Satelliittiviestintään tarkoitettujen kompaktien, kevyiden, tehokkaiden ja edullisten (SWaP-C) antenniryhmien toteuttaminen SMD-tehonjaottimien ja -suuntakytkimien avulla

Maapalloa ympäröivä avaruus täyttyy nopeasti ja seuraavan vuosikymmenen aikana avaruuteen on tarkoitus laukaista tuhansia uusia satelliitteja. Tämä asettaa satelliittiviestinnän (satcom) suunnittelijoille paineita kahdesta suunnasta. Ensinnäkin perinteisillä L-, C- ja X-taajuusalueilla käytettävissä oleva kaistanleveys on käymässä nopeasti loppuun. Toiseksi kaupallisten satelliittien valmistajat haluavat tuotteidensa olevan kevyempiä ja halvempia laukaista.

Satelliittiviestinnän suunnittelijat vastaavat RF-kaistanleveyden puutteeseen siirtämällä viestinnän perinteisiltä satelliittitaajuuksilta korkeammille RF-taajuuksille, kuten Ku-kaistalle (12–18 gigahertsiä (GHz)). Ku-kaista tarjoaa suuremman suoritustehon ja sillä on paljon vähemmän ruuhkaa. Koska satelliitin koon, painon, tehon ja kustannusten (”SWaP-C”) on oltava mahdollisimman pienet, suunnittelijat vastaavat tähän vaatimukseen rakentamalla satelliitin keskeiset elementit, kuten antenniryhmän, käyttäen edistyneitä SMD (Surface Mount Device) -komponentteja.

Tässä artikkelissa esitellään Ku-kaistan satelliittiviestintään tarkoitetuissa antenniryhmissä käytettävien keskeisten passiivielementtien, SMD-tehonjaottimien ja -suuntakytkimien, etuja. Artikkelissa esitellään esimerkkeinä valmistajan Knowles Dielectric Labs laitteita. Siinä kuvataan, miten nämä komponentit täyttävät tämän päivän alhaisia SWaP-arvoja koskevat vaatimukset ja miten suunnittelijat voivat hyödyntää näiden tärkeiden komponenttien keskeisiä suorituskykyominaisuuksia antenniryhmän suorituskyvyn optimointiin.

Antenniryhmien kehittyminen

Satelliitti- ja maanpäällisten antennien viimeaikaisiin kehitysaskeliin kuuluu siirtyminen yhdestä lautasantennista antenniryhmiin. Antenniryhmissä yhdistyy kaksi tai useampia elementtejä, joista kukin toimii käytännössä miniantennina. Satelliittiviestintäsovelluksiin käytettävät antenniryhmät tarjoavat perinteiseen antenniin verrattuna seuraavia etuja:

• korkeampi vahvistus
• parempi signaalikohinasuhde (SNR)
• suunnattavat lähetettävät säteet ja parempi herkkyys tietystä suunnasta tuleville signaaleille
• parempi diversiteettivastaanotto (auttaa estämään signaalin häipymistä)
• pienemmät antennin säteilykuvion sivukeilat.

Perinteinen antenniryhmärakenne koostuu 3D-moduulikonfiguraatiosta, joka on valmistettu vierekkäin sijoitetuista useilla liittimillä ja kaapeleilla kiinnitetyistä elektroniikkakokoonpanoista. Tämä lisää antenniryhmän tilantarvetta ja kompleksisuutta yksittäisiin lautasantenneihin verrattuna.

Tämä tilantarve ja kompleksisuus on ratkaistu keskittymällä alhaisiin SWaP-C-arvoihin, jolloin siru-ja-johto- sekä hybridivalmistustekniikalla voidaan välttää moduulimaista rakennetta. Uudemmat mallit koostuvat useista tasomaisista 2D-mikroliuskaelementeistä, jotka on sijoitettu piirilevyalustalle käyttäen SMD-tekniikkaa. Tämä tasomainen konfiguraatio poistaa tarpeen lukuisille liittimille ja kaapeleille, mikä parantaa SWaP-arvoa, kasvattaa luotettavuutta ja yksinkertaistaa valmistusta (kuva 1).

