Come implementare antenne in schiera satellitari SWaP-C mediante ripartitori di potenza e accoppiatori direzionali SMD

Lo spazio intorno alla Terra si sta riempiendo rapidamente e nel prossimo decennio è previsto il lancio di migliaia di nuovi satelliti. Questo sta facendo pressione sui progettisti di comunicazioni satellitari (satcom). In primo luogo, la larghezza di banda disponibile per le comunicazioni satellitari nelle tradizionali bande L, C e X si sta esaurendo rapidamente. In secondo luogo, i costruttori di satelliti commerciali vogliono che i loro prodotti siano più leggeri ed economici da lanciare.

I progettisti di comunicazioni satellitari stanno rispondendo alla carenza di larghezza di banda RF spostando le comunicazioni dalle bande satellitari tradizionali a bande RF a maggior frequenza come Ku (12-18 GHz). La banda Ku offre un potenziale di throughput maggiore ed è molto meno congestionata. Per quanto riguarda la richiesta di dimensioni, peso, potenza e costi minimi ("SWaP-C"), i progettisti stanno rispondendo costruendo elementi chiave del satellite, come l'antenna in schiera, utilizzando dispositivi avanzati a montaggio superficiale (SMD).

Questo articolo illustra i vantaggi dei ripartitori di potenza e degli accoppiatori direzionali SMD, elementi passivi chiave utilizzati nelle antenne in schiera satcom in banda Ku. L'articolo presenta alcuni dispositivi esemplificativi di Knowles Dielectric Labs, descrive come questi soddisfino le attuali esigenze di basso SWaP e come i progettisti possano utilizzare le caratteristiche prestazionali chiave di questi componenti essenziali per ottimizzare le prestazioni delle antenne in schiera.

I progressi delle antenne in schiera

I recenti sviluppi nel campo delle antenne per satelliti e stazioni di terra hanno visto l'abbandono delle parabole ad antenna singola a favore delle antenne in schiera. Le antenne in schiera combinano due o più elementi, ognuno dei quali funziona essenzialmente come una mini-antenna. I vantaggi delle antenne in schiera rispetto alle antenne convenzionali per le applicazioni di comunicazione satellitare includono:

• Guadagno maggiore
• Maggior rapporto segnale/rumore (SNR)
• Fasci di trasmissione orientabili e maggiore sensibilità ai segnali in arrivo da una direzione particolare
• Migliore ricezione della diversità (aiuta a superare l'attenuazione del segnale)
• Lobi laterali più piccoli nella distribuzione dell'irradiazione dell'antenna

La struttura convenzionale di una schiera comprende una configurazione a mattoni 3D composta da gruppi elettronici affiancati e collegati mediante più cavi e connettori. Ciò aumenta l'ingombro e la complessità di un'antenna in schiera rispetto alle parabole ad antenna singola.

La soluzione a questo ingombro e a questa complessità è stata trovata concentrandosi su un basso SWaP-C che elimina la struttura a mattoni risultante dalle tecniche di fabbricazione chip-and-wire o ibride. I progetti recenti sono costituiti da più elementi planari 2D a microstriscia basati su un substrato di scheda CS con confezionamento SMD. Questa configurazione planare elimina la necessità di molti connettori e cavi, migliorando lo SWaP, aumentando l'affidabilità e semplificando la produzione (Figura 1).

Figura 1: L'uso di componenti SMD a basso SWaP-C (a destra) consente di ridurre l'ingombro delle antenne in schiera satcom rispetto a un gruppo 3D convenzionale (a sinistra). (Immagine per gentile concessione di Knowles DLI)

I componenti SMD non solo riducono notevolmente l'ingombro di un'antenna in schiera, ma consentono anche l'utilizzo di un'unica linea di assemblaggio automatizzata, riducendo drasticamente i costi di produzione rispetto a un approccio convenzionale chip-and-wire o ibrido. L'assemblaggio SMD contribuisce inoltre ad accelerare il time-to-market.

Questi progressi sono stati resi possibili da una nuova generazione di componenti SMD in grado di funzionare in modo affidabile nello spazio a frequenze operative elevate. I dispositivi sono caratterizzati da dielettrici innovativi, tolleranze rigide, produzione a film sottile e nuove topologie di linee a microstriscia per fornire un elevato rapporto prestazioni/ingombro.

