Implémenter des réseaux d'antennes Satcom SWaP-C avec des diviseurs de puissance et des coupleurs directionnels CMS

L'espace autour de la Terre se remplit rapidement, et des milliers de nouveaux satellites doivent être lancés au cours de la prochaine décennie. Cela exerce une double pression sur les concepteurs de communications par satellites (Satcom). Tout d'abord, la bande passante disponible pour les communications par satellites dans les bandes L, C et X traditionnelles s'épuise rapidement. Ensuite, les constructeurs de satellites commerciaux veulent que leurs produits soient plus légers et moins chers à lancer.

Les concepteurs Satcom réagissent au manque de largeur de bande RF en déplaçant les communications des bandes satellites traditionnelles vers des bandes RF à plus haute fréquence telles que la bande Ku (12 gigahertz (GHz) à 18 GHz). La bande Ku offre un potentiel de débit plus important et est beaucoup moins encombrée. En ce qui concerne les exigences en matière de taille, poids, puissance et coût (« SWaP-C ») minimaux, les concepteurs répondent en construisant les éléments clés du satellite, tels que le réseau d'antennes, à l'aide de dispositifs à montage en surface (CMS) avancés.

Cet article décrit les avantages des diviseurs de puissance et des coupleurs directionnels CMS, des éléments passifs clés utilisés dans les réseaux d'antennes Satcom en bande Ku. L'article présente des exemples de dispositifs de Knowles Dielectric Labs, et décrit comment ces composants répondent aux exigences actuelles en matière de faible SWaP, et comment les concepteurs peuvent utiliser les caractéristiques de performances clés de ces composants essentiels pour optimiser les performances des réseaux d'antennes.

Avancées dans le domaine des réseaux d'antennes

Les développements récents dans le domaine des antennes de satellites et de stations terrestres ont vu l'abandon des antennes paraboliques simples au profit des réseaux d'antennes. Les réseaux d'antennes combinent deux éléments ou plus, chacun d'entre eux se comportant essentiellement comme une mini-antenne. Les avantages des réseaux d'antennes par rapport à une antenne classique pour les applications de communications par satellites incluent :

• Gain plus élevé
• Rapport signal/bruit (SNR) supérieur
• Faisceaux de transmission orientables et sensibilité accrue aux signaux entrants provenant d'une direction particulière
• Meilleure réception en diversité (aide à surmonter l'atténuation du signal)
• Lobes latéraux plus petits dans le diagramme de rayonnement de l'antenne

La structure réseau conventionnelle comprend une configuration en briques 3D composée d'assemblages électroniques placés côte à côte et reliés à l'aide de multiples connecteurs et câbles. Cela augmente l'encombrement et la complexité d'un réseau d'antennes, par rapport aux antennes paraboliques simples.

La solution à ce volume et à cette complexité consiste à cibler une faible valeur SWaP-C qui élimine la structure de type brique résultant des techniques de fabrication de type « puce et fil » ou hybride. Les conceptions les plus récentes sont constituées de multiples éléments microrubans 2D planaires basés sur un substrat de circuit imprimé utilisant un boîtier CMS. Cette configuration planaire élimine le recours à de nombreux connecteurs et câbles, améliorant la valeur SWaP tout en augmentant la fiabilité et en simplifiant la fabrication (Figure 1).

Figure 1 : L'utilisation de composants CMS à faible SWaP-C (à droite) permet de réduire l'encombrement des réseaux d'antennes Satcom par rapport à un assemblage de briques 3D classique (à gauche). (Source de l'image : Knowles DLI)

Non seulement les dispositifs CMS réduisent considérablement l'encombrement du réseau d'antennes, mais ils permettent également l'utilisation d'une seule ligne d'assemblage automatisée, ce qui réduit considérablement le coût de production par rapport à une approche classique de type puce et fil ou hybride. L'assemblage CMS permet également d'accélérer la mise sur le marché.

Ces progrès ont été rendus possibles grâce à une nouvelle génération de composants CMS capables fonctionner de manière fiable dans l'espace à des fréquences opérationnelles élevées. Les dispositifs se caractérisent par des diélectriques innovants, une tolérance étroite, une fabrication à couches minces et de nouvelles topologies de lignes microrubans pour offrir un rapport performances/empreinte élevé.

