Uso degli accoppiatori direzionali a montaggio superficiale per ridurre le dimensioni dei dispositivi di monitoraggio di potenza RF

Per gli ingegneri che si occupano dell'analisi di circuiti non RF o di lavoro pratico, i principali parametri di interesse in materia di segnale sono la tensione e la corrente in punti specifici di un progetto. È possibile misurarli utilizzando un voltmetro, un oscilloscopio o un resistore di rilevamento della corrente.

Invece, coloro che lavorano nel dominio RF cablato e wireless si concentrano sulla potenza, misurata in watt o milliwatt (mW), o decibel (dB) riferiti a 1 mW (dBm). Tuttavia, misurare la potenza RF non è semplice, poiché non esiste un equivalente di un semplice punto di rilievo del segnale di tensione o di corrente che non interferisca anche con il flusso di potenza. Per valutare i livelli di potenza RF invece sono utilizzati trasduttori di segnale e schemi unici.

Uno degli approcci più comuni utilizza un accoppiatore direzionale, un dispositivo passivo che "acquisisce" i segnali RF con un grado di accoppiamento definito, offrendo al contempo un elevato isolamento tra il segnale e le porte campionate.

Vediamo come funzionano gli accoppiatori direzionali, una tecnologia comprovata, esaminando come abbiano beneficiato dei progressi nei materiali che li hanno ridotti a dispositivi miniaturizzati con tecnologia a montaggio superficiale (SMT) adatti a circuiti a bassa potenza.

Come funzionano gli accoppiatori direzionali

Un normale accoppiatore a quattro porte è una funzione RF passiva che include porte accoppiate (dirette) e isolate (inverse o riflesse) (Figura 1, in alto). Un accoppiatore direzionale è una struttura a tre porte che elimina l'uso della porta isolata; questa configurazione è utilizzata nelle applicazioni che necessitano solo di una singola uscita diretta accoppiata (direzionale) (Figura 1, in basso).

L'accoppiatore direzionale svolge la funzione di campionare la potenza da una linea di trasmissione del segnale senza alterarne le caratteristiche. In un certo senso è analogo all'utilizzo di un voltmetro ad alta impedenza per non sovraccaricare la sorgente sulla linea sottoposta a misurazione.

Questo accoppiamento direzionale consente la misurazione della potenza del segnale utilizzando semplici rilevatori di basso livello o misuratori di intensità di campo e apparecchiature di misurazione della potenza. Una piccola frazione fissa della potenza incidente sulla porta di ingresso P1 appare sulla porta accoppiata P3 ai fini della misurazione. La restante potenza in ingresso viene trasmessa alla porta di trasmissione (detta porta di passaggio o di uscita) P2.

Un importante vantaggio di un accoppiatore direzionale è che accoppia solo la potenza che scorre in una direzione; qualsiasi potenza che entra inavvertitamente nella porta di uscita viene accoppiata alla porta isolata, terminata e inutilizzata P4 e non a P3, ma questo non rappresenta un problema per il flusso direzionale dell'accoppiatore.

Figura 1: Un accoppiatore direzionale è una funzione RF passiva a tre porte che devia parte della potenza incidente su P1 alla porta accoppiata P3, dove può essere misurata senza influire sul percorso primario singolo dalla porta di ingresso P1 alla porta di trasmissione (uscita) P2; è un sottoinsieme unidirezionale dell'accoppiatore bidirezionale a quattro porte. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Questi parametri di primo livello sono utilizzati per specificare un accoppiatore direzionale:

• Fattore di accoppiamento: la frazione della potenza in ingresso (a P1) fornita alla porta accoppiata (P3).
• Direzionalità: misura della capacità dell'accoppiatore di separare le onde a propagazione diretta e inversa, osservata nelle porte accoppiata (P3) e isolata (P4).
• Isolamento: la quantità di potenza fornita al carico non accoppiato (P4).
• Perdita di inserzione: riduzione della potenza in ingresso fornita alla porta trasmessa, che tiene conto della potenza deviata verso le porte accoppiata e isolata.
• Attenuazione di riflessione: misura della quantità di potenza riflessa verso P1 a causa di un mancato disadattamento di impedenza.

I progressi nei materiali riducono le dimensioni degli accoppiatori direzionali

Esistono diversi modi per costruire un accoppiatore direzionale. Tipicamente si utilizzavano le guide d'onda o cavi coassiali, tuttora necessari per applicazioni ad alta potenza. Tuttavia, i moderni circuiti RF di livello inferiore, come quelli delle stazioni base, necessitano di un accoppiatore molto più piccolo, realizzabile utilizzando processi strip-line o linea a microstriscia su substrati ceramici ad alta permittività.