Componenti chiave di un'antenna in schiera: il ripartitore di potenza

Un componente passivo SMD cruciale in un'antenna in schiera è il ripartitore di potenza. I singoli ripartitori di potenza dividono il segnale in ingresso in due o più segnali da distribuire sugli elementi dell'antenna che compongono la schiera. Nella sua forma più semplice, il ripartitore di potenza divide la potenza in ingresso (meno alcune perdite del circuito) in modo uniforme su ciascuna tratta di uscita, ma altre forme di ripartitori di potenza consentono di dividere la potenza in ingresso in modo proporzionale sulle tratte di uscita.

Esistono diverse configurazioni dei ripartitori di potenza, ma per le applicazioni ad alta frequenza i ripartitori di potenza assumono tipicamente la forma di una linea Wilkinson a microstriscia (Figura 2). Nella forma di base, ogni tratta del ripartitore misura un quarto della lunghezza d'onda del segnale RF in ingresso. Ad esempio, per un segnale in ingresso con una frequenza centrale di 15 GHz, ogni tratta avrà una lunghezza di 5 mm. Le tratte funzionano come trasformatori di impedenza a quarto d'onda.

Per adattarsi alle porte di uscita si utilizza un resistore di isolamento; poiché il potenziale tra le porte di uscita è nullo, il resistore non è attraversato da corrente e non contribuisce alle perdite resistive. Il resistore fornisce inoltre un eccellente isolamento, anche quando il dispositivo viene utilizzato al contrario (come combinatore di potenza), limitando così la diafonia tra i singoli canali.

Figura 2: Il ripartitore di potenza Wilkinson di base utilizza due trasformatori di impedenza a quarto d'onda e un resistore di isolamento per adattarsi alle porte di uscita. Le porte 2 e 3 erogano ciascuna la metà della potenza in ingresso della porta 1. (Immagine per gentile concessione di Knowles DLI)

Per limitare le perdite durante la ripartizione della potenza, le due porte di uscita del ripartitore di potenza devono presentare ciascuna un'impedenza di 2 Zo. (I 2 Zo in parallelo avranno un'impedenza complessiva di Zo).

Per una distribuzione dell'energia elettrica uguale con R = 2 Z_o:

Dove:

R = il valore del resistore di terminazione collegato tra le due porte

Z_o = impedenza caratteristica del sistema complessivo

Z_match = impedenza dei trasformatori a quarto d'onda nelle tratte del ripartitore di potenza

Una matrice di diffusione (matrice S) contiene i parametri di diffusione utilizzati per descrivere le prestazioni elettriche di una rete lineare RF come un ripartitore di potenza Wilkinson. La Figura 3 mostra la matrice S per la forma semplice del ripartitore di potenza illustrato nella Figura 2.

Figura 3: Matrice di diffusione (matrice S) per il ripartitore di potenza Wilkinson illustrato nella Figura 2. (Immagine per gentile concessione di Steven Keeping)

Le caratteristiche principali della matrice S sono:

• S_ij = S_ji (che dimostra che il ripartitore di potenza Wilkinson può essere usato anche come combinatore)
• I terminali sono adattati (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• I terminali di uscita sono isolati (S₂₃, S₃₂ = 0)
• La potenza è ripartita equamente (S₂₁ = S₃₁)

Le perdite sono ridotte al minimo quando i segnali alle porte 2 e 3 sono in fase e hanno la stessa ampiezza. Un ripartitore di potenza Wilkinson ideale fornisce S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3 dB (cioè la metà della potenza in ingresso a ciascuna porta di uscita).

I ripartitori di potenza Wilkinson a linea a microstriscia sono una buona soluzione per applicazioni di antenne in schiera a basso SWaP-C. Le opzioni commerciali per la banda Ku includono il ripartitore di potenza Wilkinson a due vie da 16 GHz PDW06401 di Knowles Dielectric Labs. Il know-how di Knowles nella produzione di dielettrici e film sottili ha permesso di produrre un componente SMD compatto e a bassa perdita per l'utilizzo con antenne in schiera satcom in banda Ku.

