Pasywne komponenty mikrofalowe - przegląd typów
| TechnikaW mikrofalowych komponentach pasywnych moc na wrotach wyjściowych jest mniejsza albo równa mocy na wrotach wejściowych. Przykładami takich są cyrkulatory i izolatory, sprzęgacze i dzielniki. W artykule przedstawiamy ich funkcje, budowę, parametry oraz popularne zastosowania.
Mikrofalowe komponenty pasywne dzieli się na odwracalne oraz nieodwracalne. W pierwszych transmisja sygnału między dowolnymi wrotami nie zależy od kierunku jego propagacji, funkcja wrót wejściowych i wyjściowych jest więc zamienna. Macierz rozproszenia jest w ich przypadku symetryczna, co znaczy, że współczynniki s12 i s21, s13 i s31, s14 i s41 itd. są sobie parami równe. Zbudowane są z elementów wykonanych z materiałów izotropowych, czyli takich, których właściwości elektryczne nie zależą od kierunku rozchodzenia się sygnału.
W komponentach nieodwracalnych natomiast transmisja sygnału między dwoma dowolnymi wrotami zależy od kierunku jego propagacji – wrota wejściowe nie mogą więc pełnić funkcji wyjścia ani odwrotnie. Również współczynniki macierzy rozproszenia leżące po przeciwnych stronach jej przekątnej nie są sobie w ich przypadku równe (s12 ≠ s21, s13 ≠ s31, s14 ≠ s41, itd.). Zbudowane są z elementów wykonanych z materiałów anizotropowych, czyli o właściwościach elektrycznych zależnych od kierunku rozchodzenia się sygnału. Przykładem są ferryty.
Cyrkulatory
Cyrkulatory to pasywne nieodwracalne trójwrotniki mikrofalowe. Sygnał jest w nich przekazywany z wrót do wrót sąsiednich w ustalonej kolejności. Określa ją macierz rozproszenia, która ma w tym przypadku postać:
Należy ją interpretować następująco: sygnał z wrót 1 zostanie przekazany do wrót 2, ten z wrót 2 do wrót 3, ale nie z powrotem do wrót 1, sygnał z wrót 3 do wrót 1, ale nie z powrotem do wrót 2 (rys. 1). Zawrócenie sygnału mikrofalowego jest zatem niemożliwe – cyrkulatory to komponenty jednokierunkowe.
Działanie cyrkulatora obrazuje porównanie: jeżeli w szklance z wodą będziemy mieszać łyżeczką zgodnie z kierunkiem obrotów wskazówek zegara i wrzucimy do niej garść kulek styropianowych, zauważymy, że będą się one także poruszać w tę stronę, niesione przez wodę. W cyrkulatorach jej odpowiednik to silne pole magnetyczne. Ukierunkowuje ono sygnał mikrofalowy, przekierowując go tak, żeby cyrkulował pomiędzy wrotami w ustalonej kolejności, bez zawracania.
Spotyka się różne konstrukcje cyrkulatorów. Popularna jest ta typu Y (rys. 2). Cyrkulator tworzą w tym przypadku trzy linie transmisyjne w postaci linii paskowych lub mikropaskowych na PCB, ułożone w odstępie 120º w kole w kształt litery Y. Umieszcza się je między dyskami ferrytowymi. Nad nimi, po obu stronach tej konstrukcji, znajdują się magnesy trwałe, które je namagnesowują. Po podaniu sygnału na jedne z wrót cyrkulatora pole elektromagnetyczne powstałe w otoczeniu linii paskowej oddziałuje z polem magnetycznym magnesów, ukierunkowując przepływ sygnału do kolejnych wrót. Jego kierunek można odwrócić, odwracając biegunowość magnesów.
