Slik implementerer du SWaP-C Satcom-antennematriser ved å bruke overflatemonterte (SMD) effektdelere og retningskoplere

Rommet rundt jorden fylles raskt opp, og tusenvis av nye satellitter skal skytes opp i løpet av det neste tiåret. Dette legger press på utviklere av satellittkommunikasjon (satcom) fra to sider. For det første er tilgjengelig båndbredde for satellittkommunikasjon i de tradisjonelle L-, C- og X-båndene raskt i ferd med å fylles opp. For det andre ønsker kommersielle satellittbyggere at produktene deres skal være lettere og billigere å skyte ut.

Satcom-konstruktører imøtekommer den manglende RF-båndbredden ved å flytte kommunikasjon fra de tradisjonelle satellittbåndene til høyfrekvente RF-bånd som Ku (12 til 18 gigahertz (GHz)). Ku-båndet har potensial for større gjennomstrømning og opplever mye mindre overbelastning. Når det kommer til etterspørselen etter minimal størrelse, vekt, strøm og kostnad («SWaP-C»), imøtekommer konstruktører dette ved å bygge viktige elementer i satellitten, for eksempel antennematrisen, ved å bruke overflatemonterte enheter (SMD – surface mount devices) med avansert kapsling.

Denne artikkelen skisserer fordelene med overflatemonterte effektdelere og retningskoplere, som er viktige passive elementer som brukes i satcom-antennematriser i Ku-båndet. Artikkelen introduserer eksempelenheter fra Knowles Dielectric Labs, som beskriver hvordan disse komponentene oppfyller dagens krav til low-SWaP, og hvordan konstruktører kan bruke viktige ytelsesegenskaper for disse viktige komponentene til å optimalisere ytelsen til antennematrisen.

Fremskritt innen antennematriser

Den nylige utvikling innen satellitt- og bakkestasjonsantenner har sett en tendens vekk fra enkeltparabolantenner til antennematriser. Antennematriser kombinerer to eller flere elementer, der hver av disse i hovedsak fungerer som en mini-antenne. Fordelene med antennematriser sammenlignet med konvensjonelle antenner for satcom-bruksområder, omfatter følgende:

• Høyere forsterkning
• Økt signal-til-støy-forhold (SNR – signal-to-noise ratio)
• Styrbare overføringsstråler og økt følsomhet for innkommende signaler fra en bestemt retning
• Bedre multipelmottaking (bidrar til å få bukt med signalfading)
• Mindre sidelober i antennestrålingsmønsteret

Den konvensjonelle matrisekonstruksjonen omfatter en 3D-blokk-konfigurasjon (3D-brick) som består av elektroniske sammenstillinger plassert side ved side og festet ved hjelp av flere kontakter og kabler. Dette øker størrelsen og kompleksiteten til en antenne, sammenlignet med enkeltparabolantenner.

Løsningen på denne størrelsesutfordringen og kompleksiteten stammer fra et fokus på low-SWaP-C som eliminerer blokk-lignende konstruksjoner som følge av brikke-og-ledning-teknikker (chip-and-wire) eller hybridproduksjonsteknikker. Nyere konstruksjoner består av flere mikrobåndledere med 2D-planare elementer basert på et kretskortsubstrat som bruker overflatemonterte kapslinger. Denne planare konfigurasjonen fjerner behovet for mange kontakter og kabler, og forbedrer SWaP samtidig som den øker påliteligheten og forenkler produksjonen (figur 1).

Figur 1: Bruken av overflatemonterte low-SWaP-C-komponenter (høyre) muliggjør mindre fysisk størrelse på satcom-antennematrisen sammenlignet med en konvensjonell 3D-blokk-sammenstilling (venstre). (Bildekilde: Knowles DLI)

Overflatemonterte enheter reduserer ikke bare den fysiske størrelsen til antennematrisen betydelig, men muliggjør også bruken av ett enkelt automatisert samlebånd. Dette reduserer produksjonskostnadene dramatisk sammenlignet med en konvensjonell brikke-og-ledning-tilnærming eller en hybridtilnærming. Overflatemontering bidrar også til å akselerere tiden det tar å få produktet ut på markedet.

