Wdrażanie satelitarnych układów antenowych o optymalnym współczynniku rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C) przy użyciu dzielnika mocy SMD i sprzęgaczy kierunkowych

Przestrzeń wokół Ziemi szybko się zapełnia, a w ciągu najbliższej dekady na orbitę mają zostać wysłane tysiące nowych satelitów. Wywiera to presję na projektantów urządzeń łączności satelitarnej z dwóch stron. Po pierwsze, szerokość tradycyjnych pasm L, C i X dostępna dla urządzeń łączności satelitarnej szybko się wyczerpuje. Po drugie, producenci satelitów komercyjnych chcą, aby ich produkty były lżejsze, a umieszczanie na orbicie tańsze.

W odpowiedzi na braki w szerokości pasm radiowych projektanci systemów satelitarnych przenoszą komunikację z tradycyjnych pasm satelitarnych na pasma o wyższej częstotliwości radiowej, takie jak Ku (12-18GHz). Pasmo Ku oferuje możliwość uzyskania większej przepustowości i jest znacznie mniej „zatłoczone”. W odpowiedzi na zapotrzebowanie na optymalizację współczynnika rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C) projektanci konstruują kluczowe elementy satelity, takie jak układy antenowe, z wykorzystaniem zaawansowanych urządzeń do montażu powierzchniowego w obudowach.

W niniejszym artykule przedstawiono zalety dzielników mocy i sprzęgaczy kierunkowych do montażu powierzchniowego, czyli kluczowych elementów pasywnych stosowanych w antenach satelitarnych na pasmo Ku. W artykule zaprezentowano przykładowe urządzenia firmy Knowles Dielectric Labs, i opisano, w jaki sposób te komponenty spełniają dzisiejsze wymagania dotyczące niskiego współczynnika SWaP, oraz w jaki sposób projektanci mogą wykorzystać kluczowe charakterystyki parametrów działania tych ważnych komponentów do optymalizacji działania układu antenowego.

Postępy w układach antenowych

W ostatnim czasie w dziedzinie anten satelitarnych i naziemnych zaczęto odchodzić od pojedynczych anten satelitarnych na rzecz układów antenowych. Układy antenowe łączą w sobie co najmniej dwa elementy, z których każdy pracuje zasadniczo jako mini antena. Korzyści z zastosowania układów antenowych w porównaniu z antenami konwencjonalnymi w zastosowaniach satelitarnych to m.in.:

• Większy zysk energetyczny
• Zwiększony stosunek sygnału do szumu (SNR)
• Możliwość sterowania wiązką transmisyjną i zwiększona czułość na sygnały przychodzące z określonego kierunku
• Lepsze zróżnicowanie odbioru (pomaga przezwyciężyć zanik sygnału)
• Mniejsze listki boczne w charakterystyce promieniowania anteny

Konwencjonalna architektura układu składa się z trójwymiarowej konfiguracji złożonej z zespołów elektronicznych umieszczonych obok siebie i połączonych za pomocą wielu złączy i kabli. Zwiększa to objętość i złożoność układu antenowego w porównaniu z pojedynczymi antenami satelitarnymi.

Rozwiązaniem problemu z wielkością i złożonością jest skupienie się na obniżeniu współczynnika SWaP-C, które pozwala wyeliminować blokową konstrukcję wynikającą z płytkowo-przewodowych i hybrydowych technik produkcji. Nowsze konstrukcje składają się z wielu mikropaskowych elementów płaskich (2D) umieszczonych na podłożu w postaci płytki drukowanej z wykorzystaniem montażu powierzchniowego. Płaska konfiguracja eliminuje konieczność stosowania wielu złączy i kabli, co zwiększa możliwości produkcyjne, a jednocześnie podnosi niezawodność i upraszcza produkcję (ilustracja 1).

Ilustracja 1: zastosowanie komponentów do montażu powierzchniowego o niskim współczynniku SWaP-C (po prawej) pozwala na zmniejszenie rozmiarów satelitarnych układów antenowych w porównaniu z konwencjonalnym zespołem blokowym 3D (po lewej). (Źródło ilustracji: Knowles DLI)

Urządzenia do montażu powierzchniowego nie tylko znacznie zmniejszają rozmiary układu antenowego, ale także pozwalają na wykorzystanie jednej zautomatyzowanej linii montażowej, co znacznie obniża koszty produkcji w porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami płytkowo-przewodowymi lub hybrydowymi. Montaż powierzchniowy pomaga również skrócić czas wprowadzenia produktu na rynek.

Osiągnięcie takich postępów było możliwe dzięki nowej generacji komponentów do montażu powierzchniowego, które mogą niezawodnie działać w przestrzeni kosmicznej przy wysokich częstotliwościach roboczych. Urządzenia te charakteryzują się innowacyjnymi materiałami dielektrycznymi, wąską tolerancją, produkcją cienkowarstwową oraz nowatorską topologią linii mikropaskowej, co zapewnia dobry stosunek parametrów pracy do zajmowanej powierzchni.

