bånd med højere frekvenser som Ku-bånd (12 til 18 gigahertz (GHz)). Ku-båndet giver mulighed for større gennemløb og er langt mindre overbelastet. Med hensyn til kravet om minimal størrelse, vægt, effekt og omkostninger ("SWaP-C") reagerer designerne ved at bygge nøgleelementer i satellitten, f.eks. antennerækken, ved hjælp af avancerede SMD'er (Surface Mount Device).

Denne artikel beskriver fordelene ved SMD-effektdelere og retningskoblere, som er vigtige passive elementer, der anvendes satellitantenner i Ku-båndet. Artiklen introducerer eksempler på enheder fra Knowles Dielectric Labs, beskriver hvordan disse komponenter opfylder nutidens krav om lav SWaP, og hvordan designere kan bruge de vigtigste egenskaber ved disse vigtige komponenter til at optimere antennerækkens ydeevne.

Fremskridt inden for antenne arrays

Den seneste udvikling inden for satellit- og jordstationsantenner har betydet, at man er gået væk fra parabol antenner og over til antenne arrays. Antenne arrays kombinerer to eller flere elementer, som hver især fungerer som en mini-antenne. Fordelene ved antenne arrays i forhold til en konventionel antenne til satellitkommunikationsapplikationer er bl.a:

• Højere forstærkning
• Øget signal/støj-forhold (SNR)
• Styrbare transmissionsstråler og øget følsomhed over for indkommende signaler fra en bestemt retning
• Bedre modtagelse af mangfoldighed (hjælper med at overvinde signalfading)
• Mindre sidesløjfer i antennens strålingsmønster

Den konventionelle matrixstruktur består af en 3D-blokkonfiguration bestående af elektroniske enheder, der er placeret side om side og fastgjort ved hjælp af flere stik og kabler. Dette øger antennerækkens omfang og kompleksitet i forhold til parabolantenner med en enkelt antenne.

Løsningen på denne masse og kompleksitet er kommet fra et fokus på lav SWaP-C, der eliminerer den murstenslignende struktur, der er resultatet af chip-and-wire- eller hybridfremstillingsteknikker. Nyere designs består af flere mikrostrip 2D-planarelementer baseret på et printpladesubstrat med SMD-pakning. Denne planare konfiguration fjerner behovet for mange stik og kabler, hvilket øger SWaP og samtidig øger pålideligheden og forenkler fremstillingen (Figur 1).

Figur 1: Brugen af SMD-komponenter med lav SWaP-C-værdi (til højre) gør det muligt at reducere omfanget af satellitantenner i forhold til en konventionel 3D-blokmontering (til venstre). (Billedkilde: Knowles DLI)

SMD'er reducerer ikke kun antennemaskinen betydeligt, men gør det også muligt at bruge en enkelt automatiseret samlebånd, hvilket reducerer produktionsomkostningerne dramatisk i forhold til en konventionel chip-and-wire- eller hybridmetode. SMD-montage hjælper også med at forkorte tiden til markedsføring.

Sådanne fremskridt er blevet muligt takket være en ny generation af SMD-komponenter, der kan fungere pålideligt i rummet ved høje driftsfrekvenser. Enhederne er udstyret med innovative dielektriske materialer, snævre tolerancer, tyndfilmsproduktion og nye topologier med mikrostriplinjer for at give et højt forhold mellem ydeevne og areal.

Vigtige komponenter i antennerækken: Effektdeler

En kritisk passiv SMD i antenne array'et er effektdeleren. Individuelle effektdelere opdeler et indgående signal i to eller flere signaler, som fordeles på de antenneelementer, der udgør array'et. I sin enkleste form deler effektdeleren indgangseffekten (minus nogle kredsløbstab) jævnt over hvert udgangsben, men andre former for effektdelere gør det muligt at fordele indgangseffekten proportionalt over udgangsbenene.

Der findes flere forskellige konfigurationer af effektdelere, men til højfrekvente anvendelser har effektdelere typisk form af en Wilkinson-konstruktion med mikrostriplinje (figur 2). I den grundlæggende form måler hvert ben af deleren en fjerdedel af bølgelængden af det indgående RF-signal. For et indgående signal med en centerfrekvens på 15 GHz vil hvert ben f.eks. være 5 mm langt. Benene fungerer som impedanstransformere med en kvart bølgelængde.

Der bruges en isolationsmodstand til at matche udgangsportene; da der er nulpotentiale mellem udgangsportene, løber der ingen strøm gennem modstanden, så den bidrager ikke til modstandstabet. Modstanden giver også en fremragende isolation, selv når enheden bruges i omvendt retning (som en power kombiner), hvilket begrænser overspænding mellem de enkelte kanaler.

Figur 2: Den grundlæggende Wilkinson-effektdeler anvender to impedanstransformere med en kvart bølgelængde og en isolerende modstand til at matche udgangsportene. Port 2 og 3 leverer hver halvdelen af indgangseffekten fra Port 1. (Billedkilde: Knowles DLI)

For at begrænse tabet ved opdelingen af effekten skal de to udgangsporte i effektdeleren hver have en impedans på 2 Zo. (De 2 Zo parallelt vil give en samlet impedans på Zo.)

