Grunderna för RF-riktkopplare och hur man använder dem effektivt

RF-tillämpningar som fordonsradar, 5G-nät, sakernas internet (IoT) och andra utökar antalet RF-källor som används i elektroniska system. Alla dessa källor kräver en metod för att övervaka och kontrollera RF-effektnivåer utan att det medför förluster i transmissionsledningen och lasten. Vissa tillämpningar kräver också kraftsändare med hög effekt, så konstruktörer måste hitta ett sätt att övervaka utsignaler utan att direkt ansluta känsliga instrument som kan skadas av höga signalnivåer.

Det finns andra utmaningar, till exempel hur man bestämmer egenskaperna hos en RF-belastning som till exempel en antenn över ett brett frekvensområde, liksom hur man övervakar belastningsvariationer och stående våg-förhållande medan sändaren sänder för att förhindra hög reflekterad effekt och skada på förstärkaren.

Lösningen på dessa krav och utmaningar ligger i riktkopplare som är infogade i en transmissionsledning. Dessa möjliggör exakt övervakning av RF-energiflödet i ledningen samtidigt som effektnivåerna minskas med en känd, fast mängd. Riktkopplare medför minimalt med störningar av huvudledningssignalen i samplingsprocessen. De kan skilja mellan framåtriktad och reflekterad effekt och tillåter övervakning av returförlust eller stående vågförhållande som ger återkoppling av belastningsändringar under sändning.

Den här artikeln diskuterar riktkopplares drift och introducerar tre topologier och lämpliga exempel från Anaren, M/A-Com och Analog Devices. Den undersöker sedan deras typiska egenskaper och visar hur man använder dem effektivt.

Vad är en riktkopplare?

En riktkopplare är en mätanordning som sätts in i transmissionsledningen mellan en RF-källa – som till exempel en signalgenerator, vektornätverksanalysator eller sändare – och en belastning. Den mäter både RF-effekten från källan till lasten – såväl den framåtriktade komponenten som den reflekterade komponenten, med effekten reflekterad tillbaka från lasten till källan. Med kännedom om de framåtriktade och reflekterade komponenterna kan lastens totala effekt, returförlust och stående våg-förhållande beräknas.

Riktkopplare är kretsar med fyra portar som är konfigurerade som tre eller fyra anslutningar (figur 1).

Figur 1: De schematiska symbolerna för riktkopplare med både tre (vänster) och fyra portar (höger). (Bildkälla: DigiKey)

Källan är generellt ansluten till kopplarens ingångsport och lasten till utgången eller den sändande porten. Den kopplade portutgången är en dämpad version av framåtsignalen. Dämpningsvärdet kan anges som visas i exemplet med tre portar. Den isolerade porten som termineras internt i versionen med tre portar tas ut i versionen med fyra portar och dess utgång är proportionell mot den reflekterade signalen. Pilar inom den schematiska symbolen anger komponentvägen. I konfigurationen med fyra portar riktas ingångsporten till den kopplade porten, vilket anger att den tar emot framåtkomponenten, medan utgångsporten är länkad till den isolerade porten som avläser den reflekterade signalen. Portnumren är inte standardiserade och varierar från tillverkare till tillverkare. Portnomenklaturen är mer enhetlig bland leverantörer.

Kopplare är symmetriska enheter och anslutningarna kan kastas om. När det gäller anordningen med tre portar innebär en omkastning av ingångs- och utgångsportarna att port tre blir den isolerade porten. I anordningen med fyra portar innebär omkastning av ingångs- och utgångsportarna att de kopplade och isolerade portarna byts ut.

Kopplingens utgångar är RF-signaler. Utgångarna från de kopplade och isolerade portarna är vanligtvis anslutna till en topp- eller RMS-detektor som producerar en basbandssignal relaterad till framåtriktade och reflekterade effektnivåer. Kombinationen av riktkopplaren och tillhörande detektorer kallas en reflektometer.

I vissa fall är två riktkopplare direkt hopkopplade och bildar en dubbel riktkopplare. Detta görs för att minimera läckage mellan den kopplade och isolerade porten.

Specifikationer för riktkopplare

Riktkopplare specificeras av flera viktiga egenskaper inklusive bandbredd, nominell ineffekt, införingsförlust, frekvensplanhet, kopplingskoefficient, direktivitet, isolering och resterande stående våg-spänningsförhållande (VSWR).

Bandbredd: Kopplarens bandbredd anger frekvensområdet, i hertz, över vilket kopplaren är konstruerad för att fungera enligt sina specifikationer.

Nominell ineffekt: Kopplare har en maximal ineffekt, uttryckt i watt, både för kontinuerlig våg (CW) och pulserade insignaler. Det här är de maximala effektnivåerna som enheten kan hantera utan försämring av prestanda eller fysisk skada.

Införingsförlust: Beskriver effektförlusten, uttryckt i decibel (dB), på grund av införingen av enheten i huvudtransmissionsvägen.