Dupleksery i izolatory
Głównym zastosowaniem cyrkulatorów są dupleksery wykorzystywane najczęściej w systemach radarowych oraz komunikacji radiowej, w których nadajnik i odbiornik współdzielą jedną antenę (rys. 3). W przykładowej realizacji nadajnik jest podłączany do wrót 1 cyrkulatora, antena do wrót 2, a odbiornik do wrót 3. W efekcie sygnał z nadajnika jest przekazywany jedynie do anteny, a ten odebrany przez antenę – tylko do odbiornika. Dzięki temu nadajnik jest izolowany od odbiornika, mimo że oba korzystają z jednej anteny, bez potrzeby wdrażania mechanizmu jej przełączania między nimi. Unika się w ten sposób uszkodzenia obwodów wejściowych odbiornika przez sygnał z nadajnika o zazwyczaj dużej mocy.
Cyrkulatory można także wykorzystać do pomiaru strat odbiciowych. Jak pisaliśmy na początku, sygnał z wrót 1 zostaje przekazany do wrót 2. To co się z nim dalej dzieje, praktycznie zależy od tego, co zostało podłączone do wrót 2. Jeżeli jest to obciążenie rezystancyjne równe impedancji charakterystycznej wrót cyrkulatora (zwykle 50 Ω w przypadku złącza koncentrycznego), wtedy wydzieli się w nim cała moc sygnału. Jeśli jednak obciążenie wrót 2 nie jest dopasowane, część sygnału ulegnie odbiciu i wracając do punktu wyjścia, będzie dalej cyrkulować, wychodząc na wrota 3. Stosunek sygnału na wrotach 3 do sygnału podanego na wrota 1 jest w związku z tym miarą niedopasowania obciążenia wrót 2. Dzięki temu wykorzystując źródło i detektor sygnału podłączone do odpowiednich wrót cyrkulatora, można zmierzyć straty odbiciowe, a tym samym współczynnik fali stojącej (rys. 4).
W praktyce jest bez znaczenia, do których wrót przyłączone zostanie źródło, pod warunkiem że testowane obciążenie i detektor będą przyłączone do dwóch sąsiadujących w kolejności zgodnej z kierunkiem przepływu sygnału. Ważny warunek to dopasowanie detektora do wrót, do których go podłączono. Jeśli nie jest on spełniony, sygnał od niego odbity, który wróci do punktu wyjścia, cyrkulując dalej, wyjdzie na wrota z przyłączonym źródłem sygnału. Dlatego zwykle w pomiarze strat ododbiciowych wykorzystywane są zamiast cyrkulatorów izolatory, stanowiące ich modyfikację.
W izolatorach jeden z portów (rys. 5) jest na stałe podłączony do obciążenia 50 Ω. W nim wydziela się moc sygnału odbitego od obciążenia, którego stopień niedopasowania jest mierzony (rys. 6). Dzięki temu generator sygnału testowego jest chroniony.
Parametry cyrkulatorów i izolatorów
Wybierając cyrkulator (izolator, pod uwagę trzeba wziąć kilka parametrów. Takimi są częstotliwość i pasmo przenoszenia. Częstotliwości pracy w tym przypadku mieszczą się zwykle w przedziale od 750 MHz do 20 GHz, chociaż dostępne są specjalne (i droższe) konstrukcje do pracy w zakresie od 100 MHz do 100 GHz. Jeśli cyrkulator działa przy częstotliwości powyżej tej rezonansowej, pasmo przenoszenia ma z reguły węższe niż wtedy, kiedy pracuje w zakresie częstotliwości poniżej swojej częstotliwości rezonansowej. Zadeklarowane przez producenta częstotliwość i pasmo przenoszenia to parametry, przy których zagwarantowane są minimalne straty wtrąceniowe i zapewniona jest stała izolacja – są to kolejne kluczowe parametry cyrkulatorów i izolatorów.