Composants clés d'un réseau d'antennes : diviseur de puissance

Un dispositif CMS passif critique dans le réseau d'antennes est le diviseur de puissance. Les diviseurs de puissance individuels divisent un signal entrant en deux ou plusieurs signaux à répartir entre les éléments d'antenne qui composent le réseau. Dans sa forme la plus simple, le diviseur de puissance répartit la puissance d'entrée (moins certaines pertes du circuit) de manière égale sur chaque branche de sortie, mais d'autres formes de diviseurs de puissance permettent de partager la puissance d'entrée de manière proportionnelle sur les branches de sortie.

Il existe plusieurs configurations de diviseurs de puissance, mais pour les applications haute fréquence, les diviseurs de puissance prennent généralement la forme d'une conception Wilkinson à ligne microruban (Figure 2). Dans sa forme de base, chaque branche du diviseur mesure un quart de la longueur d'onde du signal RF entrant. Par exemple, pour un signal entrant avec une fréquence centrale de 15 GHz, chaque branche aura une longueur de 5 millimètres (mm). Les branches fonctionnent comme des transformateurs d'impédance d'un quart de longueur d'onde.

Une résistance d'isolement est utilisée pour faire correspondre les ports de sortie ; comme il y a un potentiel nul entre les ports de sortie, aucun courant ne traverse la résistance, qui ne contribue donc pas aux pertes résistives. La résistance fournit également un excellent isolement, même lorsque le dispositif est utilisé en sens inverse (en tant que combinateur de puissance), limitant ainsi la diaphonie entre les différents canaux.

Figure 2 : Le diviseur de puissance de Wilkinson de base utilise deux transformateurs d'impédance d'un quart de longueur d'onde et une résistance d'isolement pour faire correspondre les ports de sortie. Les ports 2 et 3 délivrent chacun la moitié de la puissance d'entrée du port 1. (Source de l'image : Knowles DLI)

Pour limiter les pertes lors de la division de puissance, les deux ports de sortie du diviseur de puissance doivent présenter chacun une impédance de 2 Zo. (Les 2 Zo en parallèle présenteront une impédance globale de Zo).

Pour une distribution égale de la puissance avec R = 2 Z_o, alors :

Où :

R = la valeur de la résistance de terminaison connectée entre les deux ports

Z_o = l'impédance caractéristique du système global

Z_match = l'impédance des transformateurs quart d'onde dans les branches du diviseur de puissance

Une matrice de diffusion (matrice S) contient les paramètres de diffusion utilisés pour décrire les performances électriques d'un réseau linéaire RF tel qu'un diviseur de puissance de Wilkinson. La Figure 3 montre la matrice S pour la forme simple du diviseur de puissance illustré à la Figure 2.

Figure 3 : Matrice de diffusion (matrice S) pour le diviseur de puissance de Wilkinson illustré à la Figure 2. (Source de l'image : Steven Keeping)

Les principales caractéristiques de la matrice S incluent :

• S_ij = S_ji (montrant que le diviseur de puissance de Wilkinson peut également être utilisé comme un combinateur)
• Les bornes correspondent (S₁₁, S₂₂, S₃₃= 0)
• Les bornes de sortie sont isolées (S₂₃, S₃₂ = 0)
• La puissance est répartie de manière égale (S₂₁ = S₃₁)

Les pertes sont minimisées lorsque les signaux aux ports 2 et 3 sont en phase et ont une magnitude égale. Un diviseur de puissance de Wilkinson idéal fournit S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3 décibels (dB) (c'est-à-dire la moitié de la puissance d'entrée à chaque port de sortie).

Les diviseurs de puissance de Wilkinson à ligne microruban constituent une bonne solution pour les applications de réseaux d'antennes à faible SWaP-C. Les options commerciales pour la bande Ku incluent le diviseur de puissance de Wilkinson bidirectionnel 16 GHz PDW06401 de Knowles Dielectric Labs. Le savoir-faire de Knowles en matière de fabrication à couches minces et de diélectriques lui a permis de fabriquer un dispositif CMS compact à faibles pertes destiné aux réseaux d'antennes Satcom en bande Ku.