Kuva 1: SWaP-C-arvoiltaan alhaisten SMD-komponenttien (oikealla) käyttö mahdollistaa satelliittiviestintään käytettävien antenniryhmien tilantarpeen pienentämisen perinteiseen 3D-moduulikokoonpanoon (vasemmalla) verrattuna. (Kuvan lähde: Knowles DLI)

SMD-komponentit eivät ainoastaan vähennä huomattavasti antenniryhmän kokoa. Ne mahdollistavat myös yhden ainoan automatisoidun kokoonpanolinjan käytön, mikä laskee huomattavasti tuotantokustannuksia perinteiseen siru-ja-johto- tai hybridilähestymistapaan verrattuna. SMD-kokoonpano nopeuttaa myös markkinoilletuontiaikaa.

Tällaiset edistysaskeleet ovat tulleet mahdollisiksi, koska uuden sukupolven SMD-komponentit pystyvät toimimaan luotettavasti avaruudessa korkeilla käyttötaajuuksilla. Komponenteissa käytetään innovatiivista dielektriikkaa, tiukkoja toleransseja, ohutkalvotuotantoa ja uudenlaisia mikroliuskatopologioita. Näin ne tarjoavat korkean suorituskyvyn ja vaativat vain vähän tilaa.

Antenniryhmän tärkeät komponentit: tehonjaottimet

Tehonjaotin on antenniryhmän kriittinen SMD-passiivielementti. Yksittäiset tehonjaottimet jakavat saapuvan signaalin kahdeksi tai useammaksi signaaliksi, jotka jaetaan ryhmään kuuluville antennielementeille. Yksinkertaisimmillaan tehonjaotin jakaa tulotehon (joitakin piirihäviöitä lukuun ottamatta) tasaisesti kullekin lähtöhaaralle, mutta on myös tehonjaottimia, jotka mahdollistavat tulotehon suhteellisen jakamisen lähtöhaaroille.

Tehonjaotinkonfiguraatioita on monenlaisia, mutta korkeataajuussovelluksissa tehonjaottimet käyttävät yleensä Wilkinson-mikroliuskamallia (kuva 2). Perusmuodossa jaottimen kukin haara mittaa tulevan RF-signaalin neljännesaallonpituuden. Jos tulevan signaalin keskitaajuus on esimerkiksi 15 GHz, jokaisen haaran pituus on 5 millimetriä (mm). Haarat toimivat neljännesaallonpituuden impedanssimuuntajina.

Lähtöporttien sovitukseen käytetään erotusvastusta. Koska lähtöporttien välillä on nollapotentiaali, vastuksen läpi ei kulje virtaa, joten se ei lisää resistiivisiä häviöitä. Vastus tarjoaa myös erinomaisen erotuksen, myös silloin kun laitetta käytetään käänteisesti (tehoyhdistimenä), mikä rajoittaa yksittäisten kanavien välistä ylikuulumista.

Kuva 2: Wilkinson-tehonjaottimen perusmallissa käytetään kahta neljännesaallonpituuden impedanssimuuntajaa ja yhtä erotusvastusta lähtöporttien sovitukseen. Portit 2 ja 3 antavat kumpikin puolet portin 1 tulotehosta. (Kuvan lähde: Knowles DLI)

Tehonjaottimen kahden lähtöportin impedanssin on oltava 2 Zo, mikä rajoittaa tehonjaon aiheuttamia häviöitä. (Kaksi rinnakkain kytkettyä Zo-impedanssia muodostaa kokonaisimpedanssin Zo.)