Izolacja charakteryzuje tłumienie sygnału w kierunku odwrotnym, czyli jeżeli na przykład sygnał z wrót 1 jest przesyłany do wrót 2, izolacja jest mierzona między wrotami 1 i 3. Im jest większa, tym lepiej. Typowo mieści się w zakresie od 17 do 35 dB i jest większa w przypadku izolatorów wąsko- niż szerokopasmowych. Jeśli wymagana jest większa izolacja, izolatory można połączyć szeregowo w czteroportowe urządzenie z podwójną izolacją (rys. 7). Powiązany parametr to współczynnik fali stojącej, który jest miarą dopasowania impedancji obciążenia. Typowo jego zakres wynosi od 1,1:1 do 1,4:1. By skutecznie rozproszyć odbitą energię, wartość izolacji cyrkulatora powinna być równa lub wyższa niż współczynnik fali stojącej dla danej szerokości pasma.
Straty wtrąceniowe to z kolei tłumienie sygnału w kierunku jego przepływu, charakteryzujące jego stratę przy przejściu między kolejnym wrotami. Zwykle wynoszą od 0,1 do 0,75 dB. Tłumienność wtrąceniowa zależy od częstotliwości – straty są tym większe, im wyższa częstotliwość. Typowo cyrkulatory wąskopasmowe mają mniejsze tłumienie wtrąceniowe (około 0,3 dB) niż cyrkulatory szerokopasmowe (do nawet 1,5 dB).
Ważny parametr to również moc znamionowa, czyli maksymalna moc przesyłanego sygnału, przy której nie pogarszają się parametry cyrkulatora. W zależności od typu sygnału uwagę powinno się zwrócić na moc średnią lub szczytową. W przypadku izolatorów podawana jest także znamionowa moc odbita, którą urządzenie jest w stanie rozproszyć. Istotne są również: impedancja, opóźnienie grupowe, które najlepiej, by w całym paśmie pracy było stałe i zakres temperatur pracy (typowo od –50°C do +100°C).
Parametry sprzęgaczy
Sprzęgacze mikrofalowe to kolejne pasywne urządzenia, zwykle trzy- lub czterowrotowe, które przekierowują część sygnału z jednej do drugiej linii transmisyjnej. Są odbiciowych odwracalne i w idealnym przypadku bezstratne oraz dopasowane. Charakteryzują je następujące parametry: współczynnik sprzężenia, kierunkowość, izolacja. Idealny sprzęgacz ma nieskończone izolację i kierunkowość oraz współczynnik sprzężenia, który odpowiada wymogom danego zastosowania.
Na rysunku 8 przedstawiono schemat funkcjonalny czterowrotnika sprzęgającego. Wyróżniono na nim wrota: wejściowe W1, przelotowe (bezpośrednie, W2), sprzężone (W3) i izolowane (W4). Jeżeli sygnał zostałby podany na wrota 2, te numer 1 pełniłyby funkcję przelotowych, 4 sprzężonych, a 3 izolowanych. Kierunek transmisji sygnału sprzężonego jest powiązany z kierunkiem sygnału przelotowego – dlatego sprzęgacze nazywa się kierunkowymi. W sprzęgaczach skierowanych zgodnie kierunki te są takie same, natomiast w skierowanych przeciwnie – odwrotne (rys. 9).
Przyjmując, że wrota czterowrotnikowego sprzęgacza pełnią funkcje jak na rysunku 8 ich wzajemne zależności są charakteryzowane przez:
- straty wtrąceniowe L, między wrotami 1 i 2, wynikające stąd, że moc na wyjściu wrót 2 (P2) to moc wejściowa (P1), pomniejszona o moc dostarczoną na wyjścia wrót sprzężonych oraz izolowanych, stąd:
- izolację I, czyli stosunek mocy padającej P1 do mocy odbitej na wrotach 4, stąd:
- współczynnik sprzężenia C między wrotami 1 i 3, stąd:
oraz
- kierunkowość D, czyli miarę zdolności sprzęgacza do rozdzielania sygnału wejściowego na rozchodzący się w kierunku wrót przelotowych 2 i sprzężonych 3, wyznaczana dla wrót izolowanych 4, stąd:
Dla parametrów tych spełniona jest zależność:
W przypadku idealnego sprzęgacza P4 = 0, zatem, jak pisaliśmy
wcześniej, I → ∞ i D → ∞. W praktyce jednak typowo D > 20...30 dB, a C wynosi od 3 do 60 dB. Istotnym parametrem jest również pasmo przenoszenia.
