Für Ingenieure, die sich mit der Analyse von Nicht-HF-Schaltungen oder mit tatsächlichen Leiterplatten- und Desktop-Arbeiten befassen, sind die wichtigsten Signalparameter, die sie interessieren, die Spannung und der Strom an bestimmten Punkten im Design. Diese Parameter können mit einem Voltmeter, Oszilloskop oder einem Strommesswiderstand gemessen werden.
Im Gegensatz dazu konzentrieren sich Mitarbeiter in den Bereichen kabelgebundene und kabellose HF auf die Leistung in Watt oder Milliwatt (mW) oder Dezibel (dB) basierend auf 1 mW (dBm). Die Messung der HF-Leistung ist jedoch keine leichte Aufgabe, da es keine einfache Spannung oder keinen einfachen Strom gibt, der den Aufnahmepunkt des Leistungsübertragungssignals stören würde. Im Gegenteil, zur Bewertung der HF-Leistungspegel sollten einzigartige Signalsender und -schemata verwendet werden.
Eine der gebräuchlichsten Methoden ist der Richtkoppler. Hierbei handelt es sich um ein passives Gerät, das sowohl HF-Signale mit einem bestimmten Kopplungsgrad „aufnehmen“ kann als auch eine hohe Isolierung zwischen dem Signal und dem Abtastanschluss bietet.
Dabei handelt es sich um eine vollständig validierte Technologie, die es uns ermöglicht, das Funktionsprinzip von Richtkopplern zu verstehen. Anschließend werden wir untersuchen, wie Fortschritte bei den Materialien die Entwicklung von Kopplern vorantreiben und sie auf SMT-Geräte (Micro Surface Mount Technology) reduzieren können, die für Schaltkreise mit geringem Stromverbrauch geeignet sind.
Funktionsprinzip des Richtkopplers
Der universelle Vier-Port-Koppler verfügt über eine passive HF-Funktion, einschließlich Kopplungsport (Vorwärts) und Isolationsport (Rückwärts oder Reflexion) (Abbildung 1, obere Abbildung). Der Richtungskoppler ist eine Drei-Port-Struktur, die keine isolierten Ports erfordert. Diese Konfiguration wird für Anwendungen verwendet, die nur einen einzigen Vorwärtskopplungsausgang (Richtungsausgang) erfordern (Abbildung 1, Abbildung unten).
Die Funktion eines Richtkopplers besteht darin, eine Leistungsabtastung in der Signalübertragungsleitung durchzuführen, ohne die Leitungseigenschaften zu verändern. Dies ähnelt in gewisser Weise der Verwendung eines Voltmeters mit hoher Impedanz, um eine zusätzliche Belastung der Stromversorgung auf der Testleitung zu vermeiden.
Mit dieser Richtkopplungstechnik können einfache Low-Level-Detektoren oder Feldstärkemessgeräte und Leistungsmessgeräte zur Messung der Signalleistung eingesetzt werden. Ein kleiner Teil der festen Eingangsleistung wird zu Messzwecken vom Eingangsanschluss P1 zum Kopplungsanschluss P3 geleitet. Die verbleibende Eingangsleistung wird an den Übertragungsanschluss P2 übertragen (als Durchgang oder Ausgang bezeichnet).
Ein wichtiger Vorteil von Richtkopplern sind ihre unidirektionalen Leistungskopplungseigenschaften; Nur unidirektionale Sendeleistung koppeln; Jede unerwartete Leistung, die in den Ausgangsanschluss eindringt, wird an den ungenutzten Klemmentrennanschluss P4 statt an Anschluss P3 gekoppelt, aber diese Situation beeinträchtigt den Richtungsfluss des Richtungskopplers nicht.
Abbildung 1: Ein Richtkoppler ist ein passives HF-Funktionsgerät mit drei Anschlüssen, das einen Teil der einfallenden Leistung an P1 zur Messung an den Kopplungsanschluss P3 übertragen kann, ohne den Haupteinzelpfad vom Eingangsanschluss P1 zum Übertragungs- (Ausgangs-)Anschluss P2 zu beeinträchtigen. Ein Richtkoppler ist ein unidirektionales Untergerät eines bidirektionalen Kopplers mit vier Anschlüssen. (Bildquelle: Wikipedia)
Diese Parameter der obersten Ebene werden zur Spezifikation von Richtkopplern verwendet:
Kopplungsgrad: Der Anteil der Eingangsleistung (bei P1), der an den Kopplungsanschluss (P3) übertragen wird.