Frekvensplanhet: Frekvensplanhet anger variationen i amplitudrespons för huvudtransmissionsvägen, i dB, över enhetens angivna bandbredd som en funktion av variation i insignalens frekvens.

Kopplingskoefficient för kopplingsfaktor: Kopplingskoefficienten är förhållandet mellan ineffekten och effekten vid den kopplade porten, i dB, när kopplingen är korrekt terminerad vid alla portar. Detta är en av riktkopplarens främsta egenskaper. Utgången från den kopplade porten är proportionell mot effektnivån i direktvägen från ingången till utgången av denna kända faktor. Den kopplade utgången kan anslutas till andra instrument, som till exempel ett oscilloskop, utan att riskera överbelastning av instrumentet.

Isolering: Förhållandet, i dB, av effekten vid ingångsporten och vid den isolerade porten med alla portar korrekt terminerade.

Direktivitet: Förhållandet i dB av effekten vid den kopplade porten och effekten i den isolerade porten med alla portar korrekt terminerade. När det gäller en kopplare med tre portar görs två effektmätningar: en i normal framåtriktning och en med in- och utgångsportarna omvända. Denna specifikation är ett mått på separationen av de framåtriktade och reflekterade komponenterna. I allmänhet gäller att ju högre direktivitet, desto bättre blir kopplarens prestanda. Direktivitet kan inte mätas direkt utan beräknas baserat på isolering och omvända isoleringsmätningar.

Resterande VSWR: Det stående vågförhållandet uppmätt med kopplingen terminerats korrekt på alla portar. Detta är ett mått på kopplarens inherenta impedansmatchning.

Riktkopplartopologier

Riktkopplarkonstruktioner kan utföras på flera sätt. De tre vanligaste topologierna är RF-transformatorer, resistiva överbryggade eller kopplade transmissionsledningar. Den RF-transformatorbaserade topologin använder två RF-transformatorer (figur 2). Transformator T₁ känner här av huvudströmmen mellan ingången och lasten. En andra transformator T₂, känner av spänningen på huvudledningen i förhållande till jord. Kopplingsfaktorn styrs av transformatorns förhållande, N.

Figur 2: Den RF-transformatorbaserade riktkopplartopologin använder två RF-transformatorer för att känna av både de framåtriktade och reflekterade komponenterna på huvudledningen. (Bildkälla: DigiKey)

Den teoretiska funktionen för denna typ av riktkopplare kan analyseras genom att kombinera de spänningar som induceras på den kopplade ledningen av varje transformator individuellt och sedan lägga till resultaten (figur 3). V_in är framspänningen och V_L är den reflekterade spänningen.

Figur 3: Analys av den transformatorbaserade kopplaren genom att analysera de båda transformatorernas spänningsbidrag till den kopplade ledningen individuellt. (Bildkälla: DigiKey)

Den aktuella strömavkännande transformatorns bidrag till den kopplade ledningen för den kopplade (V_F) och isolerade porten (V_R) beräknas i det övre diagrammet med den spänningsavkännande transformatorn borttagen från diagrammet. På liknande sätt beräknas portarnas bidrag från den spänningsavkännande transformatorn med den strömavkännande transformatorn i det nedre som V_F” och V_R”. Spänningen vid den kopplade porten, V_F bestäms genom att lägga till V_F’ och V_F”:

Beräkning 1

Den resulterande spänningen vid den kopplade porten är inspänningen dividerat med transformatorns lindningsförhållande.

På samma sätt ger kombinationen av VR’ och VR” spänningen vid den isolerade porten:

Ekvation 2

Spänningen vid den isolerade porten är minus den reflekterade spänningen dividerat med transformatorns lindningsförhållande. Det negativa tecknet visar att den reflekterade spänningen är 180° ur fas med framspänningen.

Prestanda för denna typ av riktkopplare är bra över ett brett frekvensområde, som i M/A-Com MACP-011045, som har en bandbredd som sträcker sig från 5 till 1 225 megahertz (MHz). Denna transformatorbaserade kopplare har en kopplingsfaktor på 23 dB och en effektklassning på 10 watt. Isoleringen är frekvensberoende och varierar från 45 dB för frekvenser under 30 MHz till 27 dB över 1 gigahertz (GHz). Den använder ett ytmonteringspaket med måtten 6,35 x 7,11 x 4,1 mm, vilket gör den kompatibel med de flesta trådlösa tillämpningar.

Kopplade transmissionsledningsbaserade kopplare är baserade på koaxialkablar eller tryckta kretstransmissionsledningar. Mekanismen placerar två eller flera transmissionsledningar, vanligtvis en fjärdedels våg i längd, i närheten så att en liten, kontrollerad mängd signaleffekt läcker från huvudledningen till en eller flera kopplade ledningar (figur 4).

