Grundläggande om RF-effektdelare och kombinerare

Behovet av trådlösa anslutningar i tillämpningar såsom Internet of Things (IoT), mobilnät och fordonselektronik har resulterat i system där man i allt högre grad använder RF-signaler, komponenter och delsystem. I många fall måste utvecklarna dirigera signalerna till fler än ett mål, eller kombinera flera signaler. Men att kombinera eller dela signaler kan vara problematiskt, eftersom man måste se till att signalen dirigeras utan att kvaliteten försämras på grund av felaktig impedans eller last. Samtidigt ska kritiska storleks- och kostnadskrav uppfyllas.

För att dela eller kombinera signaler mellan flera ingångar eller utgångar kan man använda en RF-effektdelare eller kombinerare. Sådana enheter utför de nämnda uppgifterna, samtidigt som de bibehåller rätt lastimpedans för alla källor och dessutom erbjuder isolering.

I den här artikeln beskrivs tre vanliga typer av RF-effektdelare/kombinerare: resistiva delare, hybriddelare och Wilkinson-delare. Vi använder exempel från Susumu, Anaren, MACOM och Analog Devices. Vi beskriver deras specifikationer och vanliga tillämpningar, så att du kan fatta ett välgrundat beslut – bland annat baserat på impedans – när du ska välja en enhet.

Effektdelare

En effektdelare har en insignal och två eller flera utsignaler. Utsignalernas effektnivå är 1/N av ineffekten, där N är antalet utgångar hos delaren. Signalerna i utgångarna, hos de flesta typer av effektdelare, är i fas. Det finns särskilda effektdelare som ger kontrollerade fasförskjutningar mellan utgångarna. Vanliga RF-tillämpningar för effektdelare är, som nämnts tidigare, att dirigera en gemensam RF-källa till flera enheter (figur 1).

Figur 1: Effektdelare används för att dela en RF-signal till flera enheter, exempelvis i en fasförskjuten antennmatris eller i en kvadraturdemodulator. (Bildkälla: DigiKey)

Det första exemplet är en fasförskjuten antennmatris där RF-källan delas mellan de två antennelementen. Antenner av den här typen innehåller vanligen två till åtta eller fler element, där vart och ett drivs från en utport hos en effektdelare. Fasväxlare är vanligen externa komponenter (dvs. inte en del av effektdelaren), vilket ger möjlighet att styra fältmönsterantennen elektroniskt.

Det andra exemplet är en kvadraturdemodulator, för vilken det krävs en lokal oscillator för vidare överföring till två mixrar som demodulerar RF-bärvågen till fas- och kvadraturmoduleringskomponenterna, (I) respektive (Q). Den 90 graders fasförskjutning som krävs för att demodulera Q-signalen kan ske externt, så som visas på bilden, eller internt i effektdelaren. I båda fallen är signaleffekterna lika.

Effektdelaren kan köras ”baklänges”, så att flera insignaler kombineras till en enda utsignal. Då är effektdelaren en ”effektkombinerare” i stället. I kombinerarläget kan enheten utföra vektoraddition eller subtraktion av signalerna, baserat på deras amplitud- och fasvärden.

Topologi för effektdelare

För att dela en signal till två reducerade amplitudkomponenter, kan utvecklaren överväga att använda en T-koppling genom att placera två laster på en gemensam källa (figur 2).

Figur 2: En enkel T-koppling kan användas för att dela en signal till två komponenter med lika stor amplitud och samma fas, men kopplingen har ett antal begränsningar. (Bildkälla: DigiKey)

Konfigurationen fungerar, men har ett antal begränsningar. Den mest uppenbara är felmatchad impedans. Om båda utgångarna (port 2 och 3) matas med 50 ohm (Ω) så blir lasten på ingången (port 1) 25 Ω. Om inmatningskällan är en 50 Ω-enhet, så uppstår ett lastproblem. Det andra problemet är bristande isolering. Om till exempel en av utgångarna kortsluts, kortsluts även den andra porten.