Direktionalität: Dieser Parameter stellt die Fähigkeit des Kopplers dar, zwischen Vorwärts- und Rückwärtswellenausbreitung zu unterscheiden, die am Kopplungsanschluss (P3) und am Isolationsanschluss (P4) beobachtet werden kann.
Isolation: Die an nicht gekoppelte Lasten gelieferte Leistung (P4).
Einfügedämpfung: bezieht sich auf die Dämpfung der Eingangsleistung am Übertragungsanschluss, einschließlich der zum Kopplungsanschluss und Isolationsanschluss umgeleiteten Leistungskomponente.
Rückflussdämpfung: Dieser Parameter stellt die Leistung dar, die aufgrund einer Impedanzfehlanpassung zum P1-Anschluss zurückreflektiert wird.
Durch den Einsatz fortschrittlicher Materialien kann das Volumen von Richtkopplern reduziert werden
Es gibt viele Methoden zum Aufbau von Richtkopplern. Aus historischer Sicht wurden Richtkoppler durch Wellenleiter oder Koaxialkabel erreicht, die für Anwendungen mit höherer Leistung immer noch erforderlich sind. Moderne Low-End-HF-Schaltkreise, beispielsweise in Basisstationen, erfordern jedoch viel kleinere Koppler. Dies kann durch den Einsatz von Streifenleitungen oder Mikrostreifenprozessen auf Keramiksubstraten mit hoher Dielektrizitätskonstante erreicht werden.
Bei der Mikrostreifenleitung handelt es sich um eine planare Übertragungsleitungstechnologie, bei der ein leitfähiger Streifen verwendet wird, der durch ein dielektrisches Substrat von der Masseebene isoliert ist. Die kompletten Geräte wie Antennen, Koppler, Filter und Leistungsteiler werden durch metallisierte Musterstrukturen auf dem Substrat gebildet und weisen hochpräzise Dimensionseigenschaften auf. Im Vergleich zu anderen Übertragungsleitungstechnologien sind kleine Geräte mit Mikrostreifenleitungstechnologie leichter, kompakter und in der Regel kostengünstiger. Dieser Gerätetyp verträgt eine mittlere Leistung von etwa zehn Watt.
Durch die Verwendung von High-K-Materialien als Substrate kann die Wellenlänge von HF-Signalen verkürzt und die Gesamtgröße des Geräts verringert werden. Bitte beachten Sie, dass in der akademischen Literatur manchmal Kleinbuchstaben „k“ verwendet werden, die in formelleren Materialien als „kappa“ bezeichnet werden.
Durch den Einsatz von Richtkopplern aus High-K-Materialien und der hochpräzisen Dünnschicht-Mikrostreifen-Prozesstechnologie von Knowles können HF-Designer die Größe, das Gewicht und die Leistung (SWaP) von HF-Schaltkreisen reduzieren und gleichzeitig strenge Leistungstoleranzen einhalten.
Die Vorteile und Effekte dieser High-K-Materialien sind sehr bedeutsam, wie in Abbildung 2 dargestellt: Die Dielektrizitätskonstanten und entsprechenden Wellenlängen von drei gängigen dielektrischen Materialien (PTFE, FR-4 und Aluminiumoxid) und drei von Knowles entwickelten maßgeschneiderten Substraten (PG, CF und CG) bei 25 Gigahertz (GHz). Ihr CF-Substrat hat eine Dielektrizitätskonstante von 25, während die Dielektrizitätskonstante des FR-4-Materials 4,8 beträgt. Daher haben Geräte aus CF-Material eine um 2/5 verkürzte Wellenlänge im Vergleich zu Geräten aus FR-4-Material, wodurch eine deutliche Reduzierung der Gerätegröße erreicht wird.