Kluczowe komponenty układu antenowego: dzielnik mocy

Krytycznym pasywnym komponentem SMD w układzie antenowym jest dzielnik mocy. Poszczególne dzielniki mocy dzielą sygnał wejściowy na co najmniej dwa sygnały rozsyłane do członów antenowych wchodzących w skład układu. Najprostszy dzielnik mocy rozdziela moc wejściową (pomniejszoną o pewne straty w obwodzie) równomiernie na każde odgałęzienie wyjściowe. Istnieją też rozwiązania, które umożliwiają proporcjonalny rozdział mocy na odgałęzienia.

Istnieje kilka konfiguracji dzielników mocy, ale w przypadku zastosowań wysokiej częstotliwości mają one zwykle postać linii mikropaskowej Wilkinsona (ilustracja 2). W podstawowej postaci każde odgałęzienie dzielnika mierzy jedną czwartą długości fali przychodzącego sygnału o częstotliwości radiowej. Na przykład dla sygnału przychodzącego o częstotliwości środkowej 15GHz każde odgałęzienie miałoby długość 5mm. Odgałęzienia działają jak ćwierćfalowe transformatory impedancji.

Dopasowanie portów wyjściowych jest realizowane z wykorzystaniem rezystora izolującego. Ponieważ między portami wyjściowymi występuje zerowy potencjał, przez rezystor izolujący nie płynie żaden prąd, więc nie przyczynia się on do strat rezystancyjnych. Rezystor ten zapewnia również doskonałą izolację, nawet gdy urządzenie jest używane w odwróconym trybie (jako sumator mocy), ograniczając w ten sposób przesłuchy między poszczególnymi kanałami.

Ilustracja 2: podstawowy dzielnik mocy Wilkinsona wykorzystujący dwa ćwierćfalowe transformatory impedancji i rezystor izolujący do dopasowania portów wyjściowych. Na każdym z portów 2 i 3 moc wyjściowa jest równa połowie mocy wejściowej portu 1. (Źródło ilustracji: Knowles DLI)

Aby ograniczyć straty podczas podziału mocy, oba porty wyjściowe dzielnika mocy muszą mieć impedancję 2 Zo. (2 Zo połączone równolegle będą miały impedancję całkowitą równą Zo).

Dla równomiernego rozdziału mocy przy R = 2 Z_o,:

Gdzie:

R = wartość rezystora końcowego podłączonego między dwoma portami

Z_o = impedancja charakterystyczna całego układu

Z_match = impedancja transformatorów ćwierćfalowych w odgałęzieniach dzielnika mocy

Macierz rozproszenia (macierz S) zawiera parametry rozproszenia używane do opisu parametrów elektrycznych sieci liniowej częstotliwości radiowych, takiej jak dzielnik mocy Wilkinsona. Na ilustracji 3 przedstawiono macierz S dla prostego dzielnika mocy przedstawionego na ilustracji 2.

Ilustracja 3: macierz rozproszenia (macierz S) dla dzielnika mocy Wilkinsona przedstawionego na ilustracji 2. (Źródło ilustracji: Steven Keeping)

Kluczowa charakterystyka macierzy S:

• S_ij = S_ji (co pokazuje, że dzielnik mocy Wilkinsona może być również używany jako sumator)
• Zaciski są dopasowane (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• Zaciski wyjściowe są izolowane (S₂₃, S₃₂ = 0)
• Moc jest dzielona po równo (S₂₁ = S₃₁)

Straty są minimalizowane, gdy sygnały na portach 2 i 3 są w fazie i mają jednakową wielkość. Idealny dzielnik mocy Wilkinsona zapewnia S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3dB (tj. połowę mocy wejściowej na każdym porcie wyjściowym).

Mikropaskowe dzielniki mocy Wilkinsona są dobrym rozwiązaniem dla anten o niskim współczynniku rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C). Jednym z komercyjnych rozwiązań dla pasma Ku jest dwudrożny dzielnik mocy Wilkinsona PDW06401 16GHz firmy Knowles Dielectric Labs. Know-how firmy Knowles w zakresie wytwarzania dielektryków i produkcji cienkowarstwowej pozwoliła na wyprodukowanie niskostratnego, a jednocześnie kompaktowego urządzenia typu SMD do zastosowania w satelitarnych układach antenowych na pasmo Ku.