Jos teho jaetaan tasaisesti ja R = 2 Z_o, niin:

Yhtälössä:

R = kahden portin väliin kytketyn päätevastuksen arvo

Z_o = koko järjestelmän ominaisimpedanssi

Z_match = neljännesaaltomuuntajien impedanssi tehonjaottimen haaroissa

Sirontamatriisi (S-matriisi) sisältää sirontaparametrit, joilla kuvataan lineaarisen RF-verkon, kuten Wilkinson-tehonjaottimen, sähköistä suorituskykyä. Kuva 3 näyttää S-matriisin kuvassa 2 esitetylle yksinkertaiselle tehonjaottimelle.

Kuva 3: Kuvassa 2 esitetyn Wilkinsonin tehonjaottimen sirontamatriisi (S-matriisi). (Kuvan lähde: Steven Keeping)

S-matriisin pääominaisuuksia ovat seuraavat:

• S_ij = S_ji (näyttää, että Wilkinson-tehonjaotinta voidaan käyttää myös kombinaattorina)
• Liittimet ovat sovitettu toisiinsa (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• Lähtöliittimet on erotettu (S₂₃, S₃₂ = 0)
• Teho on jaettu tasan (S₂₁ = S₃₁)

Häviöt minimoituvat, kun porttien 2 ja 3 signaalit ovat samassa vaiheessa ja yhtä suuria. Ihanteellinen Wilkinson-tehonjaotin antaa S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3 desibeliä (dB) (eli puolet syöttötehosta kuhunkin lähtöporttiin).

Mikroliuskoja käyttävät Wilkinson-tehonjaottimet ovat hyvä ratkaisu haluttaessa antenniryhmä alhaisella SWaP-C-arvolla. Kaupallisia vaihtoehtoja Ku-kaistaa varten ovat esimerkiksi Knowles Dielectric Labsin 16 GHz:n kaksisuuntainen Wilkinson-tehonjaotin PDW06401. Knowles on dielektriikkaan ja ohutkalvoihin liittyvän valmistusosaamisen ansiosta pystynyt valmistamaan pienihäviöisen, mutta kompaktin SMD-komponentin käytettäväksi Ku-kaistan satelliittiviestinnän antenniryhmissä.

Tehonjaottimen PDW06401 mitat ovat 3 x 3 x 0,4 mm, ja se on valmistettu pienihäviöisistä materiaaleista, jotka minimoivat suorituskyvyn vaihtelun laajalla lämpötila-alueella. Kotelon ominaisimpedanssi (Z₀) vastaa 50 ohmin (Ω) vaatimusta, jota tarvitaan VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) -arvon ja siten paluuhäviöiden minimointiin korkeataajuisissa RF-järjestelmissä. Laite tarjoaa nimellisen vaihesiirtymän 0, amplituditasapainon ±0,25 dB ja vaihetasapainon ± 5°. Ylimääräiset väliinkytkentävaimennukset ovat 0,5 dB. Kuva 4 havainnollistaa tehonjaottimen PDW06401 taajuusvasteen.

Kuva 4: Tehonjaottimen PDW06401 taajuusvaste. RL edustaa liitinten yhteensovitusta (S₁₁, S₂₂ jne.), Iso on lähtöporttien välinen erotus (S₂₃, S₃₂) ja IL on lähtöteho (S₂₁, S₃₁). (Kuvan lähde: Knowles DLI)

Tehonjaottimen paluuhäviö-, erotus-, amplituditasapaino- ja vaihetasapaino-ominaisuudet ovat kriittisiä antenniryhmän suorituskyvyn kannalta seuraavilla tavoilla:

