Verwendung oberflächenmontierbarer Richtkoppler zur Miniaturisierung von HF-Leistungsmonitoren

Für Ingenieure, die sich mit der Analyse von Nicht-HF-Schaltungen oder der praktischen Arbeit auf der Leiterplatte und am Prüfstand befassen, sind in erster Linie die Signalparameter Spannung und Strom an bestimmten Punkten in einem Entwurf von Interesse. Diese können mit einem Voltmeter, einem Oszilloskop oder einem Strommesswiderstand gemessen werden.

Im Gegensatz dazu konzentrieren sich diejenigen, die im drahtgebundenen und drahtlosen HF-Bereich arbeiten, auf die Leistung, die in Watt oder Milliwatt (mW) oder Dezibel (dB), bezogen auf 1 mW (dBm), gemessen wird. Die Messung der HF-Leistung ist jedoch nicht einfach, da es keine Entsprechung zu einem einfachen Spannungs- oder Stromsignal-Messpunkt gibt, der nicht auch den Leistungsfluss stört. Stattdessen werden einzigartige Signalwandler und Verfahren zur Bewertung der HF-Leistungspegel verwendet.

Einer der gängigsten Ansätze ist die Verwendung eines Richtkopplers, einer passiven Anordnung, die HF-Signale mit einem bestimmten Kopplungsgrad „abgreift“ und gleichzeitig eine hohe Isolierung zwischen dem Signal und den abgetasteten Anschlüssen bietet.

Eine bewährte Technologie – schauen wir uns einmal an, wie Richtkoppler funktionieren. Danach werden wir dann untersuchen, wie sie von den Fortschritten bei den Materialien profitiert haben, um sie zu oberflächenmontierbaren (SMT) Miniaturbauelementen weiterzuentwickeln, die für Schaltungen mit geringem Stromverbrauch geeignet sind.

Funktionsweise von Richtkopplern

Ein allgemeiner Koppler mit vier Anschlüssen ist eine passive HF-Funktion, die gekoppelte (vorwärtsgerichtete) und isolierte (rückwärtsgerichtete oder reflektierte) Anschlüsse umfasst (Abbildung 1, oben). Ein Richtkoppler ist eine Struktur mit drei Anschlüssen, bei der der isolierte Anschluss entfällt. Diese Konfiguration wird für Anwendungen verwendet, die nur einen einzigen vorwärts gekoppelten (gerichteten) Ausgang benötigen (Abbildung 1, unten).

Die Aufgabe des Richtkopplers besteht darin, Leistung aus einer Signalübertragungsleitung abzutasten, ohne die Leitungseigenschaften zu verändern. Dies ist in etwa vergleichbar mit der Verwendung eines hochohmigen Voltmeters, um die Quelle auf der zu messenden Leitung nicht zu belasten.

Diese Richtkopplung ermöglicht die Messung der Signalleistung mit einfachen, schwachen Detektoren oder Feldstärkemessgeräten und Leistungsmessgeräten. Ein kleiner, fester Anteil der am Eingangsanschluss P1 auftreffenden Leistung wird am eingekoppelten Anschluss P3 zur Messung verwendet. Der Rest der Eingangsleistung wird an den Sendeanschluss (Durchgang oder Ausgang genannt) P2 abgegeben.

Ein wichtiger Vorteil eines Richtkopplers besteht darin, dass er nur in eine Richtung fließende Leistung koppelt; jede Leistung, die versehentlich in den Ausgangsanschluss gelangt, wird in den ungenutzten, abgeschlossenen, isolierten Anschluss P4 und nicht in P3 gekoppelt, was jedoch für den gerichteten Fluss des Kopplers keine Rolle spielt.

