برای مهندسان درگیر در تجزیه و تحلیل مدارهای غیر RF یا کار برد مدار و دسکتاپ واقعی، پارامترهای سیگنال اصلی مورد علاقه آنها ولتاژ و جریان در نقاط خاصی از طراحی است. این پارامترها را می توان با استفاده از ولت متر، اسیلوسکوپ یا مقاومت سنجش جریان اندازه گیری کرد.
در مقابل، کارگران در زمینه های RF سیمی و بی سیم بر توان بر حسب وات یا میلی وات (mW) یا دسی بل (dB) بر اساس 1 مگاوات (dBm) تمرکز می کنند. با این حال، اندازهگیری توان RF کار آسانی نیست، زیرا چیزی به نام ولتاژ یا جریان ساده وجود ندارد که با نقطه دریافت سیگنال انتقال قدرت تداخل داشته باشد. در مقابل، فرستندهها و طرحهای سیگنال منحصربهفرد باید برای ارزیابی سطوح توان RF استفاده شوند.
کوپلر جهت دار یکی از متداول ترین روش هاست که یک دستگاه غیرفعال است که هم می تواند سیگنال های RF را با درجه کوپلینگ مشخصی دریافت کند و هم انزوا بالایی بین سیگنال و پورت نمونه گیری ایجاد کند.
این یک فناوری کاملاً تأیید شده است که به ما امکان می دهد تا اصل کار کوپلرهای جهتی را درک کنیم. سپس، بررسی خواهیم کرد که چگونه پیشرفتها در مواد میتواند باعث توسعه جفتکنندهها شود و آنها را به دستگاههای فناوری نصب سطحی میکرو (SMT) مناسب برای مدارهای کم مصرف تقلیل دهد.
اصل کار کوپلر جهت دار
کوپلر جهانی چهار پورت دارای عملکرد RF غیرفعال است، از جمله پورت کوپلینگ (به جلو) و درگاه جداسازی (معکوس یا بازتاب) (شکل 1، شکل بالا). کوپلر جهت دار یک ساختار سه پورت است که نیازی به استفاده از پورت های ایزوله ندارد. این پیکربندی برای برنامههایی استفاده میشود که فقط به یک خروجی کوپلینگ رو به جلو (جهتیافته) نیاز دارند (شکل 1، شکل زیر).
عملکرد یک کوپلر جهتی انجام نمونه برداری توان در خط انتقال سیگنال بدون تغییر مشخصات خط است. این تا حدودی شبیه به استفاده از یک ولت متر امپدانس بالا برای جلوگیری از اضافه کردن بار به منبع تغذیه در خط آزمایش است.
با استفاده از این فناوری کوپلینگ جهت، می توان از آشکارسازهای ساده سطح پایین یا اندازه گیری قدرت میدان و دستگاه های اندازه گیری توان برای اندازه گیری قدرت سیگنال استفاده کرد. بخش کوچکی از توان ورودی ثابت برای اهداف اندازه گیری از پورت ورودی P1 به پورت کوپلینگ P3 وارد می شود. نیروی ورودی باقیمانده (به عنوان پاس یا خروجی نامیده می شود) به درگاه انتقال P2 منتقل می شود.
یکی از مزیت های مهم جفت های جهت دار، ویژگی های کوپلینگ توان یک طرفه آنهاست. فقط جفت قدرت انتقال یک طرفه. هر نیروی غیرمنتظره ای که وارد پورت خروجی شود به جای پورت P3 به پورت جداسازی ترمینال استفاده نشده P4 کوپل می شود، اما این وضعیت در جریان جهتی کوپلر جهتی تداخلی ایجاد نمی کند.
