Voor ingenieurs die zich bezighouden met niet-RF-circuitanalyse of feitelijk printplaat- en desktopwerk, zijn de belangrijkste signaalparameters die voor hen van belang zijn de spanning en stroom op specifieke punten in het ontwerp. Deze parameters kunnen worden gemeten met behulp van een voltmeter, oscilloscoop of stroomdetectieweerstand.
Werknemers in de bekabelde en draadloze RF-velden concentreren zich daarentegen op vermogen in watt of milliwatt (mW), of decibel (dB) op basis van 1 mW (dBm). Het meten van het RF-vermogen is echter geen gemakkelijke taak, omdat er niet zoiets bestaat als een simpele spanning of stroom die het ophaalpunt van het signaal van de transmissie zou kunnen verstoren. Integendeel, er moeten unieke signaalzenders en -schema's worden gebruikt om de RF-vermogensniveaus te evalueren.
Directionele koppelaar is een van de meest gebruikelijke methoden, een passief apparaat dat zowel RF-signalen met een gespecificeerde koppelingsgraad kan "oppikken" als een hoge isolatie kan bieden tussen het signaal en de bemonsteringspoort.
Dit is een volledig gevalideerde technologie waarmee we het werkingsprincipe van richtingskoppelingen kunnen begrijpen. Vervolgens zullen we onderzoeken hoe de vooruitgang op het gebied van materialen de ontwikkeling van koppelingen kan stimuleren, door deze terug te brengen tot apparaten met micro-oppervlaktemontagetechnologie (SMT) die geschikt zijn voor circuits met laag vermogen.
Werkingsprincipe van directionele koppeling
De universele vierpoortskoppeling heeft een passieve RF-functie, inclusief koppelpoort (voorwaarts) en isolatiepoort (achterwaarts of reflectie) (Afbeelding 1, bovenste afbeelding). Directionele koppeling is een structuur met drie poorten waarvoor geen geïsoleerde poorten nodig zijn; Deze configuratie wordt gebruikt voor toepassingen die slechts één voorwaarts gekoppelde (directionele) uitgang vereisen (Figuur 1, figuur hieronder).
De functie van een directionele koppelaar is het uitvoeren van vermogensbemonstering in de signaaltransmissielijn zonder de lijnkarakteristieken te veranderen. Dit lijkt enigszins op het gebruik van een voltmeter met hoge impedantie om te voorkomen dat de voeding op de testlijn wordt belast.
Met deze directionele koppelingstechnologie kunnen eenvoudige laagniveaudetectoren of veldsterktemeters en vermogensmeetapparatuur worden gebruikt om het signaalvermogen te meten. Een klein deel van het vaste ingangsvermogen zal voor meetdoeleinden invallen van ingangspoort P1 naar koppelpoort P3. Het resterende ingangsvermogen wordt verzonden (doorlaat of uitvoer genoemd) naar de transmissiepoort P2.
Een belangrijk voordeel van directionele koppelingen zijn hun unidirectionele vermogenskoppelingskarakteristieken; Alleen het koppelen van unidirectioneel zendvermogen; Elke onverwachte stroom die de uitgangspoort binnenkomt, zal worden gekoppeld aan de ongebruikte terminalisolatiepoort P4 in plaats van aan poort P3, maar deze situatie zal de directionele stroom van de directionele koppelaar niet verstoren.
Figuur 1: Een directionele koppelaar is een passief RF-functioneel apparaat met drie poorten dat een deel van het invallende vermogen op P1 kan overbrengen naar de koppelpoort P3 voor metingen zonder het hoofdpad van invoerpoort P1 naar transmissiepoort (uitvoer) P2 te beïnvloeden; Een directionele koppelaar is een unidirectioneel subapparaat van een bidirectionele koppelaar met vier poorten. (Afbeeldingsbron: Wikipedia)
Deze parameters op het hoogste niveau worden gebruikt om richtingskoppelingen te specificeren:
Koppelingsgraad: het aandeel van het ingangsvermogen (op P1) dat naar de koppelpoort (P3) wordt gestuurd.
Directionaliteit: Deze parameter vertegenwoordigt het vermogen van de koppelaar om onderscheid te maken tussen voorwaartse en achterwaartse golfvoortplanting, wat kan worden waargenomen vanaf de koppelingspoort (P3) en de isolatiepoort (P4).
Isolatie: het vermogen dat wordt geleverd aan niet-gekoppelde belastingen (P4).
Invoegverlies: verwijst naar de verzwakking van het ingangsvermogen bij de transmissiepoort, inclusief de vermogenscomponent die wordt omgeleid naar de koppelpoort en isolatiepoort.
Retourverlies: deze parameter vertegenwoordigt het vermogen dat wordt teruggekaatst naar de P1-poort als gevolg van impedantie-mismatch.
Het gebruik van geavanceerde materialen kan het volume van richtkoppelingen verminderen
Er zijn veel methoden om richtingskoppelingen te construeren. Vanuit historisch perspectief zijn richtingskoppelingen gerealiseerd via golfgeleiders of coaxkabels, die nog steeds nodig zijn voor toepassingen met hogere vermogens. Moderne low-end RF-circuits, zoals die in basisstations, vereisen echter veel kleinere koppelaars. Dit kan worden bereikt door gebruik te maken van striplijnen of microstripprocessen op keramische substraten met een hoge diëlektrische constante.
Microstriplijn is een vlakke transmissielijntechnologie die gebruik maakt van een geleidende strip die door een diëlektrisch substraat van het aardvlak wordt geïsoleerd. De complete apparaten, zoals antennes, koppelaars, filters en stroomverdelers, worden gevormd door gemetalliseerde patroonstructuren op het substraat en hebben uiterst nauwkeurige maatkenmerken. Vergeleken met andere transmissielijntechnologieën zijn kleine apparaten die zijn gebouwd met behulp van microstriplijntechnologie lichter, compacter en doorgaans goedkoper. Dit type apparaat kan een gemiddeld vermogen van ongeveer tien watt aan.
Het gebruik van materialen met een hoge K als substraten kan de golflengte van RF-signalen verkorten en de totale omvang van het apparaat verkleinen. Houd er rekening mee dat in de academische literatuur soms de kleine letter 'k' wordt gebruikt, die in meer formeel materiaal 'kappa' wordt genoemd.
Door gebruik te maken van directionele koppelingen gemaakt van materialen met een hoge K en Knowles' uiterst nauwkeurige dunne-film microstrip-procestechnologie kunnen RF-ontwerpers de omvang, het gewicht en het vermogen (SWaP) van RF-circuits verminderen met behoud van strikte prestatietoleranties.
De voordelen en effecten van deze materialen met een hoge K zijn zeer significant, zoals weergegeven in figuur 2: de diëlektrische constanten en overeenkomstige golflengten van drie gebruikelijke diëlektrische materialen (PTFE, FR-4 en aluminiumoxide) en drie op maat gemaakte substraten ontwikkeld door Knowles (PG, CF en CG) bij 25 gigahertz (GHz). Hun CF-substraat heeft een diëlektrische constante van 25, terwijl de diëlektrische constante van FR-4-materiaal 4,8 is. Daarom hebben apparaten gemaakt van CF-materiaal een golflengte die is verkort tot 2/5 van die van FR-4-materiaal, waardoor de apparaatgrootte aanzienlijk wordt verkleind.