La linea a microstriscia è una tecnologia di trasmissione che utilizza una striscia conduttrice separata da un piano di massa tramite un substrato dielettrico. Interi componenti quali antenne, accoppiatori, filtri e ripartitori di potenza sono formati da modelli metallizzati sul substrato con elevata precisione dimensionale. I componenti minuti realizzati con tecniche a microstriscia sono più leggeri, più compatti e solitamente meno costosi rispetto alle tecnologie di trasmissione alternative e possono gestire modeste quantità di potenza, nell'ordine dei dieci watt.

La disponibilità di materiali ad alto K come substrati determina una lunghezza d'onda del segnale RF più corta e una riduzione complessiva delle dimensioni dei componenti. Si noti che nella letteratura accademica a volte viene utilizzata la k minuscola, più formalmente definita κ (kappa in greco).

Utilizzando accoppiatori direzionali prodotti con materiali ad alto K e la tecnologia di processo a microstriscia su film sottile ad alta precisione di Knowles, i progettisti RF possono ridurre la dimensione, il peso e la potenza (SWaP) dei circuiti RF senza compromettere le rigide tolleranze prestazionali.

L'impatto positivo di questi materiali ad alto K è notevole, come si può osservare da un confronto (Figura 2) tra la costante dielettrica e la lunghezza d'onda a 25 GHz di tre materiali dielettrici comuni (PTFE, FR-4 e allumina), nonché tre substrati personalizzati sviluppati da Knowles (PG, CF e CG). Il substrato CF ha una costante dielettrica di 25, rispetto a una costante dielettrica di 4,8 per il materiale FR-4. Di conseguenza, la lunghezza d'onda di un dispositivo che utilizza il materiale CF è di 2,5 volte inferiore a quella di un dispositivo che utilizza FR-4, con conseguente drastica riduzione delle dimensioni del dispositivo.

Figura 2: Gli accoppiatori direzionali a microstriscia a film sottile (a sinistra) sfruttano i substrati dielettrici con K molto elevato per realizzare dispositivi dalle dimensioni e dal peso significativamente ridotti (a destra). (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Esempi di prestazioni dell'accoppiatore direzionale SMT

Le prestazioni e le dimensioni degli accoppiatori direzionali basati sulla tecnologia a microstriscia e sui substrati dielettrici ad alto K sono visibili negli accoppiatori FPC06073 e FPC07182 di Knowles, ciascuno dei quali supporta intervalli e larghezze di banda differenti all'interno dello spettro dei gigahertz (Figura 3, rispettivamente in alto e in basso).

Figura 3: Gli accoppiatori FPC06073 (in alto) e FPC07182 (in basso) offrono buone prestazioni nelle rispettive bande su quattro parametri principali: attenuazione di riflessione, perdita di inserzione, fattore di accoppiamento e isolamento. (Immagine per gentile concessione di Knowles Precision Devices)

L'accoppiatore direzionale SMT da 50 Ω FPC06073 copre da 4 a 8 GHz con un fattore di accoppiamento di 10 dB e una direttività di 20 dB. Le sue dimensioni compatte, pari a circa 4,3 × 2,0 × 0,38 mm, lo rendono adatto per progetti compatti. È classificato per 25 W (continui). Le prestazioni dei quattro parametri mostrati nella Figura 3, in particolare l'accoppiamento e la perdita di inserzione, sono relativamente stabili nell'intera banda, con temperature di funzionamento e di stoccaggio specificate tra -55 °C e 125 °C.

Più in alto nella frequenza, l'accoppiatore SMT FPC07182 è progettato per 20 ~ 40 GHz. Come il modello FPC060073, ha un accoppiamento di 10 dB ma una direttività di 10 dB. Ancora più piccolo, con dimensioni pari a soli 1,65 × 1,270 × 0,254 mm, questo dispositivo da 50 Ω gestisce fino a 14 W e offre un accoppiamento e una perdita di inserzione molto piatti nell'intera larghezza di banda di 20 GHz.

Conclusione

Gli accoppiatori direzionali basati su substrati ceramici ad alta permittività e tecniche a microstriscia forniscono ora questa funzione RF in dispositivi SMT quasi invisibili, con prestazioni eccezionali e gestione della potenza in tutte le bande gigahertz designate.

Contenuto correlato

1: Knowles Precision Devices, "Ridurre SWaP dei circuiti RF con materiali ad alto K e tecnologia di precisione a microstriscia a film sottile"

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

2: DigiKey, "Nozioni di base sugli accoppiatori direzionali RF e su come usarli in modo efficace"

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

3: DigiKey, "Risolvere la sfida del rilevamento della potenza RF" (cita Analog Devices)

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

4: DigiKey, "I piccoli accoppiatori direzionali soddisfano le esigenze delle applicazioni RF compatte"

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