For en ligelig effektfordeling med R = 2 Z_o gælder følgende:

Hvor:

R = værdien af den afslutningsmodstand, der er tilsluttet mellem de to porte

Z_o = den karakteristiske impedans for det samlede system

Z_match = impedansen af kvartbølge transformatorerne i effektdelerens ben

En spredningsmatrix (S-matrix) indeholder de spredningsparametre, der anvendes til at beskrive den elektriske ydeevne af et lineært RF-netværk som f.eks. en Wilkinson-effektdeler. Figur 3 viser S-matrixen for den enkle form for effektdeler, der er vist i figur 2.

Figur 3: Spredningsmatrix (S-matrix) for den Wilkinson-effektdeler, der er vist i figur 2. (Billedkilde: Steven Keeping)

S-matricens vigtigste karakteristika omfatter følgende:

• S_ij = S_ji (hvilket viser, at Wilkinson-effektdeleren også kan bruges som en kombiner)
• Terminalerne er tilpasset (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• Udgangsklemmerne er isoleret (S₂₃, S₃₂ = 0)
• Effekten er ligeligt fordelt (S₂₁ = S₃₁)

Tabene minimeres, når signalerne på port 2 og 3 er i fase og har samme størrelse. En ideel Wilkinson-effektdeler leverer S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3 decibel (dB) (dvs. halvdelen af indgangseffekten ved hver udgangsport).

Wilkinson-effektdelere med mikrostrip ledning er en god løsning til applikationer med lav SWaP-C-antennearrangementer. Kommercielle muligheder for Ku-båndet omfatter Knowles Dielectric Labs' PDW06401 16 GHz tovejs Wilkinson-effektdele. Knowles viden om dielektrisk og tyndfilms-produktion har gjort det muligt at fremstille en lavt tabsgivende, men alligevel kompakt SMD til brug i Ku-båndsantenner til satellitkommunikation.

PDW06401 måler 3 x 3 x 0,4 mm og anvender materialer med lavt tab, der minimerer variationen i ydeevne over et bredt temperaturområde. Pakningens karakteristiske impedans (Z₀) svarer til kravet om 50 ohm (Ω), der er nødvendigt for at minimere forholdet mellem stående bølger (VWSR) og dermed returtab i højfrekvente RF-systemer. Enheden har en nominel faseforskydning på nul, en amplitude balance på ±0,25 dB og en fasebalance på ±5°. Overskydende indsætningstab er 0,5 dB. Figur 4 illustrerer PDW06401-effektdelerens frekvensrespons.

Figur 4: PDW06401's frekvensrespons for effektdeleren. RL repræsenterer terminaltilpasning (S₁₁, S_22, etc.), Iso er isolationen mellem udgangsportene (S₂₃, S₃₂) og er udgangseffekten (S₂₁, S₃₁). (Billedkilde: Knowles DLI)

Returtab, isolation, amplitude balance og fasebalance for en effektdeler er afgørende for antenne array ydeevne på følgende måder:

• Produktets returtab bør være lavt, da større tab direkte går ud over den maksimale transmitterede eller modtagne stråleenergi.
• Produktisolationen bør være høj, da dette påvirker isolationen mellem signalvejene i antenne array'et og øger dens forstærkning.
• Enhedens amplitudebalance bør nærme sig 0 dB, da den påvirker antennens amplitudeydelse og effektive isotrope udstrålede effekt (EIRP).
• Enhedens fasebalance bør nærme sig 0° forskel, da dette fremmer maksimal effektoverførsel og sikrer den tilsigtede faselængde for alle grene på tværs af nettet. En stor faseubalance vil forringe EIRP og potentielt ændre strålingsmønsteret for et stråleformende antenne array'et.

Nøglekomponenter til antenne array: Retningsbestemt kobler

Retningskobleren er en anden komponent, der spiller en vigtig rolle i antenne arrays ved konsekvent at måle sende- og modtageeffekten af elementerne i array'et. Retningskobleren er en passiv anordning, som kobler en kendt mængde sende- eller modtageeffekt til en anden port, hvorfra den kan måles. Koblingen opnås typisk ved at placere to ledere tæt på hinanden, således at den energi, der passerer gennem den ene ledning, kobles til den anden.

Enheden har fire porte: Indgang, overført, koblet og isoleret. Hovedtransmissionsledningen er placeret mellem havn 1 og 2. Den isolerede port er afsluttet med en intern eller ekstern tilpasset belastning (typisk 50 Ω), mens den koblede port (3) bruges til at aftage den koblede energi. Den koblede port leverer typisk kun en brøkdel af energien fra hovedledningen og har ofte et mindre stik for at adskille den fra hovedledningens port 1 og 2. Den koblede port kan bruges til at få oplysninger om signalets effektniveau og frekvens uden at afbryde hovedstrømmen i systemet. Strøm, der kommer ind i den transmitterede port, strømmer til den isolerede port og påvirker ikke output fra den koblede port (figur 5).