Le PDW06401 mesure 3 mm x 3 mm x 0,4 mm et utilise des matériaux à faible perte qui minimisent les variations de performances sur une large plage de températures. L'impédance caractéristique (Z₀) du boîtier correspond à l'exigence de 50 ohms (Ω) nécessaire pour minimiser le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS), et donc les pertes par réflexion dans les systèmes RF haute fréquence. Le dispositif présente un déphasage nominal nul, un équilibrage d'amplitudes de ±0,25 dB et un équilibrage de phases de ±5°. Les pertes d'insertion excédentaires sont de 0,5 dB. La Figure 4 illustre la réponse en fréquence du diviseur de puissance PDW06401.

Figure 4 : Réponse en fréquence du diviseur de puissance du PDW06401. RL représente l'adaptation des bornes (S₁₁, S₂₂, etc.), Iso est l'isolement entre les ports de sortie (S₂₃, S₃₂) et IL est la puissance de sortie (S₂₁, S₃₁). (Source de l'image : Knowles DLI)

Les caractéristiques de perte par réflexion, d'isolement, d'équilibrage d'amplitudes et d'équilibrage de phases d'un diviseur de puissance sont essentielles aux performances du réseau d'antennes, comme suit :

• Les pertes par réflexion du produit doivent être faibles car des pertes plus importantes compromettent directement l'énergie maximale du faisceau transmis ou reçu.
• L'isolement du produit doit être élevé car il a un impact sur l'isolement entre les trajets des signaux dans le réseau d'antennes et améliore son gain.
• L'équilibrage d'amplitudes du dispositif doit approcher 0 dB car il affecte les performances d'amplitude et la puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) de l'antenne.
• L'équilibrage de phases du dispositif doit approcher la différence de 0°, car cela favorise un transfert de puissance maximum et garantit une longueur de phase attendue pour toutes les branches du réseau. Un déséquilibre de phase important détériore la puissance PIRE et peut modifier le diagramme de rayonnement d'un réseau d'antennes de formation de faisceau.

Composants clés d'un réseau d'antennes : coupleur directionnel

Le coupleur directionnel est un autre composant qui joue un rôle important dans les réseaux d'antennes en mesurant de manière constante la puissance d'émission et de réception des éléments du réseau. Le coupleur directionnel est un dispositif passif qui couple une quantité connue de puissance d'émission ou de réception à un autre port d'où elle peut être mesurée. Le couplage est généralement réalisé en positionnant deux conducteurs à proximité l'un de l'autre de telle sorte que l'énergie passant par une ligne soit couplée à l'autre.

Le dispositif est doté de quatre ports : entrée, transmis, couplé et isolé. La ligne de transmission principale est située entre les ports 1 et 2. Le port isolé est terminé par une charge adaptée interne ou externe (généralement 50 Ω), tandis que le port couplé (3) est utilisé pour capter l'énergie couplée. Le port couplé fournit typiquement une fraction de l'énergie de la ligne principale et comporte souvent un connecteur plus petit pour le distinguer des ports 1 et 2 de la ligne principale. Le port couplé peut être utilisé pour obtenir des informations sur la fréquence et le niveau de puissance des signaux sans interrompre le flux d'alimentation principal du système. La puissance entrant dans le port transmis circule vers le port isolé et n'affecte pas la sortie du port couplé (Figure 5).

Figure 5 : Le port couplé (P3) d'un diviseur de puissance transmet une certaine fraction de la puissance délivrée au port d'entrée (P1), le reste passant par le port transmis (P2). Le port isolé (P4) est terminé avec une charge adaptée interne ou externe. (Source de l'image : Spinningspark sur Wikipédia)

La caractéristique clé d'un coupleur est le facteur de couplage.

Il est défini comme suit :

La forme la plus simple de coupleur présente une topologie à angle droit dans laquelle les lignes couplées sont adjacentes sur un quart de la longueur d'onde du signal d'entrée (par exemple, 5 mm pour un signal de 15 GHz). Ce type de coupleur produit généralement la moitié de la puissance d'entrée au port 3 (c'est-à-dire qu'il a un facteur de couplage de 3 dB), la puissance au port transmis étant également réduite de 3 dB. (Figure 6).