Slike framskritt er mulig takket være en ny generasjon av overflatemonterte komponenter som kan fungere pålitelig i det ytre rommet ved høye driftsfrekvenser. Enhetene har innovativt dielektrikum, stramme toleranser, tynnfilmproduksjon og nye topologier med mikrobåndledere for å gi et høyt forhold mellom ytelse og fysisk størrelse.

Viktige antennematrisekomponenter: Effektdeler

En viktig passiv overflatemontert enhet i antennematrisen, er effektdeleren. Individuelle effektdelere deler et innkommende signal i to eller flere signaler som deretter distribueres på tvers av antenneelementene som utgjør matrisen. Den enkleste typen effektdelere deler inngangsstrømmen (minus noe kretstap) jevnt over hver utgangspinne, men andre typer effektdelere gjør det mulig å dele inngangseffekten proporsjonalt over utgangspinnene.

Det finnes flere effektdelerkonfigurasjoner, men for høyfrekvente konstruksjoner er effektdelere vanligvis av typen Wilkinson-mikrobåndleder (figur 2). På den mest grunnleggende typen måler hver pinne på deleren én fjerdedel av bølgelengden til det innkommende RF-signalet. For eksempel vil hver pinne være 5 millimeter (mm) i lengde for et innkommende signal med en senterfrekvens på 15 GHz. Pinnene fungerer som impedanstransformatorer med kvart bølgelengde.

En isolasjonsmotstand brukes til å samsvare utgangsportene. Fordi det er null potensial mellom utgangsportene, strømmer ingen strøm gjennom motstanden, så den bidrar ikke til resistive tap. Motstanden gir også utmerket isolasjon, selv når enheten brukes i revers (som en strømkombinator), og begrenser dermed krysstale mellom individuelle kanaler.

Figur 2: Den grunnleggende Wilkinson-effektdeleren bruker to impedanstransformatorer med kvart bølgelengde og en isolasjonsmotstand for å samsvare utgangsportene. Port 2 og 3 leverer hver halvparten av inngangsstrømmen til Port 1. (Bildekilde: Knowles DLI)

For å begrense tap når strømmen deles, må de to utgangsportene på effektdeleren hver vises som en impedans på 2 Zo. (2 Zo parallelt vil presentere en total impedans på Zo.)

For en lik strømfordeling med R = 2 Z_o, deretter:

Der:

R = verdien til den terminerende motstanden som er koblet mellom de to portene

Z_o = den karakteristiske impedansen til hele systemet

Z_match = impedansen til transformatorene med kvart bølge i pinnene på effektdeleren

En spredningsmatrise (S matrix) inneholder spredningsparametrene som brukes til å beskrive den elektriske ytelsen til et lineært RF-nettverk, for eksempel en Wilkinson-effektdeler. Figur 3 viser S-matrisen for den enkle typen av effektdelere, som vist på figur 2.

Figur 3: Spredningsmatrise (S matrix) for Wilkinson-effektdeler, som vist på figur 2. (Bildekilde: Steven Keeping)

Viktige egenskaper til S matrix, omfatter følgende:

• S_ij = S_ji (viser at Wilkinson-effektdeleren også kan brukes som en kombinator)
• Terminalene er samsvarende (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• Utgangsterminalene er isolerte (S₂₃, S₃₂ = 0)
• Strømmen deles likt (S₂₁ = S₃₁)

Tap minimeres når signalene ved Port 2 og 3 er i fase og har samme størrelse. En ideell Wilkinson-effektdeler leverer S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (–)3 desibel (dB) (dvs. halvparten av inngangseffekten ved hver utgangsport).

Wilkinson-effektdelere av typen mikrobåndledere er en god løsning for low-SWaP-C antennematrisekonstruksjoner. Kommersielle alternativer for Ku-båndet inkluderer Knowles Dielectric Labs sin PDW06401 16 GHz toveis Wilkinson-effektdeler. Knowles sin dielektrikum- og tynnfilm-produksjonskompetanse har gjort det mulig å produsere en kompakt overflatemontert komponent med lave tap for service med satcom-antennematriser i Ku-båndet.