PDW06401 misura 3 x 3 x 0,4 mm e utilizza materiali a bassa perdita che riducono al minimo la variazione delle prestazioni in un ampio intervallo di temperatura. L'impedenza caratteristica del contenitore (Z₀) corrisponde ai requisiti di 50 Ω necessari per ridurre al minimo il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione e quindi l'attenuazione di riflessione nei sistemi RF ad alta frequenza. Il dispositivo presenta uno spostamento di fase nominale nullo, un bilanciamento dell'ampiezza di ±0,25 dB e un bilanciamento di fase di ±5°. Le perdite di inserzione in eccesso sono di 0,5 dB. La Figura 4 illustra la risposta in frequenza del ripartitore di potenza PDW06401.

Figura 4: Risposta in frequenza del ripartitore di potenza PDW06401. RL rappresenta l'adattamento dei terminali (S₁₁, S₂₂, ecc.), Iso è l'isolamento tra le porte di uscita (S₂₃, S₃₂) e IL è la potenza di uscita (S₂₁, S₃₁). (Immagine per gentile concessione di Knowles DLI)

Le caratteristiche di attenuazione di riflessione, isolamento, bilanciamento dell'ampiezza e bilanciamento di fase di un ripartitore di potenza sono fondamentali per le prestazioni dell'antenna in schiera nei seguenti modi:

• L'attenuazione di riflessione del prodotto deve essere bassa, perché un fattore d'adattamento (in riflessione) maggiore compromette direttamente la massima energia del fascio trasmessa o ricevuta.
• L'isolamento del prodotto deve essere elevato perché influisce sull'isolamento tra i percorsi del segnale nell'antenna in schiera e ne aumenta il guadagno.
• Il bilanciamento dell'ampiezza del dispositivo deve avvicinarsi a 0 dB, in quanto influisce sulle prestazioni in ampiezza e sulla potenza irradiata isotropica equivalente (EIRP) dell'antenna.
• Il bilanciamento di fase del dispositivo deve avvicinarsi a una differenza di 0°, in quanto ciò favorisce il massimo trasferimento di potenza e garantisce la lunghezza di fase prevista per tutti i rami della rete. Un grande squilibrio di fase peggiora l'EIRP e modifica potenzialmente la distribuzione dell'irradiazione di un'antenna in schiera di formazione del fascio.

Componenti chiave di un'antenna in schiera: accoppiatore direzionale

L'accoppiatore direzionale è un altro componente con un ruolo importante nelle antenne in schiera, dato che misura costantemente la potenza di trasmissione e ricezione degli elementi della schiera. L'accoppiatore direzionale è un dispositivo passivo che accoppia una quantità nota di potenza di trasmissione o ricezione a un'altra porta da cui può essere misurata. L'accoppiamento si ottiene tipicamente posizionando due conduttori vicini l'un l'altro in modo che l'energia che passa attraverso una linea venga accoppiata all'altra.

Il dispositivo dispone di quattro porte: ingresso, trasmissione, accoppiata e isolata. La linea di trasmissione principale è situata tra le porte 1 e 2. La porta isolata è terminata con un carico interno o esterno (tipicamente 50 Ω), mentre la porta accoppiata (3) è utilizzata per captare l'energia accoppiata. La porta accoppiata eroga in genere una frazione dell'energia della linea principale e spesso presenta un connettore più piccolo per distinguerla dalle porte 1 e 2 della linea principale. La porta accoppiata può essere utilizzata per ottenere informazioni sul livello di potenza e sulla frequenza del segnale senza interrompere il flusso di alimentazione principale del sistema. L'energia in entrata nella porta trasmessa scorre verso la porta isolata e non influisce sull'uscita della porta accoppiata (Figura 5).

Figura 5: La porta accoppiata (P3) di un ripartitore di potenza trasmette una parte della potenza erogata alla porta di ingresso (P1), mentre il resto passa attraverso la porta trasmessa (P2). La porta isolata (P4) è terminata con un carico compensato interno o esterno. (Immagine per gentile concessione di Spinningspark su Wikipedia)

La caratteristica principale di un accoppiatore è il fattore di accoppiamento.

Questo è definito come:

La forma più semplice di accoppiatore prevede una topologia ad angolo retto in cui le linee accoppiate corrono adiacenti per un quarto della lunghezza d'onda del segnale di ingresso (es., 5 mm per un segnale a 15 GHz). Questo tipo di accoppiatore produce tipicamente la metà della potenza in ingresso alla porta 3 (cioè ha un fattore di accoppiamento di 3 dB), con la potenza alla porta trasmessa ridotta anch'essa di 3 dB. (Figura 6).