• Tuotteen paluuhäviön on oltava pieni, koska korkea häviö heikentää suoraan lähetetyn tai vastaanotetun säteen maksimaalista energiaa.
• Tuotteen erotuksen tulisi olla korkea, koska se vaikuttaa antenniryhmän signaalireittien väliseen erotukseen ja tehostaa sen vahvistusta.
• Laitteen amplituditasapainon tulisi olla lähes 0 dB, koska se vaikuttaa antennin amplitudisuorituskykyyn ja ekvivalenttiseen isotrooppiseen säteilytehoon (EIRP).
• Laitteen vaihetasapainon tulisi olla lähes 0°, koska se edistää maksimaalista tehonsiirtoa ja varmistaa halutun vaihepituuden verkon kaikissa haaroissa. Korkea vaihe-epätasapaino heikentää EIRP-arvoa ja mahdollisesti muuttaa säteenmuodostavan antenniryhmän säteilykuviota.

Antenniryhmän tärkeät komponentit: suuntakytkimet

Suuntakytkin on toinen komponentti, jolla on tärkeä tehtävä antenniryhmissä. Se mittaa jatkuvasti antenniryhmän elementtien lähetys- ja vastaanottotehoa. Suuntakytkin on passiivilaite, joka kytkee tunnetun lähetys- tai vastaanottotehon toiseen porttiin, josta se voidaan mitata. Kytkentä saadaan yleensä aikaan sijoittamalla kaksi johdinta lähelle toisiaan siten, että toisen johtimen läpi kulkeva energia kytkeytyy toiseen johtimeen.

Laitteessa on neljä porttia: syöttö, lähetys, kytkentä ja erotus. Pääsiirtojohto sijaitsee porttien 1 ja 2 välissä. Erotettuun porttiin kytketään sisäinen tai ulkoinen sovitettu kuorma (tyypillisesti 50 Ω), kun taas kytkettyä porttia (3) käytetään kytketyn energian ottoon. Kytketty portti tarjoaa tyypillisesti vain murto-osan pääjohdon energiasta. Siinä käytetään usein pienepää liitintä, jotta se on helpompi erottaa pääjohdon porteista 1 ja 2. Kytkettyä porttia voidaan käyttää signaalin tehotaso- ja taajuusinformaation mittaamiseen järjestelmän päävirtaan koskematta. Lähetysporttiin tuleva teho virtaa erotettuun porttiin eikä vaikuta kytketyn portin lähtöön (kuva 5).

Kuva 5: Osa tehonjaottimen tuloporttiin (P1) syötetystä tehosta ohjautuu kytkettyyn porttiin (P3) ja loput ohjautuvat lähetysporttiin (P2). Erotettuun porttiin (P4) kytketään sisäinen tai ulkoinen sovitettu kuorma. (Kuvan lähde: Spinningspark Wikipediassa)

Kytkimen tärkein ominaisuus on kytkentäkerroin.

Tämä määritellään seuraavasti:

Kytkin käyttää yksinkertaisimmillaan suorakulmaista topologiaa, jossa kytketyt johdot kulkevat vierekkäin tulosignaalin neljännesaallonpituuden verran (esim. 5 mm 15 GHz:n signaalille). Tämäntyyppinen kytkin ohjaa tyypillisesti puolet tulotehosta porttiin 3 (eli sen kytkentäkerroin on 3 dB), ja myös lähetysportin teho laskee 3 dB. (Kuva 6).

Kuva 6: Yksinkertaisimmassa suuntakytkimessä kytkentäjohdot kulkevat vierekkäin tulosignaalitaajuuden neljännesaallonpituuden verran. (Kuvan lähde: Spinningspark Wikipediassa)

Kuten tehonjaottimellakin, myös suuntakytkimellä on joitakin keskeisiä antenniryhmän suorituskykyyn vaikuttavia ominaisuuksia. Näihin ominaisuuksiin kuuluvat seuraavat:

