如何使用 SMD 功率分配器和定向耦合器实现 SWaP-C 卫星通讯天线阵列

2022年06月09日 10:04
来源:Digi-Key
作者:Steven Keeping

地球周围的空间正在迅速填满,未来十年内还将发射数千颗新卫星。这给卫星通讯设计人员带来了两方面的压力。首先,传统的 L、C 和 X 频带卫星通讯可用带宽正在迅速消耗。其次,商用卫星制造商希望他们的产品更轻、发射成本更低。

卫星通讯设计人员正在应对射频带宽的不足,将通讯从传统的卫星频带转移到更高频率的射频频带,如 Ku(12 至 18 GHz)。Ku 频带的吞吐率可能更大,而且不易造成拥堵。针对最小尺寸、重量、功率和成本 (“SWaP-C”) 要求,设计人员正在使用先进的封装表面贴装器件 (SMD) 构建卫星的关键元件,如天线阵列。

本文概述了 SMD 功率分配器和定向耦合器的优点,它们是用于 Ku 频带卫星通讯天线阵列的关键无源元件。文中以 Knowles Dielectric Labs 器件为例,描述了这些元器件如何满足当今的低 SWaP 要求,以及设计人员如何利用这些重要元器件的关键性能特征来优化天线阵列性能。

天线阵列的发展

近年,卫星和地面基站天线已经从单碟形天线发展为天线阵列。天线阵列包含两个或更多元件,每个元件本质上是微型天线。相比传统天线,卫星通讯应用中采用天线阵列的益处在于:

· 更高增益
· 更高信噪比 (SNR)
· 传输光束可转向,对特定方向输入的信号的灵敏度增强
· 更好的分集接收(有助于克服信号衰减)
· 天线辐射模式中的旁瓣更小

传统阵列结构采用 3D 砖配置,该配置包含诸多并排布置的电子组件,其中使用多个连接器和电缆连接。由此,与单碟形天线相比,天线阵列的体积和复杂性都得以增加。

关注低 SWaP-C 后,体积和复杂性的问题得以解决,因为没有采用芯片-导线或混合制造技术构建的砖结构。新型设计由多个微带线 2D 平面元件组成,基于使用 SMD 封装的 PC 板基底。这种平面配置无需大量连接器和电缆,改善了 SWaP,同时提高了可靠性并简化了制造(图 1)。


图 1:使用低 SWaP-C 的 SMD 元器件(右)与传统的 3D 砖组件(左)相比,可以减少卫星通讯天线阵列的体积。(图片来源:Knowles DLI)

SMD 不仅大大减小了天线阵列的体积,而且还能使用单一自动装配线,与传统的芯片-导线或混合方法相比,大大降低了生产成本。SMD 组件也有助于加速产品上市。

这些进展得益于新一代的 SMD 元器件,后者能在太空中以高频率可靠地工作。这些器件采用创新的电介质、紧公差、薄膜制造和新颖的微带线拓扑结构,以提供高性能/封装比。

关键天线阵列元器件:功率分配器

天线阵列中一个关键的无源 SMD 是功率分配器。单独的功率分配器将输入信号分成两个或更多信号,分配到阵列中的天线元件上。最简单的功率分配器将输入功率(除去电路损耗)均匀分配到每条输出支路上,其他形式的功率分配器按比例将输入功率分配到输出支路。

功率分配器有多种配置,但对于高频应用,功率分配器通常采取微带线型威尔金森设计(图 2)。基础型分配器的每条支路测量输入射频信号的四分之一波长。例如,对于中心频率为 15 GHz 的输入信号,每条支路的长度为 5 mm。支路作用相当于四分之一波长阻抗变压器。

隔离电阻器可用于匹配输出端口;由于输出端口之间的电位为零,电流不会流过电阻器,所以不会造成电阻损耗。此外,即使反向使用器件(作为功率组合器),电阻器也可提供出色隔离能力,从而限制各通道之间的串扰。


