DPS ako univerzálna súčiastka – časť 3

Deliče výkonu realizované motívom plošného spoja

Deliče výkonu sú 3- a viacportové obvody, ktoré distribuujú výkon privedený na ich vstupný port medzi ich výstupné porty. Výkon môže byť rozdelený rovnomerne, t. j. na všetkých výstupoch bude signál rovnakej amplitúdy, alebo nerovnomerne, t. j. vstupný signál bude rozdelený medzi jednotlivé výstupy podľa vopred zvoleného pomeru.

Ako príklad zapojenia, pri ktorom je výkon privedený na vstup rovnomerne rozdelený na 2 výstupy, uvediem Wilkinsov delič výkonu.

Tento je tvorený vedeniami dĺžky λ/4 charakteristickej impedancie a odporom hodnoty 2R, kde λ predstavuje dĺžku vlny v danom prostredí a R je impedancia systému. Na obrázku 1a) je bloková schéma Wilkinsonovho deliča výkonu a jeho realizácia na doske plošného spoja. Zo simulovaných výsledkov znázornených na obrázku 1b) vidíme, že šírka pásma takto realizovaného deliča výkonu sa pohybuje okolo 30 %.

 

Obr. 1 Wilkinsonov delič výkonu: a) motív na doske plošného spoja; b) simulované parametre

 

Špeciálnym typom deličov výkonu sú hybridné členy. Sú to 4portové zapojenia realizované z úsekov vedení dĺžky λ/4 (resp. ¾ λ), ktoré rovnomerne distribuujú výkon zo vstupného portu na dva výstupné porty, pričom zvyšný port je izolovaný. Podľa realizovaného motívu na doske plošného spoja rozoznávame dva typy takýchto hybridov. Prvým typom je „Ratrace hybrid“, ktorého motív a schematickú značku vidíme na obrázku 2a). V tomto prípade sa signál privádza na port P1, kde dochádza k jeho rozdeleniu. Jedna jeho časť sa začne šíriť smerom k portu 2 a druhá (presne rovnaká) k portu 4. Keďže elektrické vzdialenosti medzi portmi P2 – P1 aj portmi P4 – P1 sú zhodné, výstupné signály na portoch P2 a P4 budú navzájom vo fáze, s fázovým posunom (θ = 90°) voči vstupu P1. Izolácia portu 3 je dosiahnutá vďaka jeho polohe voči portu 1. Časť vstupného signálu putujúceho z portu 1 k portu 3 cez port 2, musí prekonať vzdialenosť λ/4 + λ/4 = λ/2 (θ = 180°). Druhá jeho časť, putujúca cez port 4, však prekonáva vzdialenosť λ/4 + 3/4λ = λ (θ = 360°). Tým pádom sa v mieste portu 3 stretávajú dva signály rovnakej amplitúdy, no opačnej fázy, čím dôjde k ich vzájomnému odčítaniu. Toto zapojenie nachádza široké uplatnenie vo vysokofrekvenčnej technike vďaka jeho veľkej univerzálnosti. Keď napríklad potrebujeme rozdeliť signál tak, že na výstupe dostaneme signály v protifáze, použijeme ako vstup port 3, pričom port 2 a 4 naďalej slúžia ako výstupné porty. Alebo ak chceme sčítať, príp. odčítať dva signály, tak jednoducho zmeníme orientáciu portov a dané signály privedieme na porty 2 a 4, pričom ich súčet dostaneme na porte 1 a ich rozdiel na porte 3.

V prípade, že potrebujeme dostať 2 signály s rovnakou amplitúdou, ktoré budú navzájom fázovo posunuté o 90°, môžeme použiť druhý typ hybridu „Branch line hybrid“ , ktorého zapojenie je na obrázku 2b).

 

Obr. 2 Hybridné členy: a) Rat race hybrid; b) Branch line hybrid; c) Rat race hybrid – simulované priebehy parametrov

 

Hoci motív na doske plošného spoja, ktorým je možné toto zapojenie realizovať, je značne odlišný od motívu Ratrace hybridu, princíp činnosti je veľmi podobný. Aj tu ide o vzájomné sčítavanie a odčítavanie signálov stretávajúcich sa na jednotlivých portoch. Ako je to znázornené na schematickej značke, aj označenie jednotlivých portov je úplne analogické,t. j. port P1 je súčtový a port P3 rozdielový voči portom P2 a P4.

Posledným typom deliča výkonu, ktorý tu spomeniem, sú smerové odbočnice. Opäť ide o 4portové zapojenia, ktoré však na rozdiel od predchádzajúcich typov deličov výkonov distribuujú výkon privedený na ich vstupný port IN medzi výstupné porty OUT a COUP nerovnomerne. V praxi sa využívajú hlavne na získanie „vzorky“ signálu šíriaceho sa jedným smerom po vedení, na meranie hodnôt neznámych impedancií, prípadne na primiešanie signálu do uzavretého systému.