Abbildung 1: Ein Richtkoppler ist eine passive HF-Funktion mit drei Anschlüssen, die einen Teil der auf P1 einfallenden Leistung zum gekoppelten Anschluss P3 umleitet, wo sie gemessen werden kann, ohne den primären Einzelpfad vom Eingangsanschluss P1 zum Sendeanschluss (Ausgang) P2 zu beeinträchtigen; er ist eine unidirektionale Untergruppe des bidirektionalen Kopplers mit vier Anschlüssen. (Bildquelle: Wikipedia)

Die folgenden wichtigen Parameter werden verwendet, um einen Richtkoppler zu spezifizieren:

• Kopplungsfaktor: Der Anteil der Eingangsleistung (an P1), der an den gekoppelten Anschluss (P3) abgegeben wird.
• Richtwirkung: Ein Maß für die Fähigkeit des Kopplers, sich vorwärts und rückwärts ausbreitende Wellen zu trennen, beobachtet an den gekoppelten (P3) und isolierten (P4) Anschlüssen.
• Isolierung: Die an die ungekoppelte Last (P4) abgegebene Leistung.
• Einfügedämpfung: Die Verringerung der an den übertragenen Anschluss abgegebenen Eingangsleistung unter Berücksichtigung der an die gekoppelten und isolierten Anschlüsse umgeleiteten Leistung.
• Rückflussdämpfung: Ein Maß dafür, wie viel Leistung aufgrund einer Impedanzfehlanpassung zurück zu P1 reflektiert wird.

Moderne Materialien führen zur Miniaturisierung von Richtkopplern

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Richtkoppler zu bauen. In der Vergangenheit wurden dafür Hohlleiter oder Koaxialkabel verwendet, die für Anwendungen mit höherer Leistung immer noch erforderlich sind. Moderne HF-Schaltungen für niedrige Pegel, wie z. B. in Basisstationen, benötigen jedoch einen viel kleineren Koppler. Dies kann durch Streifenleitungs- oder Mikrostreifenverfahren auf keramischen Substraten mit hoher Permittivität erreicht werden.

Mikrostreifen-Technik ist eine planare Übertragungsleitungstechnologie, die einen leitenden Streifen verwendet, der durch ein dielektrisches Substrat von einer Grundplatte getrennt ist. Ganze Komponenten wie Antennen, Koppler, Filter und Leistungsteiler werden aus metallisierten Mustern auf dem Substrat mit hochpräziser Maßgenauigkeit geformt. Winzige Komponenten, die mit Mikrostreifen-Techniken gebaut werden, sind leichter, kompakter und in der Regel preiswerter als alternative Übertragungsleitungs-Technologien. Sie können eine bescheidene Leistung in der Größenordnung von zehn Watt verarbeiten.

Die Verfügbarkeit von Materialien mit hohem K-Wert als Substrate führt zu einer kürzeren Wellenlänge des HF-Signals und einer insgesamt geringeren Größe der Bauteile. In der akademischen Literatur wird manchmal ein kleines k verwendet, das formell als κ (griechisch kappa) bezeichnet wird.

Durch den Einsatz von Richtkopplern, die mit Materialien mit hohem K-Wert und hochpräziser Dünnfilm-Mikrostreifen-Prozesstechnologie von Knowles hergestellt werden, können HF-Entwickler die Größe, das Gewicht und die Leistung (SWaP) von HF-Schaltungen reduzieren und gleichzeitig enge Leistungstoleranzen einhalten.

Die positiven Auswirkungen dieser Materialien mit hohem K-Wert sind dramatisch, wie ein Vergleich (Abbildung 2) zeigt, der die Dielektrizitätskonstante und die Wellenlänge bei 25 Gigahertz (GHz) für drei gängige dielektrische Materialien (PTFE, FR-4 und Aluminiumoxid) sowie für drei von Knowles entwickelte Substrate (PG, CF und CG) zeigt. Das CF-Substrat hat eine Dielektrizitätskonstante von 25 im Vergleich zu einer Dielektrizitätskonstante von 4,8 für FR-4-Material. Infolgedessen ist die Wellenlänge einer Komponente aus CF-Material 2,5 Mal kleiner als die eines Geräts aus FR-4, was zu einer drastischen Verkleinerung des Bauteils führt.