Figura 6: La forma più semplice di accoppiatore direzionale prevede linee di accoppiamento adiacenti per un quarto di lunghezza d'onda della frequenza del segnale di ingresso. (Immagine per gentile concessione di Spinningspark su Wikipedia)

Come nel caso del ripartitore di potenza, alcune caratteristiche chiave dell'accoppiatore direzionale influiscono sulle prestazioni dell'antenna in schiera. Queste caratteristiche includono:

• La perdita della linea principale deve essere ridotta al minimo per migliorare il guadagno dell'antenna in schiera. Questa perdita è dovuta al riscaldamento resistivo della linea principale ed è distinta dalla perdita di accoppiamento. La perdita totale della linea principale è la combinazione della perdita di riscaldamento resistivo e della perdita di accoppiamento.
• La perdita di accoppiamento è la riduzione di potenza dovuta all'energia trasferita alle porte accoppiate e isolate. Assumendo una direttività ragionevole, la potenza trasferita involontariamente alla porta isolata dovrebbe essere trascurabile rispetto a quella trasferita intenzionalmente alla porta accoppiata.
• L'attenuazione di riflessione deve essere ridotta al minimo. Si tratta di una misura della quantità di segnale restituita o riflessa dall'accoppiatore direzionale.
• Anche la perdita di inserzione deve essere ridotta al minimo. È il rapporto tra il livello del segnale in una configurazione di prova senza l'accoppiatore direzionale rispetto a quello con il componente presente.
• L'isolamento deve essere massimizzato. Si tratta della differenza di livello di potenza tra la porta di ingresso e la porta isolata.
• La direttività deve essere massimizzata. È la differenza di livello di potenza tra la porta 3 e la porta 4 dell'accoppiatore direzionale ed è legata all'isolamento. È una misura dell'indipendenza delle porte accoppiate e isolate.

Sebbene gli accoppiatori direzionali RF possano essere implementati con diverse tecniche, le linee a microstriscia sono le preferite nelle applicazioni satcom a basso SWaP-C grazie alle loro dimensioni ridotte. Un esempio è l'accoppiatore direzionale FPC06078 di Knowles. Il dispositivo è un dispositivo a linea a microstriscia SMD che misura 2,5 x 2,0 x 0,4 mm. Ha un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -55 e +125 °C e un'impedenza caratteristica di 50 Ω.

Sebbene il fattore di accoppiamento dipenda dalla frequenza, un accoppiatore direzionale di alta qualità presenta una risposta in frequenza di accoppiamento relativamente piatta. La Figura 7 mostra che il dispositivo di Knowles presenta un fattore di accoppiamento nominale di 20 dB, che varia di soli 2 dB in un intervallo operativo compreso tra 12 e 18 GHz. L'accoppiatore direzionale FPC06078 presenta una perdita di inserzione di 0,3 dB e un'attenuazione di riflessione minima di 15 dB. La direttività del dispositivo è di 14 dB (Figura 8).

Figura 7: La risposta in frequenza dell'accoppiatore direzionale FPC06078. Il dispositivo presenta un fattore di accoppiamento nominale di -20 dB e una bassa perdita di inserzione di 0,3 dB. (Immagine per gentile concessione di Knowles DLI)

Figura 8: Grafico della direttività dell'accoppiatore direzionale FPC06078. Per prestazioni più elevate dell'antenna in schiera, è necessario massimizzare la direttività, che è correlata all'isolamento. (Immagine per gentile concessione di Knowles DLI)

Conclusione

I progettisti rispondono alla richiesta di un basso SWaP-C nelle applicazioni satcom utilizzando componenti passivi compatti SMD. Tra gli esempi vi sono i ripartitori di potenza e gli accoppiatori direzionali utilizzati per la realizzazione delle antenne a schiera del satellite.

Scegliendo dispositivi passivi SMD compatti di buona qualità - che promettono prestazioni superiori grazie alla costruzione di linee a microstriscia e ai materiali ceramici con elevate capacità dielettriche - i progettisti possono sfruttare le bande RF a frequenza superiore per le applicazioni di comunicazione satellitare. Inoltre, questa nuova generazione di ripartitori di potenza e accoppiatori direzionali SMD consente di creare antenne in schiera più piccole e leggere, migliorando al contempo il guadagno dell'antenna e le capacità di formazione del fascio.