Sprzęgacze – realizacje i zastosowanie
Sprzegacze kierunkowe wykonuje się w wersji falowodowej albo paskowej. Pierwsze wykorzystują precyzyjnie dopasowane falowody z otworami o rozmiarach zależnych od długości fali i szerokości pasma przenoszenia (rys. 10a), odpowiednio ukierunkowujących sygnał mikrofalowy. Jeśli, zwykle z powodu rozmiarów i kosztów falowodów, sprzęgacze w tym wykonaniu nie są brane pod uwagę, realizowane są one jako konstrukcje paskowe z liniami transmisyjnymi (zwykle ćwierćfalowymi), dokładnie zwymiarowanymi i wyrównanymi (rys. 10b). Sprzęgacze kierunkowe są dostępne też w wersjach specjalnych na przykład jako konstrukcje asymetryczne ze zmiennym sprzężeniem linii transmisyjnych. Sprzęgacze w takim wykonaniu wyróżnia szerokie pasmo przenoszenia.
Popularnym zastosowaniem sprzęgaczy kierunkowych są refl ektometry – sprzęgacze w wykonaniu jak na rysunku 11a, z trzema czynnymi wrotami i czwartym, które jest na stałe wewnętrznie podłączone do obciążenia 50 Ω (co zapewnia maksymalną kierunkowość), wykorzystuje się w pomiarach mocy odbitej. Na tej podstawie wyznacza się współczynnik fali stojącej. Włączając sprzęgacz na wyjściu nadajnika, można dzięki temu monitorować niedopasowanie obciążenia w układzie antenowym (rys. 11b).
Dzielniki mocy
Tytułowe urządzenia mikrofalowe, tak jak sprzęgacze, dzielą sygnał wejściowy na kilka wrót, na pół lub w innym stosunku. Można je realizować na wiele sposobów, ale najpopularniejszą konfiguracją jest dzielnik Wilkinsona. Topologia ta pozwala także na sumowanie sygnałów. Rysunek 12 przedstawia dzielnik Wilkinsona, z dwoma ćwierćfalowymi liniami transmisyjnymi, do podziału sygnału na dwa sygnały wyjściowe o zgodnych fazach. Rezystor włączony między wrota wyjściowe zapewnia ich dopasowanie i jednocześnie izolację. W oporniku tym nie wydziela się moc, dzięki czemu dzielnik Wilkinsona to teoretycznie układ bezstratny. W praktyce pewne, niewielkie, straty są nieuniknione. Wartości komponentów dzielni gdzie Z0 to impedancja charakterystyczna. Zasada działania dzielnika Wilkinsona jest następująca: sygnał wejściowy podany na wrota 1 rozdziela się na dwa sygnały, o równej amplitudzie i równych fazach, we wrotach 2 i 3. Dzięki temu wyprowadzenia rezystora włączonego między nimi mają ten sam potencjał, a zatem przez opornik nie płynie prąd. Aby zapewnić dopasowanie impedancji, porty wyjściowe powinny mieć impedancję 2Z0 – wartość zastępczej impedancji ich równoległego połączenia będzie wówczas równa Z0. Tę wymaganą transformację impedancji zapewniają dwie ćwierćfalowe linie transmisyjne o impedancji √2Z0.
Zalety dzielnika Wilkinsona to prosta i tania realizacja, a wady: ograniczona szerokość pasma przenoszenia, duży rozmiar przy niższych częstotliwościach. Dostępne są one w wersjach z nawet kilkudziesięcioma wyjściami.
Monika Jaworowska