Det finns tre huvudsakliga kretstopologier för effektdelare, om man vill eliminera T-kopplingens begränsningar. Dessa tre topologier representeras av resistiva delare, hybriddelare och Wilkinson-delare (figur 3). Wilkinson- och hybriddelarna är så kallade reaktiva delare.

Figur 3: Förenklade kopplingsscheman för de tre vanliga topologierna av effektdelare: resistiva delare, Wilkinson-delare och hybriddelare. (Bildkälla: DigiKey)

Resistiva effektdelare

Den vanligaste varianten av effektdelare – den resistiva effektdelaren – använder tre likvärdiga resistorer, vanligtvis i en stjärnkonfiguration. Enhetens symmetri gör att det inte finns någon bestämd ingångsport – vilken som helst av portarna kan användas som ingång. Resistorvärdena är en tredjedel av den karakteristiska impedans som effektdelaren används med. I ett 50 W-system blir resistansvärdet 16,67 W, i ett 75 W-system blir värdet 25 W. Som grupp har de resistiva effektdelarna generellt den största frekvensbandbredden, eftersom det saknas frekvensberoende reaktiva komponenter i systemet.

Den främsta fördelen med den resistiva delaren är enkelheten: Att implementera enheten är okomplicerat och kan göras till låg kostnad. Enheten har också liten storlek. Dess största nackdel är effektförlust i resistorerna mellan utgångarna. Enheterna har en nominell effektspecifikation. I det flesta tillämpningar för resistiva effektdelare, används relativt låg effekt. Den isolering som resistorerna erbjuder mellan portarna är bättre än i T-konfigurationen.

Signalamplituderna vid utgångarna hos en resistiv effektdelare, är hälften av insignalens (figur 4).

Figur 4: Jämförelse av ingångar och utgångar hos en resistiv delare. Insignalen är en 50 MHz sinusvåg med en effektiv amplitud (rms) på 179,5 mV (överst till vänster). Utgångarna (mitten och längst ner till vänster) har effektivvärden på 91,7 mV (-5,8 dB) och 88,7 mV (-6,1 dB). Observera att signalerna är i fas, som väntat. (Bildkälla: DigiKey)

Spåret högst upp till vänster är insignalen, som är en 50  MHz sinusvåg med ett effektivvärde på 179,5 mV. Utsignalerna – spåren i mitten och längst ner till vänster – har effektivvärden på 91,7 mV respektive 88,7 mV. Det är -5,8 dB respektive -6,1 dB lägre än insignalen. De tre spåren till höger är horisontellt expanderade zoomspår, för att få en detaljerad vy. Observera att signalerna är i fas, som väntat.

Ett exempel på en resistiv effektdelare är Susumus PS2012GT2-R50-T1, en 50 W, tvåportars resistiv effektdelare med en bandbredd på 20 GHz. Den har en nominell effektförlust på 125 mW och en införingsförlust på 6 ±0,5 dB, varav 3 dB beror på effektförlust i de interna resistorerna. Enheten är inbyggd i en ytmonterad kapsel med måtten 2 x 1,25 x 0,4 mm.

Wilkinson-effektdelare

Wilkinson-effektdelaren är en reaktiv delare som använder två parallella, okopplade linjetransformatorer av typ kvartsvåglängd. Transmissionsledningarna gör det enkelt att implementera Wilkinson-delaren med hjälp av vanliga kretskortstransmissionsledningar. På grund av transmissionsledningarnas längd begränsas Wilkinson-delarens frekvensområde normalt till frekvenser över 500 MHz. Resistorn mellan utportarna gör att de kan ha likvärdiga impedanser men fortfarande erbjuda isolering. Eftersom utportarna innehåller signaler av samma amplitud och fas finns det ingen spänning över resistorn, så det uppstår inga strömflöden och därmed ingen effektförlust.

PD3150J5050S2HF från Anaren är en 50 W Wilkinson-effektdelare med två portar och ett frekvensområde på 3,1–5 GHz, med en maximal effekt på 2 W. Utöver effektminskningen på 3 dB har den en effektförlust på 1 dB (typiskt) och isolering på mer än 15 dB (typiskt). Måtten är 2,0 x 1,29 x 0,53 mm.