شکل 1: یک کوپلر جهتی یک دستگاه عملکردی RF غیرفعال سه پورت است که میتواند مقداری از توان ورودی P1 را برای اندازهگیری به پورت کوپلینگ P3 بدون تأثیر بر مسیر اصلی از پورت ورودی P1 تا درگاه انتقال (خروجی) P2 منتقل کند. یک کوپلر جهت دار یک دستگاه فرعی یک طرفه از یک کوپلر دو طرفه چهار پورت است. (منبع تصویر: ویکی پدیا)
این پارامترهای سطح بالا برای تعیین جفت های جهت دار استفاده می شوند:
درجه کوپلینگ: نسبت توان ورودی (در P1) که به پورت کوپلینگ (P3) منتقل می شود.
جهت: این پارامتر نشان دهنده توانایی کوپلر برای تمایز بین انتشار موج رو به جلو و عقب است که از پورت کوپلینگ (P3) و پورت جداسازی (P4) قابل مشاهده است.
جداسازی: توانی که به بارهای جفت نشده تحویل می شود (P4).
از دست دادن درج: اشاره به تضعیف توان ورودی در پورت انتقال، از جمله مولفه قدرت منحرف شده به درگاه کوپلینگ و پورت جداسازی دارد.
تلفات برگشتی: این پارامتر قدرت بازتابی به پورت P1 را به دلیل عدم تطابق امپدانس نشان می دهد.
استفاده از مواد پیشرفته می تواند حجم کوپلرهای جهتی را کاهش دهد
روش های زیادی برای ساخت کوپلرهای جهت دار وجود دارد. از دیدگاه تاریخی، جفتهای جهتی از طریق موجبرها یا کابلهای کواکسیال به دست آمدهاند که هنوز برای کاربردهای توان بالاتر ضروری هستند. با این حال، مدارهای RF پایین پایان مدرن، مانند مدارهای موجود در ایستگاه های پایه، به جفت کننده های بسیار کوچکتری نیاز دارند. این را می توان با استفاده از خطوط نواری یا فرآیندهای میکرواستریپ روی بسترهای سرامیکی ثابت دی الکتریک بالا به دست آورد.
خط Microstrip یک فناوری خط انتقال مسطح است که از یک نوار رسانا جدا شده از سطح زمین توسط یک بستر دی الکتریک استفاده می کند. دستگاههای کامل مانند آنتنها، کوپلرها، فیلترها و تقسیمکنندههای برق، توسط ساختارهای الگوی فلزی روی زیرلایه تشکیل شدهاند و ویژگیهای ابعادی با دقت بالایی دارند. در مقایسه با سایر فناوریهای خطوط انتقال، دستگاههای کوچکی که با استفاده از فناوری خط میکرواستریپ ساخته میشوند سبکتر، فشردهتر و معمولاً ارزانتر هستند. این نوع دستگاه می تواند توان متوسط تقریباً ده وات را تحمل کند.
استفاده از مواد با K بالا به عنوان بستر می تواند طول موج سیگنال های RF را کوتاه کرده و اندازه کلی دستگاه را کاهش دهد. لطفاً توجه داشته باشید که ادبیات دانشگاهی گاهی اوقات از حروف کوچک "k" استفاده می کند که در مطالب رسمی تر به عنوان "کاپا" نامیده می شود.
طراحان RF با استفاده از جفت های جهت دار ساخته شده از مواد با K بالا و فناوری فرآیند میکرو نوار لایه نازک با دقت بالا، می توانند اندازه، وزن و قدرت (SWaP) مدارهای RF را کاهش دهند و در عین حال تلورانس های عملکردی دقیق را حفظ کنند.
مزایا و اثرات این مواد با K بالا بسیار قابل توجه است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است: ثابت های دی الکتریک و طول موج های متناظر سه ماده دی الکتریک رایج (PTFE، FR-4، و آلومینا) و سه زیرلایه سفارشی توسعه یافته توسط Knowles (PG، CF، و CG) در 25 گیگاهرتز (GHz). زیرلایه CF آنها دارای ثابت دی الکتریک 25 است، در حالی که ثابت دی الکتریک مواد FR-4 4.8 است. بنابراین، دستگاه های ساخته شده از مواد CF دارای طول موج کوتاه شده به 2/5 دستگاه های مواد FR-4 هستند که به کاهش قابل توجهی در اندازه دستگاه دست می یابند.