Smerové odbočnice vo vf technike: popis, parametre, simulácia

Úvod

Smerové odbočnice sú podskupinou deličov výkonu, ktoré nerovnomerne distribuujú výkon privedený na ich vstupný port medzi výstupné porty. Využívajú sa hlavne na získanie „vzorky“ signálu šíriaceho sa jedným smerom po vedení, na meranie hodnôt neznámych impedancií, prípadne na primiešanie signálu do uzavretého systému. Schematická značka 3-portového prvku je znázornená na obrázku 1.

Obr. 1 Schematická značka smerovej odbočnice

Základný princíp činnosti spočíva v tom, že určitá malá, presne definovaná časť signálu prichádzajúceho na port 1 (IN) sa prenesie na port 3 (COUP), pri minimálnom útlme medzi portom 2 (OUT) a portom 1 (IN). Napr. v 10 dB odbočnici je signál na porte 3 o 10 dB menší oproti signálu na vstupe (−10 dB predstavuje 1/10 vstupného výkonu). V ideálnom prípade, t.  j. pri nulových stratách, sa zvyšných 9/10 výkonu (P_IN – 0,46 dB) objaví na porte 2. Při znalosti parametrov odbočnice môžeme meraním signálu na porte 3 veľmi ľahko získať informáciu o veľkosti signálu na porte 1.

Keďže sa smerová odbočnica zapája do kaskády s inými vysokofrekvenčnými zariadeniami, vstupná, resp. výstupná impedancia na jej jednotlivých portoch musí zodpovedať charakteristickej impedancii systému, pre ktorý je navrhovaná.

Popis a vnútorná štruktúra smerovej odbočnice

Hoci je smerová odbočnica v základnom zapojení pripojená k ostatným zariadeniam cez vyššie spomínané 3 porty, jej vnútorná štruktúra je v skutočnosti 4-portová (pozrite obrázok 2).

Obr. 2 Vnútorná štruktúra smerovej odbočnice

Port 4, na schémach často označený ako ISO, je izolovaný od vstupného portu 1. To znamená, že v ideálnom prípade sa doň zo vstupu nedostane žiadny signál a slúži iba na impedančné vybalansovanie obvodu.

Existujú však aj aplikácie, kde sa využívajú všetky 4 porty. Vtedy port 4 slúži na získanie vzorky signálu vchádzajúceho do portu 2 a vychádzajúceho z portu 1. Port 3 je pritom od tohto signálu izolovaný.

Na popis a charakterizovanie smerovej odbočnice využijeme trojrozmernú maticu S-parametrov, ktorá plne popisuje prvok v základnom, 3-portovom zapojení.

Všetky členy matice S_ij predstavujú komplexné čísla a sú frekvenčne závislé. To znamená, že každej frekvencii prislúcha samostatná matica S-parametrov.

Parametre smerovej odbočnice

Asi najdôležitejším parametrom smerovej odbočnice je hodnota smerovej väzby (Coupling Factor). Tá je vyjadrená členom | S₃₁ |, ktorý kvantifikuje, aká časť vstupného výkonu sa z portu 1 prenesie na port 3. Typické hodnoty pri komerčne ponúkaných produktoch sú – 6 dB, −10 dB, −12 dB, −20 dB atď.

Priamo súvisiacim parametrom je hodnota zvlnenia smerovej väzby (Flatness), teda maximálna odchýlka hodnôt | S₃₁ | od nominálnej hodnoty v definovanom frekvenčnom pásme.

Útlm signálu medzi vstupom a výstupom odbočnice (Main Line Loss alebo Forward Insertion Loss) udáva parameter | S₂₁ |. Jeho minimálna hodnota nepriamoúmerne závisí od zvolenej hodnoty smerovej väzby, ako to bolo ukázané na príklade uvedenom v úvodnej časti článku. To znamená, že čím väčší je Coupling Factor, tým menší útlm medzi vstupným a výstupným portom vieme pri návrhu dosiahnuť.

Smerová odbočnica sa nazýva „smerová“ preto, lebo na port 3 sa má dostať definovaná časť signálu iba z portu 1. A hoci je útlm medzi portom 1 a 2 minimálny, port 3 musí byť od signálu prichádzajúceho na port 2 v opačnom smere čo najviac izolovaný. Túto izoláciu (Isolation) vyjadruje člen matice | S₃₂ |.

