Utiliser des coupleurs directionnels à montage en surface pour réduire la taille des dispositifs de contrôle de puissance RF

Pour les ingénieurs impliqués dans l'analyse de circuits non-RF ou dans des travaux pratiques sur des cartes et des bancs d'essai, les principaux paramètres de signal qui les intéressent sont la tension et le courant à des points spécifiques d'une conception. Ces paramètres peuvent être mesurés à l'aide d'un voltmètre, d'un oscilloscope ou d'une résistance de détection du courant.

En revanche, les ingénieurs qui travaillent dans le domaine RF filaire ou sans fil se concentrent sur la puissance, mesurée en watts (W) ou en milliwatts (mW), ou en décibels (dB) par rapport à 1 mW (dBm). Cependant, il n'est pas facile de mesurer la puissance RF, car il n'existe pas d'équivalent à un simple point de capture de signal de tension ou de courant qui n'interfère pas avec le flux de puissance. Des transducteurs de signaux et des schémas uniques sont utilisés pour évaluer les niveaux de puissance RF.

L'une des approches les plus courantes consiste à utiliser un coupleur directionnel, un dispositif passif qui « capte » les signaux RF avec un degré de couplage défini tout en offrant un isolement élevé entre le signal et les ports échantillonnés.

Cette technologie ayant fait ses preuves, nous allons voir comment fonctionnent les coupleurs directionnels. Nous examinerons ensuite comment ils ont bénéficié des avancées réalisées au niveau des matériaux pour devenir des dispositifs miniatures à montage en surface (CMS) adaptés aux circuits basse consommation.

Fonctionnement des coupleurs directionnels

Un coupleur général à quatre ports est une fonction RF passive qui comprend des ports couplés (directs) et isolés (inverses ou réfléchis) (Figure 1, en haut). Un coupleur directionnel est une structure à trois ports qui élimine l'utilisation du port isolé. Cette configuration est utilisée dans les applications n'exigeant qu'une seule sortie à couplage direct (directionnelle) (Figure 1, en bas).

Le rôle du coupleur directionnel est d'échantillonner la puissance d'une ligne de transmission de signaux sans altérer les caractéristiques de la ligne. Cela revient en quelque sorte à utiliser un voltmètre à haute impédance afin de ne pas charger la source sur la ligne mesurée.

Ce couplage directionnel permet de mesurer la puissance du signal à l'aide de simples détecteurs de bas niveau ou de champmètres et d'équipements de mesure de la puissance. Une petite fraction fixe de la puissance incidente sur le port d'entrée P1 apparaît sur le port couplé P3 pour la mesure. Le reste de la puissance d'entrée est délivré au port de transmission P2 (appelé port de sortie).

L'un des principaux avantages d'un coupleur directionnel est qu'il ne couple que la puissance circulant dans une direction ; toute puissance entrant par inadvertance dans le port de sortie est couplée au port isolé, non utilisé et terminé P4 et non à P3, mais ce n'est pas un problème pour le flux directionnel du coupleur.

Figure 1 : Un coupleur directionnel est une fonction RF passive à trois ports qui dévie une partie de la puissance incidente sur P1 vers le port couplé P3, où elle peut être mesurée sans affecter le trajet primaire unique entre le port d'entrée P1 et le port de transmission (sortie) P2. Il s'agit d'un sous-ensemble unidirectionnel du coupleur bidirectionnel à quatre ports. (Source de l'image : Wikipedia)

Ces paramètres importants sont utilisés pour spécifier un coupleur directionnel :

• Facteur de couplage : fraction de la puissance d'entrée (à P1) délivrée au port couplé (P3).
• Directivité : mesure de la capacité du coupleur à séparer les ondes à propagation directe et inverse, observée aux ports couplé (P3) et isolé (P4).
• Isolement : quantité de puissance délivrée à la charge non couplée (P4).
• Perte d'insertion : réduction de la puissance d'entrée délivrée au port de transmission, en tenant compte de la puissance détournée vers les ports couplé et isolé.
• Pertes par réflexion : mesure de la quantité de puissance réfléchie vers P1 en raison d'une désadaptation d'impédance.

Matériaux avancés conduisant à la miniaturisation des coupleurs directionnels

Il existe différentes manières de construire un coupleur directionnel. Historiquement, on utilisait des guides d'ondes ou des câbles coaxiaux, qui sont toujours nécessaires pour les applications à plus haute puissance. Cependant, les circuits RF modernes de plus bas niveau, tels que ceux dans les stations de base, ont besoin d'un coupleur beaucoup plus petit. Cela peut être obtenu en utilisant des procédés à ligne triplaque ou à microruban sur des substrats céramiques à haute permittivité.