• Pääjohdon häviö tulisi minimoida antenniryhmän vahvistuksen parantamiseksi. Tämä häviö johtuu pääjohdon resistiivisestä lämpenemisestä ja on eri asia kuin kytkentähäviö. Pääjohdon kokonaishäviö on resistiivisen lämpenemishäviön ja kytkentähäviön yhdistelmä.
• Kytkentähäviö on kytkettyihin ja erotettuihin portteihin siirtyvästä energiasta johtuva tehohäviö. Jos suuntaavuuden oletetaan olevan kohtuullinen, erotettuun porttiin tahattomasti siirtyvän tehon pitäisi olla merkityksetön verrattuna kytkettyyn porttiin tarkoituksellisesti siirtyvään tehoon.
• Paluuhäviö tulee minimoida. Tämä on suuntakytkimen palauttaman tai heijastaman signaalin suuruutta kuvaava mitta.
• Myös väliinkytkentävaimennus tulee minimoida. Tämä on signaalitason suhde testikonfiguraatiossa ilman suuntakytkintä verrattuna signaalitasoon suuntakytkimen kanssa.
• Erotus on maksimoitava. Tämä on tuloportin ja erotetun portin välinen tehotasoero.
• Suuntaavuus tulee maksimoida. Tämä on suuntakytkimen portin 3 ja portin 4 välinen tehotasoero, ja se liittyy erotukseen. Se mittaa kytketyn ja erotetun portin riippumattomuutta.

Vaikka RF-suuntakytkimiä voidaan toteuttaa useilla eri tekniikoilla, mikroliuskat ovat suosittuja satelliittiviestintäsovelluksissa niiden pienen koon ja alhaisten SWaP-C-arvojen vuoksi. Yksi esimerkki on Knowlesin suuntakytkin FPC06078. Se on SMD-mikroliuskakomponentti, jonka mitat ovat 2,5 x 2,0 x 0,4 mm. Sen käyttölämpötila-alue on -55 ... 125 °C ja ominaisimpedanssi 50 Ω.

Vaikka kytkentäkerroin on taajuudesta riippuvainen, korkealaatuisen suuntakytkimen kytkentätaajuusvaste on suhteellisen tasainen. Alla oleva kuva 7 näyttää, että Knowlesin komponentin nimellinen kytkentäkerroin on 20 dB, ja se vaihtelee toiminta-alueella 12–18 GHz vain 2 dB. Suuntakytkimen FPC06078 väliinkytkentävaimennus on 0,3 dB ja minimi paluuhäviö 15 dB. Laitteen suuntaavuus on 14 dB (kuva 8).

Kuva 7: Kuva näyttää suuntakytkimen FPC06078 taajuusvasteen Laitteen nimellinen kytkentäkerroin on -20 dB ja väliinkytkentävaimennus on alhainen, 0,3 dB. (Kuvan lähde: Knowles DLI)

Kuva 8: Kuva näyttää kuvaajan suuntakytkimen FPC06078 suuntaavuudesta. Antenniryhmän suorituskyvyn parantamiseksi erotukseen liittyvä suuntaavuus on maksimoitava. (Kuvan lähde: Knowles DLI)

Yhteenveto

Suunnittelijat ratkaisevat satelliittiviestintäsovellusten alhaisten SWaP-C-arvojen tarpeen käyttämällä kompakteja SMD-passiivikomponentteja. Esimerkkejä niistä ovat tehonjaottimet ja suuntakytkimet, joita käytetään satelliitin antenniryhmien valmistuksessa.

Suunnittelijat voivat valita korkealaatuisia kompakteja SMD-passiivikomponentteja ja näin hyödyntää korkeampia RF-taajuuksia satelliittiviestintäsovelluksissa. Ne tarjoavat ylivoimaisen suorituskyvyn mikroliuskarakenteen ja keraamisten korkean dielektrisyyden materiaalien ansiosta. Näiden uuden sukupolven SMD-tehonjaottimien ja -suuntakytkimien ansiosta suunnittelijat voivat myös kehittää pienempiä ja kevyempiä antenniryhmiä ja samalla parantaa antennien vahvistus- ja säteenmuodostusominaisuuksia.