Figure 6 : La forme la plus simple de coupleur directionnel présente des lignes de couplage adjacentes sur un quart de longueur d'onde de la fréquence du signal d'entrée. (Source de l'image : Spinningspark sur Wikipédia)

Comme c'est le cas avec le diviseur de puissance, certaines caractéristiques clés du coupleur directionnel ont un impact sur les performances du réseau d'antennes. Ces caractéristiques incluent :

• La perte de ligne principale doit être minimisée pour améliorer le gain du réseau d'antennes. Cette perte est due au chauffage résistif de la ligne principale et est distincte de la perte de couplage. La perte totale de la ligne principale est la combinaison de la perte de chauffage résistif et de la perte de couplage.
• La perte de couplage est la réduction de la puissance due à l'énergie transférée aux ports couplés et isolés. En supposant une directivité raisonnable, la puissance transférée involontairement au port isolé devrait être négligeable par rapport à celle transférée intentionnellement au port couplé.
• La perte par réflexion doit être minimisée. Il s'agit d'une mesure de la quantité du signal qui est renvoyé ou réfléchi par le coupleur directionnel.
• La perte d'insertion doit également être minimisée. Il s'agit du rapport entre le niveau d'un signal dans une configuration de test sans coupleur directionnel et celui avec le composant présent.
• L'isolement doit être maximisé. Il s'agit de la différence de niveau de puissance entre le port d'entrée et le port isolé.
• La directivité doit être maximisée. C'est la différence de niveau de puissance entre le port 3 et le port 4 du coupleur directionnel et se rapportant à l'isolement. Il s'agit d'une mesure de l'indépendance des ports couplés et isolés.

Bien que les coupleurs directionnels RF puissent être mis en œuvre à l'aide de diverses techniques, les lignes microrubans sont privilégiées dans les applications de communications par satellites à faible SWaP-C en raison de leur format compact. Le coupleur directionnel FPC06078 de Knowles en est un exemple. Le dispositif est une ligne microruban CMS qui mesure 2,5 mm x 2,0 mm x 0,4 mm. Il présente une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +125°C et une impédance caractéristique de 50 Ω.

Bien que le facteur de couplage dépende de la fréquence, un coupleur directionnel de haute qualité présentera une réponse en fréquence de couplage relativement plate. La Figure 7 ci-dessous montre que le dispositif de Knowles présente un facteur de couplage nominal de 20 dB, qui ne varie que de 2 dB sur une plage de fonctionnement de 12 GHz à 18 GHz. Le coupleur directionnel FPC06078 présente une perte d'insertion de 0,3 dB et une perte par réflexion minimum de 15 dB. La directivité du dispositif est de 14 dB (Figure 8).

Figure 7 : Illustration de la réponse en fréquence du coupleur directionnel FPC06078. Le dispositif présente un facteur de couplage nominal de -20 dB et une faible perte d'insertion de 0,3 dB. (Source de l'image : Knowles DLI)

Figure 8 : Graphique de la directivité du coupleur directionnel FPC06078. Pour de meilleures performances du réseau d'antennes, la directivité, qui est liée à l'isolement, doit être maximisée. (Source de l'image : Knowles DLI)

Conclusion

Les concepteurs répondent à la demande de faible SWaP-C dans les applications de communications par satellites en utilisant des composants passifs CMS compacts. Les exemples incluent les diviseurs de puissance et les coupleurs directionnels utilisés dans la fabrication des réseaux d'antennes de satellites.

En sélectionnant des dispositifs passifs CMS compacts de bonne qualité — qui promettent des performances supérieures grâce à la construction de lignes microrubans et à des matériaux en céramique aux capacités diélectriques élevées — les concepteurs peuvent exploiter les bandes RF à plus haute fréquence pour les applications de communications par satellites. De plus, cette nouvelle génération de diviseurs de puissance et de coupleurs directionnels CMS permet aux concepteurs de créer des réseaux d'antennes plus petits et plus légers, tout en améliorant le gain et les capacités de formation de faisceau des antennes.