Pri popise smerovej odbočnice sa udáva aj parameter nazývaný smerovosť (Directivity), ktorý vyjadruje, o koľko je väčší prenos signálu medzi portami 1 a 3 oproti prenosu signálu medzi portami 2 a 3. Hodnota tohto parametra je teda rozdiel hodnoty izolácie a veľkosti smerovej väzby čiže | S₃₂ | − | S₃₁ |.

Kvalitu prispôsobenia jednotlivých portov smerovej odbočnice udávajú členy | S₁₁ |, | S₂₂ | a | S₃₃ |, pričom platí, že čím menšia je absolútna hodnota komplexného čísla | S_ii |, tým lepšie je port prispôsobený k charakteristickej impedancii systému.

Po uplatnení princípu reciprocity, podľa ktorého pre pasívne prvky môžeme písať S_ij = S_ji dostávame kompletnú maticu S-parametrov, charakterizujúcich smerovú odbočnicu pri jednej frekvencii (obr. 3).

Obr. 3 Príklad matice S-parametrov ideálnej a reálnej 10 dB smerovej odbočnice

Návrh smerovej odbočnice

Za predpokladu nulových strát v obvode platia pre Coupling Factor a Main Line Loss nasledujúce vzťahy.

kde P_IN(Port1), P_OUT(Port2) a P_COUP(Port3) predstavujú hodnoty výkonu signálov na jednotlivých portoch.

Z týchto rovníc môžeme potom jednoducho určiť vzťah medzi Coupling Factor a Main Line Loss, ktorý je graficky zobrazený na obrázku 4.

Obr. 4 Závislosť medzi Coupling Factor a Main Line Loss smerovej odbočnice

Tento graf je potom veľmi užitočný při určovaní výkonových pomerov na úrovni celého systému, v ktorom bude smerová odbočnica použitá.

Návrh a samotné vyhotovenie zariadenia závisí predovšetkým od frekvencie a požadovanej šírky frekvenčného pásma, pre ktoré je smerová odbočnica navrhovaná.

Smerová odbočnica zhotovená z vedení na doske plošného spoja

Na mikrovlnné aplikácie sa môže použiť najznámejšie a zároveň asi najjednoduchšie zapojenie smerovej odbočnice pozostávajúce z dvoch častí vedenia dĺžky λ/4, kde λ predstavuje dĺžku vlny šíriacej sa daným vedením (obrázok 5).

Obr. 5 Smerová odbočnica z vedenia dĺžky λ/4

Pre správnu činnosť zapojeniamusia byť všetky porty zakončené impedanciou zodpovedajúcou charakteristickej impedancii systému. Vtedy možno dosiahnuť šírku pásma asi 1 oktávu. Jednotlivé vedenia možno zhotoviť vo forme mikropásikových vedení, stripline, alebo koaxiálnych vedení. Príklad návrhu 15 dB smerovej odbočnice pre strednú frekvenciu 2 GHz, realizovanej pomocou mikropásikových vedení na doske plošného spoja so substrátom FR-4 hrúbky 1,5 mm, je na obrázku 6. Šírka vodiča W, dĺžka vodiča L, ako aj veľkosť medzery medzi vodičmi S sú na schéme uvedené v mil-och.

Obr. 6 15dB smerová odbočnica zhotovená z mikropásikových vedení: a) simulačná schéma, b) simulované parametre, c) výsledný motív na doske plošného spoja

Smerová odbočnica zhotovená z diskrétnych súčiastok

Pre nižšie frekvenčné pásma môžeme λ/4 vedenia aproximovať ich modelmi zloženými z diskrétnych komponentov. Ak si zvolíme ako model T-článok, dostaneme zapojenie podľa obrázka 7 a).

Na výpočet hodnôt jednotlivých komponentov použijeme vzťahy:

kde f₀ je stredná frekvencia a Z₀ charakteristická impedancia systému.

Obrázok 7 b) zobrazuje simulované hodnoty S-parametrov 15 dB smerovej odbočnice navrhnutej pre strednú frekvenciu f₀ = 200 MHz pri charakteristickej impedancii systému Z₀ = 50 Ω.