Dzielnik mocy PDW06401 ma wymiary 3 x 3 x 0,4mm i jest wykonany z materiałów o niskiej stratności, co minimalizuje wahania parametrów w szerokim zakresie temperatur. Impedancja charakterystyczna (Z₀) obudowy spełnia wymóg 50Ω, co jest konieczne dla zminimalizowania napięciowego współczynnika fali stojącej (VWSR), a tym samym strat odbiciowych w systemach wysokich częstotliwości radiowych. Urządzenie charakteryzuje się zerowym nominalnym przesunięciem fazowym, zrównoważeniem amplitudowym ±0,25dB i zrównoważeniem fazowym ±5°. Nadmiarowa tłumienność wtrąceniowa wynosi 0,5dB. Na ilustracji 4 przedstawiono odpowiedź częstotliwościową dzielnika mocy PDW06401.

Ilustracja 4: odpowiedź częstotliwościowa dzielnika mocy PDW06401. RL oznacza dopasowanie zacisków (S₁₁, S_22, itp.), Iso to izolacja pomiędzy portami wyjściowymi (S₂₃, S₃₂), natomiast IL jest mocą wyjściową (S₂₁, S₃₁). (Źródło ilustracji: Knowles DLI)

Charakterystyka strat odbiciowych, izolacji, zrównoważenia amplitudowego i zrównoważenia fazowego danego dzielnika mocy ma decydujący wpływ na działanie układu antenowego:

• Straty odbiciowe produktu powinny być niskie, ponieważ większe straty bezpośrednio obniżają maksymalną energię wysyłanej lub odbieranej wiązki.
• Izolacja produktu powinna być wysoka, ponieważ wpływa ona na izolację między ścieżkami sygnałowymi w układzie antenowym i zwiększa jego zysk energetyczny.
• Zrównoważenie amplitudowe urządzenia powinno być zbliżone do 0dB, ponieważ wpływa ono na charakterystykę amplitudową i zastępczą moc promieniowaną izotropowo (EIRP) anteny.
• Zrównoważenie fazowe urządzenia powinno być zbliżone do 0°, ponieważ sprzyja to maksymalnemu przenoszeniu mocy i zapewnia odpowiednią długość faz dla wszystkich odgałęzień w sieci. Duże niezrównoważenie fazowe pogarsza zastępczą moc promieniowaną izotropowo (EIRP) i może zmieniać charakterystykę promieniowania układu antenowego formującego wiązkę.

Kluczowe komponenty układu antenowego: sprzęgacz kierunkowy

Sprzęgacz kierunkowy to kolejny komponent, który pełni ważną rolę w układach antenowych, mierząc w sposób ciągły moc nadawczą i odbiorczą elementów układu. Sprzęgacz kierunkowy jest urządzeniem pasywnym, które sprzęga znaną ilość mocy nadawczej lub odbiorczej do innego portu, na którym można ją zmierzyć. Sprzężenie uzyskuje się zazwyczaj poprzez umieszczenie dwóch przewodów blisko siebie w taki sposób, że energia przechodząca przez jeden jest sprzężona z drugim.

Urządzenie posiada cztery porty: wejściowy, nadawczy, sprzężony i izolowany. Główna linia przesyłowa znajduje się między portami 1 i 2. Do portu izolowanego jest podłączony wewnętrzny lub zewnętrzny dopasowany odbiornik (zwykle 50Ω), natomiast port sprzężony (3) zapewnia dostęp do energii sprzężonej. Port sprzężony dostarcza zwykle ułamek energii linii głównej i często jest wyposażony w mniejsze złącze, aby odróżnić go od portów linii głównej 1 i 2. Port sprzężony można wykorzystać do uzyskania sygnału poziomu mocy i częstotliwości bez przerywania głównego przepływu energii w układzie. Moc doprowadzana do portu nadawczego przepływa do portu izolowanego i nie ma wpływu na wyjście portu sprzężonego (ilustracja 5).

Ilustracja 5: port sprzężony (P3) dzielnika mocy przekazuje pewną część mocy dostarczonej do portu wejściowego (P1), a pozostała część przechodzi przez port nadawczy (P2). Port izolowany (P4) jest zakończony przy użyciu wewnętrznego lub zewnętrznego obciążenia dopasowanego. (Źródło ilustracji: Spinningspark, Wikipedia)

Kluczowym parametrem sprzęgacza jest współczynnik sprzężenia.

Definiuje się go w następujący sposób:

Najprostszą formą sprzęgacza jest topologia kątowa 90°, w której sprzężone linie biegną obok siebie przez jedną czwartą długości fali sygnału wejściowego (np. 5mm dla sygnału 15GHz). Ten typ sprzęgacza wytwarza zwykle połowę mocy wejściowej na porcie 3 (tzn. ma współczynnik sprzężenia 3dB), a moc na porcie nadawczym jest również zmniejszona o 3dB. (Ilustracja 6).