Abbildung 2: Dünnfilm-Mikrostreifen-Richtkoppler (links) nutzen dielektrische Substrate mit sehr hohem K-Wert, um Komponenten mit deutlich reduzierter Größe und Gewicht zu ermöglichen (rechts). (Bildquelle: Knowles)

Beispiele für die Performance von SMT-Richtkopplern

Die Performance und Größe von Richtkopplern, die auf der Mikrostreifentechnologie und dielektrischen Substraten mit hohem K-Wert basieren, sind in den Knowles-Kopplern FPC06073 und FPC07182 zu sehen, die jeweils unterschiedliche Bereiche und Bandbreiten innerhalb des Gigahertz-Spektrums unterstützen (Abbildung 3, oben bzw. unten).

Abbildung 3: Die Koppler FPC06073 (oben) und FPC07182 (unten) schneiden in ihren jeweiligen Bändern bei vier Spitzenparametern gut ab: Rückflussdämpfung, Einfügedämpfung, Kopplungsfaktor und Isolierung. (Bildquelle: Knowles Precision Devices)

Der 50Ω-SMT-Richtkoppler FPC06073 deckt 4 bis 8 GHz mit einem Kopplungsfaktor von 10 dB und einer Richtwirkung von 20 dB ab. Durch seine geringe Größe von ca. 4,3 × 2,0 × 0,38 Millimetern (0,170 × 0,080 × 0,015 Zoll) eignet er sich gut für kompakte Designs. Er ist für 25 Watt (kontinuierlich) ausgelegt. Die Performance der vier in Abbildung 3 gezeigten Messgrößen, insbesondere Kopplung und Einfügungsdämpfung, ist über das gesamte Band relativ gleichmäßig, wobei sowohl die Betriebs- als auch die Lagertemperaturen mit -55˚C bis 125˚C angegeben sind.

Bei höheren Frequenzen ist der SMT-Koppler FPC07182 für 20 bis 40 GHz ausgelegt. Wie der FPC060073 hat er eine Kopplung von 10 dB, aber eine Richtwirkung von 10 dB. Mit nur 1,65 × 1,270 × 0,254 mm (0,065 × 0,050 × 0,010 Zoll) ist dieser 50Ω-Baustein sogar noch kleiner und kann bis zu 14 Watt Leistung aufnehmen und zeigt über die gesamte Bandbreite von 20 GHz eine sehr flache Kopplung und Einfügedämpfung.

Fazit

Richtkoppler, die auf keramischen Substraten mit hoher Permittivität und Mikrostreifen-Techniken basieren, bieten diese HF-Funktion jetzt in nahezu unsichtbaren SMT-Bauteilen mit hervorragender Leistung und Belastbarkeit über die vorgesehenen Gigahertz-Bänder.

Verwandte Inhalte

1: Knowles Precision Devices, „Reduzierung der SWaP-Werte von HF-Schaltungen durch Materialien mit hohem K-Wert und präziser Dünnfilm-Mikrostreifentechnologie“

https://info.knowlescapacitors.com/hubfs/White%20Papers/Device_Minaturization_WP_V7.pdf

2: DigiKey, „HF-Richtkoppler – Grundlagen und effiziente Verwendung“

https://www.digikey.de/de/articles/the-fundamentals-of-rf-directional-couplers-and-how-to-use-them-effectively

3: DigiKey, „Bewältigung der Herausforderungen bei der HF-Leistungserkennung“ (zitiert Analog Devices)

https://www.digikey.de/de/articles/solving-the-rf-power-detection-challenge

4: DigiKey, „Winzige Richtkoppler erfüllen die Anforderungen kompakter HF-Anwendungen“

https://www.digikey.de/de/articles/tiny-directional-couplers-meet-demands-of-compact-rf-applications