Figur 4: Ett exempel på en dubbelriktad kopplare med kopplade transmissionsledningar. Ledningar är vanligtvis sektioner av kvartsvåglängd vid konstruktionsmittfrekvensen. (Bildkälla: DigiKey)

Ingången läggs på på port 1 och det mesta av effekten levereras till lasten på port 2. En liten mängd effekt är kopplad till sekundärledningarna anslutna till portarna 3 och 4. Port 3 är den kopplade porten. Effektnivån där är en fast procentandel av den tillämpade effekten. Kopplingskoefficienten, en funktion av de kopplade ledningarnas geometri, beskriver effekten vid den kopplade porten. Reflekterad effekt är kopplad till port 4, den isolerade porten.

Anaren 11302-20 är en typisk kopplad riktkopplare via transmissionsledning som täcker ett frekvensområde på 190 till 400 MHz som kan hantera upp till 100 watt. Det ger en nominell kopplingsfaktor på 20 dB med en införingsförlust på 0,3 dB. Den finns i ett 16,51 x 12,19 x 3,58 mm ytmonteringspaket och är avsedd för övervakning av effektnivå och VSWR-mätningar för måttliga effektsändare. Måtten för denna typ av kopplare är relaterade till frekvensområdet. När driftsfrekvensen minskar måste längden öka. De används vanligtvis för UHF och högre frekvenser där dimensionerna kan vara mindre.

Den sista riktkopplarens topologi är riktbryggan, en krets relaterad till den klassiska Wheatstone-bryggan. Denna topologi används med de analoga enheterna ADL5920 RMS och VSWR-detektorn (figur 5).

Figur 5: Ett förenklat schema av den dubbelriktade bryggan som används i de analoga enheterna ADL5920 RMS och VSWR-detektorn. Beräkningen som visas härleder en direktivitet på 33 dB baserat på analys av ett korrekt terminerat tillstånd. (Bildkälla: Analog Devices)

ADL5920 använder en resistiv brygga för att skilja framåtriktade och reflekterade spänningar i en transmissionsledning. Beräkningen som visas beräknar enhetens teoretiska direktivitet för låga frekvenser med den klassade termineringen. Resultatet är en direktivitet på 33 dB. Utgångarna V_REV och V_FWD från bryggan matas till RMS-detektorstegen med 60 dB dynamiskt område. Detektorutgångarna läses linjärt i dB. En tredje utgång som härleds från differensen mellan framåtriktade och reflekterade utgångar producerar en spänning som är proportionell mot returförlusten i dB. Kopplaren baserad på bryggan täcker ett frekvensområde från 9 kHz till 7 GHz med en effektklassning på 33 dBm (2 watt) för en 50 ohm (Ω) matchad belastning. Införingsförlusten varierar från 0,9 dB vid 10 MHz till 2 dB vid 7 GHz. Enheten är förpackad i ett 5 x 5 mm ytmonteringspaket med en tjocklek på 0,75 mm.

Analog Devices levererar ett utvärderingskort för ADL5920, ADL5920-EVALZ. Det är helt populerat och kräver en 5 volt, 200 milliamp (mA) strömkälla. Ingångar och utgångar finns tillgängliga via 2,92 mm-kontakter, liksom de primära utgångarna. Schemat visar typiska anslutningar som krävs för ADL5920 (figur 6). Detta är ett idealiskt verktyg för att på ett enkelt sätt testa ADL5920.

Figur 6: Schemat för ADL5920-EALZ-utvärderingskortet visar typiska anslutningar som krävs för Analog Devices ADL5920 dubbelriktad RMS- och VSWR-detektor. (Bildkälla: Analog Devices)

Implementeringen med resistiv brygga av riktkopplaren erbjuder det bredaste frekvensområdet och kommer mycket nära likström (DC). Transformator- och transmissionsledningsversionerna har mer restriktiv bandbredd, men kan båda ha högre effektgränser.

Dessa enheter kan användas för att ta ett prov av ineffekten för användning vid signalövervakningskretsar . Det resulterande provet kan mätas för att bestämma effektnivån, frekvensen och moduleringen med hjälp av traditionella instrument som till exempel ett oscilloskop eller en spektrumanalysator. Data kan också integreras som en del av en återkopplingskrets som justerar utspänningen så att den hålls inom önskade gränser.

Förhållandena vid belastningen anges av stående spänningsvågförhållande (VSWR). VSWR för belastningen vid utgångsporten kan beräknas genom att använda både den kopplade porten och de isolerade portutgångarna, som representerar framåtriktade och reflekterade spänningar.

Ekvation 3

Returförlusten kan beräknas från VSWR:

Ekvation 4

Slutsats

Riktkopplaren är en användbar mätanordning för RF-systemkonstruktörer. Den ger inte bara en amplitudskalad vy över RF-effektnivåer utan separerar också de framåtriktade och reflekterade signalkomponenterna som hjälper till att karakterisera belastningen. Enligt bilden finns tre allmänt förekommande kopplingstopologier som tillgängliggör dessa utgångar i små paket kompatibla med trådlösa enheter.