Pasívne deliče výkonu vo vf technike: popis, parametre, simulácia

Úvod

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.

Pri ich použití vo vysokofrekvenčnej technike je pritom dôležité, aby sa impedancia na všetkých vstupoch a výstupoch čo najviac približovala k definovaným hodnotám. V praxi sa najčastejšie snažíme prispôsobiť vstupy a výstupy charakteristickej impedancii systému (najčastejšie 50 Ω alebo 75 Ω).

V tomto článku sa budem snažiť vysvetliť základné parametre a najdôležitejšie veci, ktoré treba zohľadniť pri návrhu rôznych typov deličov výkonu, aby tieto prvky pracovali v danej aplikácii podľa našich predstáv.

Parametre

Na popis a charakterizáciu deličov výkonu využijeme s-parametre, vysvetlené v jednom z mojich predchádzajúcich článkov („S-parametre – popis, definícia a meranie“, DPS č. 3/2013). Pre jednoduchosť budeme uvažovať iba 3-portový delič výkonu s jedným vstupom a dvoma výstupmi, ktorý je plne charakterizovaný trojrozmernou maticou.

Jednotlivé členy matice Sij predstavujú komplexné čísla, ktoré zodpovedajú základným parametrom deliča výkonu.

Hodnoty | S21 | a | S31 | udávajú prenos signálu zo vstupu (port 1) na jednotlivé výstupy (port 2, resp. port 3). Ak navrhujeme delič výkonu s rovnomernou distribúciou výkonu, tieto dve hodnoty by mali byť rovnaké. V ideálnom prípade platí | S21 | = | S31 | = −3 dB, to znamená, že polovica vstupného výkonu sa objaví na každom výstupe, t. j. žiadny výkon „nezostáva“ v samotnom deliči a teda straty sú nulové.

Obr. 1 Bloková schéma deliča výkonu

Obr. 2 Príklad matice s-parametrov ideálneho a reálneho deliča výkonu

Odčítaním hodnôt | S21 | – | S31 | a φ21 − – φ31 dostaneme hodnoty úmerné rozdielu amplitúd a fáz výstupných signálov, čo sú ďalšie dva dôležité parametre. Kým pri návrhu deliča s rovnomerným rozdelením výkonu požadujeme rozdiel amplitúd čo najmenší, požiadavky na fázový rozdiel môžu byť rôzne. Najčastejšie sa využívajú hodnoty Δϕ = 0°, t. j. výstupné signály sú vo fáze; Δϕ = 180°, t. j. výstupné signály sú v protifáze alebo Δϕ = 90°.

Určením hodnoty | S32 | dostaneme izoláciu medzi výstupnými portami. Táto hodnota by mala byť čo najvyššia (ideálne ∞), aby sa obvody pripojené na jednotlivé výstupy deliča výkonu navzájom neovplyvňovali.

Ako bolo už spomenuté v úvode, kvôli minimalizácii strát na vstupe/výstupe je dôležité kvalitné prispôsobenie všetkých portov daného prvku. Kvalita prispôsobenia jednotlivých portov s ohľadom na charakteristickú impedanciu systému je vyjadrená členmi matice | S11 |, | S22 | a | S33 |. Ako dostatočné prispôsobenie sa pritom považujú hodnoty | Sii | okolo −20 dB. Túto hodnotu však treba brať iba ako orientačnú a môže sa meniť podľa aplikácie.

Všetky uvedené parametre závisia okrem iného aj od frekvencie. Frekvenčný rozsah, pri ktorom dosiahneme požadované parametre, nám definuje posledný základný parameter pasívneho deliča výkonu, a to šírku pásma.

Pri pasívnych obvodoch, ako je tento, platí princíp reciprocity. Pre ostatné členy matice môžeme teda písať S21 = S12, S31 = S13 a S32 = S23.

Odporové deliče výkonu

Najjednoduchší odporový delič výkonu so všetkými portami prispôsobenými impedancii R je na obrázku 3. Hodnoty všetkých odporov R1 = R2 = = R3 = 16,67 Ω pre 50Ω systém, resp. 25 Ω pre 75Ω systém. Veľkou výhodou tohto deliča je jeho veľká šírka pásma; nevýhodami sú hlavne veľké straty (| S21 | = | S31 | = − 6 dB) a malá izolácia medzi jeho výstupmi (| S32 | = | S23 | = − 6 dB). Druhú spomenutú nevýhodu možno vyriešiť pridaním transformátora a malou zmenou zapojenia, čím dostaneme schému podľa obrázka 4a). V tomto prípade sú hodnoty všetkých odporov zhodné s charakteristickou impedanciou systému (napríklad R1 = R2 = R3 = R = 50 Ω). Teoreticky dosiahnuteľné parametre takéhoto zapojenia zobrazuje matica na obrázku 4b). Izolácia medzi výstupmi, ako aj šírka pásma, bude závisieť hlavne od kvality vyhotovenia transformátora. Na dosiahnutie dobrého prenosu signálu by transformátor mal byť navíjaný bifilárne na nízkostratové feritové jadro. Aj tak však musíme v realite počítať s prídavnými stratami okolo 1 dB, no pri dosiahnuteľnej šírke pásma až 3 dekády.