Obr. 7 Smerová odbočnica zhotovená z diskrétnych súčiastok: a) schéma zapojenia, b) simulované hodnoty S-parametrov

Smerová odbočnica zhotovená použitím transformátorov

Ak si naša aplikácia vyžaduje širokopásmovú odbočnicu so šírkou pásma až niekoľko dekád, najvýhodnejšou voľbou je transformátorové zapojenie, vhodné pre frekvencie od jednotiek MHz až po vyše 1 GHz. Z viacero zapojení takéhoto typu som sa rozhodol popísať schému zobrazenú na obrázku 8 a).

Zapojenie pozostáva z dvoch transformátorov T1 a T2. Každý z transformátorov je zložený z dvoch vinutí, pričom počet závitov sekundárnych vinutí Ns1 a Ns2 je väčší ako počet závitov primárnych vinutí Np1 a Np2.

Jednotlivé parametre smerovej odbočnice sú primárne určené pomerom závitov na jednotlivých transformátoroch. Ak označíme N1 ako pomer závitov na sekundárnej a primárnej strane transformátora T1, t. j. N1 = Ns1 / Np1, a N2 ako pomer závitov na sekundárnej a primárnej strane transformátora T2, t. j. N2 = Ns2 / Np2, potom môžeme pomocou tabuľky 1 navrhnúť smerovú odbočnicu podľa našich požiadaviek. Pri bližšom pohľade na tabuľku si môžeme všimnúť, že pre N1 = N2 = N a za podmienky, že N ≥ 2 možno Coupling Factor aproximovať rovnicou

Uvedená tabuľka pritom nie je špecifická pre určitú impedanciu systému Z₀, preto ju možno použiť rovnako pri návrhu obvodu pre 50 Ω systém, ako aj 75 Ω systém. Charakteristickú impedanciu systému určíme odporom, ktorý pripojíme na port 4, ako je to znázornené na obrázku 8 b).

Obr. 8 Transformátorové zapojenie smerovej odbočnice: a) schematické zapojenie; b) spôsob navíjania; c) komerčne vyrábaná súčiastka

Aby sa dosiahnuté parametre čo najviac blížili vypočítaným parametrom, musí byť konštrukcia oboch transformátorov vykonaná veľmi precízne. Transformátory navíjame zväčša na dvojdierové jadro vyrobené z vhodného feritového materiálu s čo najmenšími stratami. Voľba materiálu závisí od frekvenčného pásma, pre ktoré je odbočnica určená, keďže materiál a rozmery jadra determinujú frekvenčný rozsah prvku. Kým pri nízkych frekvenciách (~ jednotky MHz) by sme využili materiál s vysokou permeabilitou a väčší rozmer jadra, pri vyšších frekvenciách ( > 700 MHz) potrebujeme hlavne jadro s minimálnymi stratami a čo najmenšiu dĺžku vodičov tvoriacich jednotlivé závity transformátora. Tak ako vo väčšine prípadov, aj tu je potrebné teda zvoliť pri výbere jadra vhodný kompromis. Okrem toho frekvenčnú charakteristiku odbočnice pri vysokých frekvenciách ovplyvňujú aj medzizávitové kapacity a parazitná indukčnosť prívodov. Veľmi dôležité je najmä, aby uzemňovací prepoj v strednej časti jadra bol čo najkratší. Spôsob navíjania a príklad konštrukcie komerčne vyrábaných odbočníc je na obrázku 8 b) a 8 c).

Záver

V tomto článku som sa snažil vysvetliť princíp činnosti prvku, ktorý je v praxi veľmi často využívaný, avšak možno nie je až taký známy priaznivcom elektroniky, ktorí sa nevenujú špeciálne vysokofrekvenčnej technike. Všetky spomenuté zapojenia boli otestované a môžu slúžiť ako návod pri návrhu vlastných smerových odbočníc.

 

Zoznam použitej literatúry:

[1] Vizmuller P., RF Design Guide – Systems, Circuits, and Equations, Artech House, Inc., 1995.

[2] RF Directional Couplers and 3dB Hybrids Overview, AN-M560, MACOM

[3] Milan Hammer, S-parametre – popis, definícia a meranie, DPS č. 3/2013

[4] Milan Hammer, Smithov diagram a Prispôsobovacie obvody – časť 3, DPS č. 6/2013

[5] Milan Hammer, Návrh vf obvodov s využitím mikropásikových vedení – časť 2, DPS č. 3/2014