Pri realizácii smerovej odbočnice na doske plošného spoja môžeme použiť motív znázornený na obrázku 3a).

 

Obr. 3 Smerová odbočnica: a) motív na doske plošného spoja; b) simulované parametre

 

Celé zapojenie je založené na dvoch vedeniach dĺžky λ/4, ktoré sú umiestnené paralelne vedľa seba. Signál privedený na port IN sa šíri vedením k výstupnému portu OUT. Vďaka väzbe medzi dvoma paralelnými vedeniami sa časť výkonu prenesie na port COUP, a teda signál na výstupnom porte OUT bude o niečo menší. Pri bezstratovom vyhotovení bude platiť PIN (Port1) = POUT (Port2) + PCOUP (Port3). Vzájomný pomer medzi POUT a PCOUP je na doske plošného spoja určený primárne izolačnou medzerou medzi dvoma vedeniami. Z predchádzajúceho vzťahu vyplýva, že sa na porte ISO nevyskytne žiadny signál zo vstupu, t. j. porty IN a ISO sú navzájom izolované.

Na záver tejto časti venovanej deličom výkonu by som chcel zdôrazniť, že všetky uvedené zapojenia pracujú správne iba pri dokonalom prispôsobení všetkých ich pracovných portov k charakteristickej impedancii systému a iba v určitom frekvenčnom pásme (typ ~30–40 %). Iba vtedy sú totiž na vedeniach dodržané adekvátne fázové a amplitúdové pomery.

Antény na doske plošného spoja

Za anténu možno považovať akýkoľvek motív plošného spoja, ktorý vyžaruje elektrický signál do okolia, alebo naopak, prijíma signál vo forme elektromagnetických vĺn a prevádza ho na elektrický signál, ktorý môžeme ďalej spracovať. Kým pri návrhu plošných spojov sa dodržiavaním správnych návrhových pravidiel poväčšine snažíme eliminovať vyžarovanie na čo najmenšiu mieru, pri návrhu antén je náš cieľ úplne opačný. Tu hľadáme taký motív, ktorý by v definovanom frekvenčnom pásme vyžiaril čo najviac energie do požadovaného smeru. Vo všeobecnosti sa dá napísať, že pri anténach realizovaných na doske plošného spoja dochádza k vyžarovaniu signálu vďaka diskontinuitám spôsobujúcim nehomogenitu poľa alebo vďaka nerovnovážnym prúdom. Štruktúry antén sú recipročné, t. j. anténna štruktúra má rovnaké vlastnosti bez ohľadu na to, či plní funkciu vysielania, alebo príjmu.

Keďže antény pracujú ako rozhranie medzi elektrickým obvodom a ich nevodivým okolím (najčastejšie vzduchom), ich správny návrh musí zahŕňať vlastnosti oboch týchto svetov. Z pohľadu elektrického obvodu predstavuje anténa 1portové zariadenie, ktorého vstupná impedancia má určitú frekvenčnú charakteristiku. Pri návrhu bude teda naším hlavným cieľom prispôsobiť zdroj signálu k tejto impedancii a tak priviesť do antény čo najväčší výkon. Návrh antény z pohľadu jej nevodivého okolia je už o niečo zložitejší. Tu už berieme do úvahy viac faktorov a vhodne navrhnutými štruktúrami sa snažíme dosiahnuť na anténe také rozloženie prúdov a napätí, ktoré povedie k požadovaným vyžarovacím charakteristikám. Celkovo vlastnosti antén vyjadrujeme parametrami ako zisk, účinnosť, smerovosť, vstupná impedancia, vyžarovací diagram, frekvenčné pásmo atď.

V literatúre by sa dalo nájsť veľmi veľa motívov antén realizovaných na doske plošného spoja. Niektoré z nich sú zobrazené na obrázku 4.

 

Obr. 4 Antény tvorené motívom na plošnom spoji: a) Obdĺžniková patch anténa; b) Štrbinová anténa; c) Vivaldi anténa; d) Špirálová anténa

 

Štruktúra obdĺžnikovej patch antény (obrázok 4a)) je založená na mikropásikovom vedení a pozostáva z obdĺžnikového motívu vytvoreného na strane TOP plošného spoja a vodivej uzemňujúcej plochy na strane BOTTOM. Výhodou tohto typu antén je jej pomerne jednoduchý návrh, ktorý spočíva v nájdení správnych rozmerov obdĺžnika, vhodnej hrúbky a materiálu substrátu. Pri návrhu môžeme využiť teóriu vedení. Na anténu šírky W a dĺžky L sa tu pozeráme jako na veľmi široké mikropásikové vedenie zakončené vyžarovacou impedanciou. Dĺžku L vypočítame tak, aby dochádzalo pri požadovanej frekvencii k rezonancii, t. j. elektrické pole pozdĺž vedenia bude na jeho koncoch maximálne. Zároveň pritom predpokladáme, že elektrické pole je v celej šírke vedenia konštantné. K vyžarovaniu potom dochádza iba v dôsledku nehomogénneho poľa na okrajoch takéhoto mikropásikového vedenia.