Ilustracja 6: w najprostszej formie sprzęgacza kierunkowego linie sprzęgające biegną obok siebie przez ćwierć długości fali o częstotliwości sygnału wejściowego. (Źródło ilustracji: Spinningspark, Wikipedia)

Podobnie jak w przypadku dzielnika mocy, istnieją pewne kluczowe parametry charakterystyki sprzęgacza kierunkowego, które mają wpływ na działanie układu antenowego. Charakterystyki obejmują następujące elementy:

• Straty linii głównej powinny być zminimalizowane, aby zwiększyć zysk energetyczny układu antenowego. Straty te wynikają z nagrzewania rezystancyjnego linii głównej i są niezależne od strat sprzężeniowych. Całkowite straty na linii głównej są sumą strat związanych z nagrzewaniem rezystancyjnym i strat sprzężeniowych.
• Straty sprzężeniowe to obniżenie mocy spowodowane przekazywaniem energii do portów sprzężonych i izolowanych. Zakładając odpowiednią kierunkowość, moc przenoszona w sposób niezamierzony do izolowanego portu powinna być pomijalna w porównaniu z mocą przenoszoną w sposób zamierzony do portu sprzężonego.
• Straty odbiciowe należy minimalizować. Są one miarą wielkości sygnału, który jest zwracany lub odbijany przez sprzęgacz kierunkowy.
• Tłumienność wtrąceniową również należy minimalizować. Jest to stosunek poziomu sygnału w konfiguracji testowej bez sprzęgacza kierunkowego do poziomu sygnału, gdy komponent ten jest obecny.
• Izolacja powinna być jak największa. Jest to różnica poziomu mocy między portem wejściowym a portem izolowanym.
• Kierunkowość powinna być jak największa. Jest to różnica poziomu mocy między portem 3 i portem 4 sprzęgacza kierunkowego i jest związana z izolacją. Jest ona miarą niezależności portów sprzężonych i izolowanych.

Sprzęgacze kierunkowe do częstotliwości radiowych mogą być wykonane przy użyciu różnych technik, jednak ze względu na swoje niewielkie rozmiary w zastosowaniach satelitarnych o niskim współczynniku SWaP-C coraz częściej stosuje się linie mikropaskowe. Jednym z przykładów jest sprzęgacz kierunkowy FPC06078 firmy Knowles. Urządzenie to jest linią mikropaskową do montażu powierzchniowego o wymiarach 2,5 x 2,0 x 0,4mm. Jego zakres temperatur pracy wynosi od -55°C do +125°C, a impedancja charakterystyczna jest równa 50Ω.

Współczynnik sprzężenia zależy od częstotliwości, jednak wysokiej jakości sprzęgacz kierunkowy będzie wykazywał stosunkowo płaską odpowiedź częstotliwościową sprzężenia. Na ilustracji 7 poniżej widać, że urządzenie firmy Knowles wykazuje nominalny współczynnik sprzężenia 20dB, który zmienia się tylko o 2dB w zakresie roboczym od 12 do 18GHz. Sprzęgacz kierunkowy FPC06078 charakteryzuje się tłumiennością wtrąceniową 0,3dB i minimalnymi stratami odbiciowymi 15dB. Kierunkowość urządzenia wynosi 14dB (ilustracja 8).

Ilustracja 7: odpowiedź częstotliwościowa sprzęgacza kierunkowego FPC06078. Urządzenie charakteryzuje się nominalnym współczynnikiem sprzężenia -20dB i niską tłumiennością wtrąceniową 0,3dB. (Źródło ilustracji: Knowles DLI)

Ilustracja 8: wykres kierunkowości sprzęgacza kierunkowego FPC06078. W celu poprawienia parametrów działania układu antenowego należy zmaksymalizować kierunkowość, która jest związana z izolacją. (Źródło ilustracji: Knowles DLI)

Podsumowanie

Projektanci odpowiadają na zapotrzebowanie na niski współczynnik rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C) w zastosowaniach satelitarnych, stosując kompaktowe komponenty pasywne do montażu powierzchniowego. Przykładem mogą być dzielniki mocy i sprzęgacze kierunkowe stosowane przy produkcji satelitarnych układów antenowych.

Wybierając dobrej jakości kompaktowe urządzenia pasywne typu SMD, zapewniające doskonałe parametry pracy dzięki konstrukcji mikropaskowej i materiałom ceramicznym o wysokich właściwościach dielektrycznych, projektanci mogą wykorzystać wyższe częstotliwości pasm radiowych w zastosowaniach satelitarnych. Ponadto, nowa generacja dzielników mocy i sprzęgaczy kierunkowych do montażu powierzchniowego umożliwia projektantom tworzenie mniejszych i lżejszych układów antenowych, przy jednoczesnym zwiększeniu zysku energetycznego anten i możliwości formowania wiązki.