Figur 5: Den koblede port (P3) i en effektfordeler videregiver en del af den effekt, der leveres til indgangsporten (P1), mens resten går gennem den transmitterede port (P2). Den isolerede port (P4) er afsluttet med en intern eller ekstern tilpasset belastning. (Billedkilde: Spinningspark på Wikipedia)

Den vigtigste egenskab ved en kobler er koblingsfaktoren.

Dette er defineret som:

Den enkleste form for kobler har en retvinklet topologi, hvor de koblede linjer løber ved siden af hinanden i en fjerdedel af bølgelængden af indgangssignalet (f.eks. 5 mm for et 15 GHz-signal). Denne type kobler producerer typisk halvdelen af indgangseffekten på port 3 (dvs. den har en koblingsfaktor på 3 dB), og effekten på den transmitterede port reduceres også med 3 dB. (Figur 6).

Figur 6: Den enkleste form for retningsbestemt kobler har koblingslinjer, der løber ved siden af hinanden i en kvart bølgelængde af indgangssignalets frekvens. (Billedkilde: Spinningspark på Wikipedia)

Som det er tilfældet med effektfordeleren, er der nogle vigtige egenskaber ved retningskobleren, som påvirker antenne array ydeevne. Disse egenskaber omfatter følgende:

• Hovedlinjetabet bør minimeres for at forbedre antenne array forstærkning. Dette tab skyldes resistiv opvarmning af hovedledningen og er adskilt fra koblingstabet. Det samlede hovedlinjetab er kombinationen af resistivt varmetab plus koblingstab.
• Koblingstabet er reduktionen i effekt som følge af den energi, der overføres til de koblede og isolerede porte. Under forudsætning af en rimelig retningsbestemthed bør den effekt, der utilsigtet overføres til den isolerede port, være ubetydelig i forhold til den effekt, der forsætligt overføres til den koblede port.
• Returtab bør minimeres. Dette er et mål for den del af signalet, der returneres eller reflekteres af retningskobleren.
• Indsætningstabet bør også minimeres. Dette er forholdet mellem et signalniveau i en testkonfiguration uden retningskobleren til stede, sammenlignet med signalniveauet, når komponenten er til stede.
• Isolationen bør være så stor som muligt. Dette er forskellen i effektniveauet mellem indgangsporten og den isolerede port.
• Direktiviteten bør maksimeres. Dette er forskellen i effektniveauet mellem port 3 og port 4 i retningskobleren og er relateret til isolering. Det er et mål for uafhængigheden af de koblede og isolerede porte.

RF-retningskoblere kan implementeres ved hjælp af en række forskellige teknikker, men det er mikrostripledningstypen, der er populær i lav SWaP-C-satcom applikationer på grund af deres lille størrelse. Et eksempel er Knowles' FPC06078 retningskobler. Enheden er en SMD-mikrostripledningsenhed, der måler 2,5 x 2,0 x 0,4 mm. Den har et driftstemperaturområde fra -55 °C til +125 °C og en karakteristisk impedans på 50 Ω.

Mens koblingsfaktoren er frekvensafhængig, vil en retningsbestemt kobler af høj kvalitet have en relativt flad koblingsfrekvensrespons. Af figur 7 nedenfor fremgår det, at Knowles-enheden har en nominel koblingsfaktor på 20 dB, som kun varierer med 2 dB i et driftsområde på 12 - 18 GHz. FPC06078 retningskobleren har et indsætningstab på 0,3 dB og et minimalt returtab på 15 dB. Enhedens retningsvirkning er 14 dB (figur 8).

Figur 7: Frekvensresponsen for FPC06078-retningskobleren er vist. Enheden har en nominel koblingsfaktor på -20 dB og et lavt indsætningstab på 0,3 dB. (Billedkilde: Knowles DLI)

Figur 8: Her vises en graf over FPC06078-retningskoblerens retningsbestemthed. For at opnå en højere ydeevne af antenne array'et skal direktiviteten, som er relateret til isolering, maksimeres. (Billedkilde: Knowles DLI)

Konklusion

Designere reagerer på efterspørgslen efter lav SWaP-C i satellit applikationer ved at anvende kompakte SMD-passive komponenter. Som eksempler kan nævnes de effektdelere og retningskoblere, der anvendes ved fremstillingen af satellittens antenne arrays.

Ved at vælge kompakte SMD-passive enheder af god kvalitet - som lover overlegen ydeevne gennem mikrostrip ledningskonstruktion og keramiske materialer med høj dielektrisk kapacitet - kan designere drage fordel af højere frekvens RF-bånd til satellitkommunikationsapplikationer. Desuden gør denne nye generation af SMD-effektdelere og retningskoblere det muligt for designere at udvikle mindre og lettere antenne arrays og samtidig forbedre antennenes forstærkning og stråledannende egenskaber.