PDW06401 måler 3 x 3 x 0,4 mm og bruker materialer med lave tap som minimerer variasjoner i ytelse over et bredt temperaturområde. Kapslingens karakteristiske impedans (Z₀) samsvarer med kravet på 50 ohm (Ω) som er nødvendig for å minimere ståbølgeforholdet (VWSR – voltage standing wave ratio), og dermed returtap i høyfrekvente RF-systemer. Enheten har null nominell faseforskyvning, en amplitudebalanse på ±0,25 dB og en fasebalanse på ± 5°. Overskytende innsettingstap er 0,5 dB. Figur 4 illustrerer PDW06401-effektdelerens frekvensrespons.

Figur 4: PDW06401-effektdelerens frekvensrespons. RL representerer terminalsamsvaring (S₁₁, S_22, etc.), Iso er isolasjonen mellom utgangsportene (S₂₃, S₃₂) og IL er utgangseffekten (S₂₁, S₃₁). (Bildekilde: Knowles DLI)

Returdempning-, isolasjon-, amplitudebalanse- og fasebalanseegenskaper til en effektdeler er avgjørende for ytelsen til antennematrisen på følgende måter:

• Produktets returdempning bør være lav fordi større tap kompromitterer direkte maksimalt overført eller mottatt strålingsenergi.
• Produktisolasjonen bør være høy fordi dette påvirker isolasjonen mellom signalbanene i antennematrisen og utvider forsterkningen.
• Enhetens amplitudebalanse bør nærme seg 0 dB etter hvert som den påvirker antennens amplitudeytelse og den effektive isotrope utstrålte effekten (EIRP – Effective Isotropic Radiated Power).
• Enhetens fasebalanse bør nærme seg 0° forskjell siden dette fremmer maksimal effektoverføring og sikrer tiltenkt faselengde for alle grener på tvers av nettverket. En stor faseubalanse vil forverre EIRP og potensielt endre strålingsmønsteret til en stråleformende antennematrise.

Viktige antennematrisekomponenter: Retningskopler

Retningskopleren er en annen komponent som utfører en viktig rolle i antennematriser. Den måler kontinuerlig sende- og mottakseffekten til matriseelementene. Retningskopleren er en passiv enhet som kopler en kjent mengde overføring eller mottar strøm gjennom til en annen port der den kan måles. Koplingen oppnås vanligvis ved å plassere to ledere nær hverandre slik at energien som går gjennom den ene linjen er koplet til den andre.

Enheten har fire porter: inngang, overført, koplet og isolert. Hovedoverføringslinjen ligger mellom port 1 og 2. Den isolerte porten termineres med en intern eller ekstern matchende last (vanligvis 50 Ω), mens den koplede porten (3) brukes til å tappe den koplede energien. Den koplede porten leverer vanligvis en brøkdel av energien til hovedlinjen og har ofte en mindre kontakt for å skille den fra hovedlinjeportene 1 og 2. Den koplede porten kan brukes til å innhente informasjon om signalstyrke og frekvens uten å avbryte hovedstrømflyten i systemet. Strøm som kommer inn i den overførte porten, strømmer til den isolerte porten og påvirker ikke utgangen til den koplede porten (figur 5).

Figur 5: Den koplede porten (P3) til en effektdeler videresender en brøkdel av strømmen som leveres til inngangsporten (P1), mens resten går gjennom den overførte porten (P2). Den isolerte porten (P4) termineres med en intern eller ekstern matchende last. (Bildekilde: Spinningspark på Wikipedia)

Den viktigste egenskapen til en kopling er koplingsfaktoren.

Dette er definert som:

Den enkleste koplingstypen har en rettvinklet topologi, der de koplede linjene går ved siden av hverandre med én fjerdedel av bølgelengden til inngangssignalet (f.eks. 5 mm for et 15 GHz-signal). Denne koplingstypen produserer vanligvis halvparten av inngangseffekten ved port 3 (dvs. den har en koplingsfaktor på 3 dB), der effekten ved den overførte porten også reduseres med 3 dB. (Figur 6).