Obr. 3 Odporový delič výkonu a) schéma, b) matica s-parametrov

Obr. 4 Odporový delič výkonu s prídavným transformátorom a) schéma, b) matica s-parametrov

Deliče výkonu zhotovené z reaktívnych prvkov

Na zníženie veľkých strát charakteristických pre odporové deliče potrebujeme nahradiť odpory reaktívnymi prvkami, ako sú indukčnosti a kapacity. Pri správnej voľbe komponentov sa straty takto navrhovaných deličov výkonu približujú ideálnym hodnotám a dosiahnuteľný prenos medzi vstupom a výstupmi sa pohybuje okolo −3,2 dB.

Nevýhodou je však oveľa menšia šírka pásma. Jedným z príkladov môže byť LC delič zobrazený na obrázku 5a). Hodnoty prvkov v schéme som navrhol pre strednú frekvenciu f0 = 500 MHz. Aby sa simulačné výsledky viac približovali realite, zvolil som pre všetky kondenzátory hodnotu kvality QC = 300 a pre indukčnosti QL = 60. Ak si povieme, že šírku pásma určíme na základe izolácie medzi výstupnými portami, ktorú požadujeme minimálne 20 dB, tak z grafu na obrázku 5b môžeme odčítať relatívnu šírku pásma ~ 20 %.

Obr. 5 LC delič výkonu a) schéma, b) simulované parametre

Jednotlivé prvky v schéme navrhujeme podľa vzťahov R1 = 2R,

Deliče výkonu zhotovené z transformátorov

Ak si naša aplikácia vyžaduje delič výkonu s nízkymi stratami a zároveň veľkou šírkou pásma, môžeme použiť delič, ktorého hlavným prvkom je transformátor. Príklad schémy takéhoto deliča je na obrázku 6a). Delič tvoria dva transformátory v Ruthroff zapojení. Transformátor T2 delí výkon privedený do bodu A medzi jednotlivé výstupy. Zároveň však na ňom dochádza k transformácii impedancií z jeho výstupov (Z výstup (2) = = Z výstup (3) = R) a na jeho vstupe (bod A) dostávame impedanciu ZA = R/2. Na dosiahnutie správnych impedančných pomerov v obvode treba túto impedanciu prispôsobiť impedancii systému R, na čo slúži transformátor T1. (Transformátory v Ruthroff zapojení sú detailnejšie rozobraté v článku „Smithov diagram a Prispôsobovacie obvody – časť 3“, DPS č. 6/2013.)

Jeden z možných spôsobov navíjania transformátorov je zobrazený na obrázku 6b). Pri oboch transformátoroch sú vinutia navíjané bifilárne, resp. trifilárne na toroidné jadro z vhodného feritového materiálu. Kým takto navinutý transformátor T2 delí výkon presne na 2 rovnaké časti, transformátor T1 prevádza impedanciu z 25 Ω na vstupnú impedanciu 56,25 Ω (namiesto 50 Ω). Ako vidno zo simulácií na obrázku 6c), táto hodnota zodpovedá | S11 | = −24 dB, čo pre väčšinu aplikácií stačí. V prípade potreby presnejšieho impedančného prispôsobenia môžeme použiť napríklad odbočku na jednom z vinutí. Pri správnej voľbe jadra a precíznom navinutí vieme dosiahnuť šírku pásma od niekoľkých MHz po ~ 1,5 GHz.

Obr. 6 Príklad transformátorového deliča výkonu a) schéma, b) spôsob navíjania, c) simulované parametre

Deliče výkonu zhotovené z vedení na doske plošného spoja

Vo vyšších frekvenčných pásmach možno efektívne rozdeliť výkon použitím vedení. Základom takéhoto typu obvodov sa stal Wilkinsonov delič výkonu, pomenovaný podľa jeho autora. Tvoria ho vedenia dĺžky λ/4 charakteristickej impedancie Z0 = √2*R a odpor hodnoty 2R, kde λ predstavuje dĺžku vlny v danom prostredí a R je impedancia systému. Na obrázku 7a) je schéma Wilkinsonovho deliča výkonu s hodnotami navrhnutými pre 50Ω systém s využitím mikropásikových vedení na doske plošného spoja materiálu FR-4, hrúbky 31 mil.

Pri použití rovnakých kritérií na stanovenie šírky pásma ako v prípade LC deliča vychádza relatívna šírka pásma ~ 36 %. V prípade potreby je možné túto zvýšiť rôznymi úpravami spočívajúcimi v modifikáciách charakteristických impedancií či dĺžok jednotlivých vedení alebo pridaním externých kompenzačných prvkov.

Obr. 7 Wilkinsonov delič výkonu a) schéma, b) simulované parametre

Záver

Tento článok opisuje možnosti širokopásmového, ako aj úzkopásmového rozdelenia výkonu, pracujúcich od nízkych frekvencií až po GHz pásmo. Pri uvádzaní príkladov som sa zameral iba na dvojvýstupové deliče, ktorých signály na výstupe sú vo fáze. Všetky spomenuté parametre, ako aj spôsoby návrhu pasívnych deličov výkonu možno aplikovať aj na pasívne združovače výkonu. Jediný rozdiel je, že v prípade združovača máme vo všeobecnosti 2 alebo viac vstupných portov a jeden výstupný.