Le microruban est une technologie de ligne triplaque qui utilise une bande conductrice séparée d'un plan de masse par un substrat diélectrique. Des composants complets tels que des antennes, des coupleurs, des filtres et des diviseurs de puissance sont formés à partir de motifs métallisés sur le substrat avec une grande précision dimensionnelle. Les composants miniatures construits à l'aide des techniques de microruban sont plus légers, plus compacts et généralement plus économiques que les autres technologies de lignes de transmission. Ils peuvent supporter des puissances modestes de l'ordre d'une dizaine de watts.

La disponibilité de matériaux à valeur K élevée comme substrats se traduit par une longueur d'onde plus courte du signal RF et une taille globalement plus petite des composants. Il est à noter que la littérature académique utilise parfois un k minuscule, plus formellement appelé κ (kappa grec).

En utilisant des coupleurs directionnels fabriqués avec des matériaux à valeur K élevée et la technologie microruban à couche mince de haute précision de Knowles, les concepteurs RF peuvent réduire la taille, le poids et la puissance (SWaP) des circuits RF tout en maintenant des tolérances de performances strictes.

L'impact bénéfique de ces matériaux à valeur K élevée est spectaculaire, comme le montre une comparaison (Figure 2) de la constante diélectrique et de la longueur d'onde à 25 gigahertz (GHz) pour trois matériaux diélectriques courants (PTFE, FR-4 et alumine), ainsi que pour trois substrats personnalisés développés par Knowles (PG, CF et CG). Leur substrat CF a une constante diélectrique de 25, contre 4,8 pour le matériau FR-4. Par conséquent, la longueur d'onde d'un dispositif utilisant le matériau CF est 2,5 fois plus petite que celle d'un dispositif utilisant le FR-4, ce qui entraîne une réduction considérable de la taille du dispositif.

Figure 2 : Les coupleurs directionnels à microruban à couche mince (à gauche) utilisent des substrats diélectriques à valeur K très élevée pour permettre des dispositifs considérablement plus petits et légers (à droite). (Source de l'image : Knowles)

Exemples de performances des coupleurs directionnels CMS

Les performances et la taille des coupleurs directionnels basés sur la technologie microruban et les substrats diélectriques à valeur K élevée sont illustrées par les coupleurs FPC06073 et FPC07182 de Knowles, chacun prenant en charge différentes plages et largeurs de bande dans le spectre des gigahertz (Figure 3, en haut et en bas, respectivement).

Figure 3 : Les coupleurs FPC06073 (en haut) et FPC07182 (en bas) sont performants sur leurs bandes respectives pour quatre paramètres principaux : pertes par réflexion, perte d'insertion, facteur de couplage et isolement. (Source de l'image : Knowles Precision Devices)

Le coupleur directionnel CMS de 50 ohms (Ω) FPC06073 couvre de 4 à 8 GHz avec un facteur de couplage de 10 dB et une directivité de 20 dB. Grâce à sa petite taille d'environ 4,3 millimètres (mm) × 2,0 mm × 0,38 mm, il convient aux conceptions compactes. Il est répertorié pour 25 W (en continu). Les performances pour les quatre paramètres illustrés à la Figure 3, en particulier le couplage et la perte d'insertion, sont relativement stables sur toute la bande, avec des températures de fonctionnement et de stockage spécifiées entre ‑55°C et +125°C.

Pour les fréquences plus élevées, le coupleur CMS FPC07182 est conçu pour un fonctionnement de 20 à 40 GHz. Comme le FPC06073, il présente un couplage de 10 dB mais une directivité de 10 dB. Affichant un format encore plus compact de seulement 1,65 mm × 1,270 mm × 0,254 mm, ce dispositif de 50 Ω supporte jusqu'à 14 W et présente un couplage et une perte d'insertion très stables sur la bande passante de 20 GHz.

Conclusion

Les coupleurs directionnels basés sur des substrats en céramique à haute permittivité et des techniques à microruban fournissent désormais cette fonction RF dans des dispositifs CMS presque invisibles, avec des performances et une tenue en puissance exceptionnelles sur les bandes gigahertz désignées.

Contenu connexe

1. Knowles Precision Devices, "Reduce RF Circuit SWaP with High K Materials and Precision Thin-Film Microstrip Technology"

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

2. DigiKey, "Principes de base des coupleurs directionnels RF et comment les utiliser efficacement"

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

3. DigiKey, "Solving the RF Power-Detection Challenge" (citant Analog Devices)

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

4. DigiKey, "Tiny Directional Couplers Meet Demands of Compact RF Applications"

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