Hybrideffektdelare

Hybrideffektdelaren i figur 3 baseras på transformatorer. Transformator T2 har en kontakt i mitten, så att en autotransformator med varvförhållandet 2:1 bildas. Impedansen över hela utgångssidan är fyra gånger impedansen från mittkontakten till jord. Om impedanserna vid varje utport (port 2 och port 3) är 50 W, är den totala lastimpedansen 100 W. Detta reflekteras bakåt genom transformatorn, och blir 25 W vid mittkontakten på T2. För att matcha denna last mot ingången (port 1) behövs transformator T1, som är en 25 W till 50 W impedansmatchande transformator.

Om en insignal läggs på port 1, när port 2 och port 3 avslutas med 50 W-laster, induceras en ström med 180 graders fasförskjutning vid port 2 och port 3. Strömmarna genom resistorn R, som är lika med summan av impedanserna för port 2 och port 3 – dvs. 100 W i det här fallet – blir lika stora och har motsatta faser, vilket innebär att de tar ut varann. Det finns ingen spänning på port 2 från signalen på port 3 och tvärtom. Isoleringen är teoretiskt oändlig. Hälften av ingångseffekten uppstår vid var och en av utportarna.

MACOMS MAPD-009278-5T1000 är en hybrideffektdelare för frekvensområdet 5 MHz till 1 GHz. Den är konfigurerad som en tvåportars, nollgraders delare. Införingsförlusten, utöver effektminskningen på 3 dB, är mindre än 1,4 dB. Nominell isolering är 20 dB (typiskt). Delaren klarar maximalt 250 mW och de fysiska måtten är 4,45 x 4,22 x 3 mm.

Aktiva effektdelare

I tillämpningar där det krävs förlustfri signaldelning kan man använda aktiva effektdelare, som Analog Devices ADA4304-3ACPZ-R7. Det är en 75 W, 3:1-effektsplitter med inbyggd förstärkare som kan leverera 3 dB förstärkning. Enheten har en bandbredd på 2 400 MHz, avsedd för användning i frekvensområdet 54–865 MHz. Isoleringen utgång till utgång är bättre än 25 dB. Impedansen på 75 W och frekvensområdet tyder på att delaren är avsedd för TV-tillämpningar, exempelvis digitalboxsystem och kabel-TV-system.

Av de enheter som har beskrivits ovan är resistiva delare den enklaste typen, som också har störst bandbredd. Normalt är de också minst till formatet, men har högre införingsförlust och sämre isolering. Wilkinson-effektdelare har lägre införingsförlust och bättre isolering, men mindre bandbredd. Deras fysiska storlek varierar beroende på vilket frekvensområde som krävs. Hybrideffektdelaren erbjuder låg införingsförlust och bra isolering, men har större fysiskt format. Aktiva effektdelare eliminerar införingsförlusten men brukar vara dyrare.

Implementeringsöverväganden

Effektkombinerare är mycket enkla, men kan orsaka problem om de inte används på rätt sätt. Till exempel kan det uppstå likströmsförskjutningar vid ingången. Hybridkombineraren, som använder transformatorer, hanterar inte likström.

I resistiva delare kan förekomst av likström minska effektkapaciteten. Alla passiva effektkombinerare har symmetrisk topologi, och utvecklaren måste se till att symmetrin bibehålls när kombineraren används. Lasterna måste matchas och balanseras. Används omatchade lastimpedanser levereras olika utgångsnivåer.

I tillämpningar där det krävs fasta fasskillnader, som vid matning från en lokal oscillator till en kvadraturmodulator eller demodulator, måste utgångsvägarna vara lika långa, för att förhindra att faserna felmatchas vid mixrarna.

Slutsats

Inom modern RF-design och en rad tillämpningar inom IoT, digital kommunikation och förarassistans, krävs det möjlighet att dela eller kombinera signaler. Effektdelare/-kombinerare tillhandahåller sådan möjlighet. Utvecklare som behöver en effektdelare kan välja någon av tre olika topologier, där varje topologi medför specifika fördelar och nackdelar. Med grundläggande kunskaper om varje topologi kan utvecklaren välja bästa möjliga effektdelare för uppgiften i fråga.