Pri týchto predpokladoch vieme napísať vzťahy pre W a L:

Vstupnú impedanciu potom dostaneme zo vzťahu:

Ako z predchádzajúcich riadkov vyplýva, tento prístup je síce pomerne jednoduchý, no vďaka mnohým aproximáciám je takto získané výsledky zväčša potrebné ďalej optimalizovať použitím profesionálneho softvéru.

Na obrázku 5 je príklad takto optimalizovanej antény pracujúcej vo frekvenčnom pásme okolo 2,1 GHz.

 

Obr. 5 Simulácia obdĺžnikovej patch antény: a) simulovaný motív; b) simulované priebehy vstupnej impedancie

 

Signál je zvyčajne k patch anténe privádzaný cez mikropásikové vedenie (ako je to znázornené na obrázku 4a)) alebo koaxiálnym káblom. Výhodou je tu možnosť v prípade potreby meniť bod, cez ktorý anténu napájame, čím vieme meniť vstupnú impedanciu v širokom rozmedzí.

Nevýhodou tejto antény je jej pomerne malá účinnosť vyžarovania, ako aj malá šírka pásma, v prípade použitia substrátu s vysokou permitivitou.

Štrbinová anténa je tvorená otvorom vo vodivej ploche, ako je to zobrazené na obrázku 4b). Jej vyžarovacie charakteristiky sa zhodujú s dobre známym dipólom, akurát při nich treba vymeniť elektrické a magnetické polia. Rovnako ako v prípade patch antény, aj štrbinovú anténu môžeme napájať rôznym spôsobom, napr. cez koaxiálny kábel, dvojlinku, mikropásikovým vedením alebo vlnovodom.

Do skupiny štrbinových antén patri aj Vivaldi anténa, ktorej motív je zobrazený na obrázku 4c). Vďaka exponenciálnemu tvarovaniu štrbiny dosahuje šírku pásma niekoľko oktáv. Anténa vyžaruje najviac v smere lievika pozdĺž osi symetrie a jej výhodou je okrem už spomínanej veľkej šírke pásma aj veľká smerovosť, čo ju predurčuje na využitie pri satelitnej komunikácii, príp. radaroch.

Poslednou zobrazenou anténou je špirálová anténa (obrázok 4d)), ktorá patrí do rodiny frekvenčne nezávislých antén. To znamená, že jej smerová charakteristika, impedancia a polarizácia sa s frekvenciou (teoreticky) nemenia. Toto by však platilo iba v prípade, že by mala nekonečne veľa závitov.

Hoci je toto v praxi, samozrejme, nesplniteľné, táto anténa sa vyznačuje veľkou šírkou pásma už pri použití 1,5 závitu. Spodná hranica frekvenčného pásma fd je určená elektrickou dĺžkou jedného ramena, ktorá musí byť rovná λd = v / fd, kde v je rýchlosť svetla v danom prostredí.

Od vyššie uvedených antén sa špirálová anténa odlišuje aj tým, že vyžaruje kruhovo polarizovanú vlnu, čo môže byť veľmi užitočné pri mnohých aplikáciách.

Záver

V tomto mojom miniseriáli som sa snažil ukázať, ako možno pri znalostiach vysokofrekvenčnej techniky využiť dosku plošného spoja na tvorbu rôznych elektronických komponentov. Za všetky nespomenuté zapojenia by som rád na záver uviedol dva obrázky, ktoré ilustrujú, ako môže vyzerať kompletný obvod, ktorého dominantná časť je tvorená výlučne motívom plošného spoja (obr. 6).

 

Obr. 6 a) FET mixér; b) frekvenčný násobič

 

Zoznam použitej literatúry:

[1] Chang, K.: RF and Microwave Wireless Systems, John Wiley & Sons, Inc. 2000.

[2] Räisänen, A. V.; Lehto, A.: Radio Engineering for Wireless Communication and Sensor Applications, Artech House, 2003

[3] Maas, S. A.: The RF and Microwave Circuit Design Cookbook, Artech House, 1998

[4] Milligan, T. A.: Modern Antenna Design, McGraw-Hill, 1985