Figur 6: Den enkleste typen retningskopler har koplingslinjer som går ved siden av for å gi en kvart bølgelengde av inngangssignalfrekvensen. (Bildekilde: Spinningspark på Wikipedia)

I likhet med tilfellet for effektdeleren, er det noen viktige egenskaper ved retningskopleren som påvirker ytelsen til antennematrisen. Disse egenskapene omfatter følgende:

• Hovedlinjetapet bør minimeres for å forbedre forsterkningen til antennematrisen. Dette tapet skyldes resistiv oppvarming av hovedlinjen og er atskilt fra koplingstapet. Det totale hovedlinjetapet er kombinasjonen av resistivt varmetap pluss koplingstap.
• Koblingstapet er reduksjonen av effekt på grunn av energien som overføres til de koplede og isolerte portene. Under forutsetning av en akseptabel direktivitet, bør effekten som utilsiktet overføres til den isolerte porten være ubetydelig sammenlignet med effekten som utilsiktet overføres til den koplede porten.
• Returtapet bør minimeres. Dette er et mål på hvor mye av signalet som returneres eller reflekteres av retningskopleren.
• Innsettingstapet bør også minimeres. Dette er forholdet mellom et signalnivå i en testkonfigurasjon uten retningskopleren til stede, sammenlignet med når komponenten er til stede.
• Isolasjonen bør maksimeres. Dette er effektnivåforskjellen mellom inngangsporten og den isolerte porten.
• Direktiviteten bør maksimeres. Dette er forskjellen i effektnivå mellom port 3 og port 4 på retningskopleren, og er relatert til isolasjon. Det er et mål på uavhengigheten til de koplede og isolerte portene.

Mens RF-retningskoplere kan implementeres ved å bruke en rekke forskjellige teknikker, er det mikrobåndledere som har fordeler i low-SWaP-C satcom-konstruksjoner, på grunn av deres lille størrelse. Ett eksempel er Knowles sin FPC06078-retningskopler. Enheten er en overflatemontert mikrobåndleder som 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.

Selv om koplingsfaktoren er frekvensavhengig, vil en retningskopler av høy kvalitet vise en relativt flat koplingsfrekvensrespons. Fra figur 7 nedenfor kan det observeres at Knowles-enheten har en nominell koplingsfaktor på 20 dB, som varierer med bare 2 dB i et driftsområde på 12 til 18 GHz. FPC06078-retningskopleren har et innsettingstap på 0,3 dB og en minimum returdemping på 15 dB. Enhetens direktivitet er 14 dB (figur 8).

Figur 7: Her vises frekvensresponsen til FPC06078-retningskopleren. Enheten har en nominell koplingsfaktor på –20 dB og et lavt innsettingstap på 0,3 dB. (Bildekilde: Knowles DLI)

Figur 8: Her vises en graf over direktiviteten til FPC06078-retningskopleren. For å få høyere antennematriseytelse, bør direktiviteten, som er relatert til isolasjon, maksimeres. (Bildekilde: Knowles DLI)

Konklusjon

Konstruktører imøtekommer etterspørselen etter low-SWaP-C i satcom-konstruksjoner ved å bruke kompakte overflatemonterte passive komponenter. Eksempler omfatter effektdelere og retningskoplere som brukes i produksjon av satellittens antennematriser.

Ved å velge kompakte overflatemonterte passive enheter av god kvalitet – som lover overlegen ytelse ved bruk av mikrobåndleder-konstruksjon og keramiske materialer med høy dielektrisk kapasitet – kan konstruktører dra nytte av høyfrekvente RF-bånd for satcom-konstruksjoner. Dessuten gjør denne nye generasjonen av overflatemonterte effektdelere og retningskoplere det mulig for konstruktører å komme opp med mindre og lettere antennematriser, samtidig som antennenes muligheter for forsterkning og stråleforming forbedres.