图 2:基础型威尔金森功率分配器使用两个四分之一波长阻抗变压器和一个隔离电阻器来匹配输出端口。端口 2 和 3 各为端口 1 提供一半的输入功率。(图片来源:Knowles DLI)

为了限制功率分配时的损耗,功率分配器的两个输出端口必须各自提供 2 Zo 的阻抗。(2 个 Zo 并联将提供 Zo 的全部阻抗)。

有关 R = 2 Zo 时的平均功率分布:



其中:

R = 两个端口之间连接的端接电阻器的数值

Zo = 整个系统的特征阻抗

Zmatch = 功率分配器支路中四分之一波长变压器的阻抗

散射矩阵(S 矩阵)包含散射参数,这些参数用于描述射频线性网络(如威尔金森功率分配器)的电气性能。图 3 展示了图 2 中简单功率分配器的 S 矩阵。


图 3:图 2 中威尔金森功率分配器的散射矩阵(S 矩阵)。(图片来源:Steven Keeping)

S 矩阵的主要特征包括:

· Sij = Sji(表明威尔金森功率分配器也可用作组合器)
· 端子匹配(S11、S22、S33 = 0)
· 输出端子已隔离(S23、S32 = 0)
· 功率平均分配(S21=S31)

当端口 2 和 3 的信号同相且幅度相等时,损耗最小。理想的威尔金森功率分配器提供 S21 = S31 = 20 log10(1/√2) = (-)3 分贝 (dB)(即每个输出端口提供一半输入功率)。

微带线威尔金森功率分配器是低 SWaP-C 天线阵列应用的理想解决方案。Ku 频带的商用选择包括 Knowles Dielectric Labs 的 PDW06401 16 GHz 双向威尔金森功率分配器。Knowles 拥有电介质和薄膜制造专有知识,能够制造出低损的紧凑型 SMD,用于 Ku 频带卫星通讯天线阵列。

PDW06401 尺寸为 3 x 3 x 0.4 mm,使用低损耗材料,温度范围广,可最大程度地减少性能变化。该封装的特征阻抗 (Z0) 符合 50 欧姆 (Ω) 的要求,以最大程度地降低电压驻波比 (VWSR),从而最大程度地减少高频射频系统的回波损耗。该器件的标称相移为零,振幅平衡为 ±0.25 dB,相位平衡为 ±5°。过度插入损耗为 0.5 dB。图 4 展示了 PDW06401 功率分配器的频率响应。


图 4:PDW06401 功率分配器频率响应。RL 代表端子匹配(S11、S22 等),Iso 是输出端口之间的隔离(S23、S32),IL 是输出功率(S21、S31)。(图片来源:Knowles DLI)

功率分配器的回波损耗、隔离、振幅平衡和相位平衡特征对天线阵列的性能至关重要,体现在以下方面:

· 产品的回波损耗要低,因为损耗较大会直接影响最大传输/接收的光束能量。
· 产品隔离性要高,因为这会影响天线阵列中信号路径之间的隔离,并提高其增益。
· 器件的振幅平衡应接近 0 dB,它会影响天线的振幅性能和有效全向辐射功率 (EIRP)。
· 器件的相位平衡应接近 0° 相差,这样可促进最大功率传输,并确保整个网络的所有分支达到预期相长。相位不平衡过大会降低 EIRP,并可能改变波束形成天线阵列的辐射模式。

关键天线阵列元器件:定向耦合器

定向耦合器是天线阵列中另一种发挥重要作用的元器件,它能持续测量阵列元件的发射和接收功率。定向耦合器是无源器件,将已知的发射或接收功率耦合到另一个端口,以便进行测量。耦合时通常将两根导线相互靠近,从而使得经过一条线的能量耦合到另一条线。

该器件有四个端口:输入、传输、耦合和隔离。主传输线位于端口 1 和 2 之间。隔离端口端接有内部或外部匹配的负载(通常为 50 Ω),而耦合端口 (3) 用于分接耦合能量。耦合端口通常只提供主线的一小部分能量,并且通常配有一个较小的连接器,以区别于主线端口 1 和 2。耦合端口可用于获取信号功率水平和频率信息,而不中断系统中的主要功率流。进入传输端口的功率流向隔离端口,不影响耦合端口的输出(图 5)。


图 5:功率分配器的耦合端口 (P3) 向输入端口 (P1) 传递部分功率,其余部分传递至传输端口 (P2)。隔离端口 (P4) 端接有内部或外部匹配的负载。(图片来源:维基百科的 Spinningspark)

耦合器的关键特征是耦合系数。

耦合系数定义为:



最简单的耦合器采用直角拓扑结构,即耦合线在输入信号的四分之一波长时相邻运行(例如,15 GHz 信号为 5 mm)。这类耦合器通常在端口 3 产生一半的输入功率(即耦合系数为 3 dB),在传输端口的功率也减少 3 dB。(图 6)。


图 6:最简单的定向耦合器的耦合线在输入信号频率的四分之一波长时相邻运行。(图片来源:维基百科的 Spinningspark)

与功率分配器一样,定向耦合器的有些关键特征会影响天线阵列性能。这些特征包括:

· 应尽量减少主线损耗以提高天线阵列增益。这种损耗是由于主线的电阻加热造成的,与耦合损耗无关。主线总损耗为电阻加热损耗加耦合损耗。
· 耦合损耗是由于能量转移到耦合端口和隔离端口而导致的功率下降。假设有合理的指向性,相比有意转移到耦合端口的功率,无意转移到隔离端口的功率应该可以忽略不计。
· 应当最大程度地减少回波损耗。回波损耗是对定向耦合器返回或反射的信号量的度量。
· 应当最大程度地减少插入损耗。插入损耗是无定向耦合器的测试配置中信号电平与含该元器件时的信号电平的比率。
· 应当最大程度地增加隔离性。隔离是输入端口和隔离端口之间的功率水平差。
· 应当最大程度地提高指向性。指向性是定向耦合器端口 3 和端口 4 之间的功率水平差,与隔离有关。指向性是对耦合端口与隔离端口的独立性的度量。

虽然射频定向耦合器可以用各种技术实现,但微带线类型因体积小巧而在低 SWaP-C 卫星通讯应用中备受青睐。例如 Knowles 的 FPC06078 定向耦合器。这是一个 SMD 微带线器件,尺寸为 2.5 x 2.0 x 0.4 mm。工作温度范围为 -55°C 至 +125°C,特征阻抗为 50 Ω。

虽然耦合系数与频率有关,但优质定向耦合器的耦合频率响应相对平坦。下图 7 中,Knowles 器件的标称耦合系数为 20 dB,在 12 至 18 GHz 的工作范围内仅变化 2 dB。FPC06078 定向耦合器的插入损耗为 0.3 dB,最小回波损耗为 15 dB。该器件的指向性为 14 dB(图 8)。


图 7:所示为 FPC06078 定向耦合器的频率响应。该器件的标称耦合系数为 -20 dB,插入损耗低至 0.3 dB。(图片来源:Knowles DLI)


图 8:所示为 FPC06078 定向耦合器的指向性图。为了提高天线阵列性能,应最大程度地提高与隔离有关的指向性。(图片来源:Knowles DLI)

总结

设计人员目前采用紧凑型 SMD 无源元器件,来响应卫星通讯应用中对低 SWaP-C 的需求。例如用于制造卫星天线阵列的功率分配器和定向耦合器。

设计人员通过选择优质的紧凑型 SMD 无源器件,可以为卫星通讯应用实现更高频率的射频频带。此类器件采用微带线结构和具有高介电能力的陶瓷材料,因此能够提供优异的性能。此外,全新一代 SMD 功率分配器和定向耦合器使设计人员能够设计出更小、更轻的天线阵列,同时提高天线的增益并增强波束形成能力。