Hoe SWaP-C Satcom antenne-arrays te implementeren met SMD-vermogensverdelers en directionele koppelingen

De ruimte rond de aarde raakt snel vol, en in het komende decennium zullen nog duizenden nieuwe satellieten worden gelanceerd. Dat zet de ontwerpers van satellietcommunicatie (satcoms) van twee kanten onder druk. Ten eerste wordt de beschikbare bandbreedte voor satcoms in de traditionele L-, C- en X-banden snel opgebruikt. Ten tweede willen commerciële satellietbouwers dat hun producten lichter en goedkoper te lanceren zijn.

Satcom-ontwerpers reageren op het gebrek aan RF-bandbreedte door de communicatie te verplaatsen van de traditionele satellietbanden naar RF-banden met een hogere frequentie, zoals Ku (12 tot 18 gigahertz (GHz)). De Ku-band biedt de mogelijkheid tot grotere doorvoer en is veel minder overbelast. Met het oog op de vraag naar minimale afmetingen, gewicht, vermogen en kosten ("SWaP-C"), reageren ontwerpers door sleutelelementen van de satelliet, zoals de antenne-array, te bouwen met gebruikmaking van geavanceerde verpakte surface mount devices (SMD's).

Dit artikel beschrijft de voordelen van SMD-vermogensverdelers en directionele koppelaars, belangrijke passieve elementen die worden gebruikt in Ku-band satcom antenne arrays. Het artikel introduceert voorbeeldcomponenten van Knowles Dielectric Labs, beschrijft hoe deze componenten voldoen aan de huidige eisen voor een lage SWaP, en hoe ontwerpers de belangrijkste prestatiekenmerken van deze vitale componenten kunnen gebruiken om de prestaties van de antenne-array te optimaliseren.

Vooruitgang in antenne-arrays

Recente ontwikkelingen op het gebied van satelliet- en grondstationantennes hebben geleid tot een verschuiving van schotelantennes met één antenne naar antenne-arrays. Antenne-arrays combineren twee of meer elementen, die elk in wezen als mini-antenne fungeren. De voordelen van antenne-arrays ten opzichte van een conventionele antenne voor satellietnavigatietoepassingen zijn onder meer:

• Hogere versterking
• Verhoogde signaal-ruisverhouding (SNR)
• Bestuurbare zendbundels en verhoogde gevoeligheid voor inkomende signalen uit een bepaalde richting
• Betere diversiteitsontvangst (helpt signaalvervaging te overwinnen)
• Kleinere zijlobben in het stralingspatroon van de antenne

De conventionele arraystructuur bestaat uit een 3D-bouwsteenconfiguratie van naast elkaar geplaatste elektronische assemblages die met behulp van meervoudige connectoren en kabels zijn verbonden. Dit vergroot de omvang en de complexiteit van een antenne-array, vergeleken met schotels met één antenne.

De oplossing voor deze bulk en deze complexiteit is gekomen van een focus op lage SWaP-C die de baksteenachtige structuur elimineert die het resultaat is van chip-and-wire of hybride fabricagetechnieken. Nieuwere ontwerpen bestaan uit meervoudige 2D planaire microstrip-elementen op een printplaat-substraat met SMD-verpakking. Door deze planaire configuratie zijn er niet veel connectoren en kabels nodig, wat de SWaP verbetert, de betrouwbaarheid verhoogt en de fabricage vereenvoudigt (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het gebruik van SMD-componenten met een lage SWaP-C-waarde (rechts) maakt het mogelijk de massa van satcom-antennes te verminderen in vergelijking met een conventionele 3D-bouwsteenconstructie (links). (Bron afbeelding: Knowles DLI)

SMD's verminderen niet alleen de massa van de antenne-array aanzienlijk, maar maken ook het gebruik van één enkele geautomatiseerde assemblagelijn mogelijk, waardoor de productiekosten drastisch dalen in vergelijking met een conventionele chip-en-draad- of hybride aanpak. SMD-assemblage draagt ook bij tot een snellere time-to-market.

Deze vooruitgang is mogelijk gemaakt door een nieuwe generatie SMD-componenten die in de ruimte betrouwbaar kunnen werken bij hoge operationele frequenties. De apparaten zijn voorzien van innovatieve diëlektrische materialen, kleine toleranties, dunne-film fabricage en nieuwe microstriplijn topologieën om een hoge prestatie/voetafdrukverhouding te bieden.

Belangrijkste antennecomponenten: vermogensverdeler

Een kritische passieve SMD in de antenne-array is de vermogensverdeler. Individuele vermogensverdelers splitsen een inkomend signaal in twee of meer signalen die worden verdeeld over de antenne-elementen waaruit de array bestaat. In zijn eenvoudigste vorm verdeelt de vermogensverdeler het ingangsvermogen (minus enkele circuitverliezen) gelijkelijk over elk uitgangsbeen, maar andere vormen van vermogensverdelers maken het mogelijk het ingangsvermogen proportioneel te verdelen over de uitgangsbenen.

Er zijn verschillende vermogensverdelerconfiguraties, maar voor hoogfrequente toepassingen nemen vermogensverdelers meestal de vorm aan van een microstriplijn Wilkinson-ontwerp (Afbeelding 2). In de basisvorm meet elk been van de deler een kwart van de golflengte van het inkomende RF-signaal. Bijvoorbeeld, voor een inkomend signaal met een middenfrequentie van 15 GHz, zou elke poot 5 millimeter (mm) lang zijn. De benen werken als impedantietransformatoren van kwartgolflengte.

Een scheidingsweerstand wordt gebruikt om de uitgangspoorten op elkaar af te stemmen; omdat er nul potentiaal tussen de uitgangspoorten is, vloeit er geen stroom door de weerstand, zodat deze niet bijdraagt tot de resistieve verliezen. De weerstand zorgt ook voor een uitstekende isolatie, zelfs wanneer het apparaat in omgekeerde richting wordt gebruikt (als een vermogenscombinator), waardoor overspraak tussen de afzonderlijke kanalen wordt beperkt.

Afbeelding 2: De basis-Wilkinsonvermogensdeler gebruikt twee impedantietransformatoren van een kwart golflengte en een scheidingsweerstand om de uitgangspoorten op elkaar af te stemmen. Poorten 2 en 3 leveren elk de helft van het ingangsvermogen van poort 1. (Bron afbeelding: Knowles DLI)

Om de verliezen bij het splitsen van het vermogen te beperken, moeten de twee uitgangspoorten van de vermogensverdeler elk een impedantie van 2 Zo hebben. (De 2 Zo parallel zullen een totale impedantie van Zo hebben).

Voor een gelijke vermogensverdeling met R = 2_Zo, dan:

met

R = de waarde van de afsluitweerstand tussen de twee poorten

_Zo = de karakteristieke impedantie van het gehele systeem

Z_match = de impedantie van de kwartgolftransformatoren in de benen van de vermogensverdeler

Een verstrooiingsmatrix (S-matrix) bevat de verstrooiingsparameters die worden gebruikt om de elektrische prestaties te beschrijven van een lineair RF-netwerk zoals een Wilkinson-vermogensverdeler. Afbeelding 3 toont de S-matrix voor de eenvoudige vorm van vermogensverdeler van Afbeelding 2.

Afbeelding 3: Verstrooiingsmatrix (S-matrix) voor de in Afbeelding 2 getoonde Wilkinson-vermogensverdeler. (Bron afbeelding: Steven Keeping)

De belangrijkste kenmerken van de S-matrix zijn de volgende:

• S_ij = S_ji (waaruit blijkt dat de Wilkinson-vermogensverdeler ook als combinator kan worden gebruikt)
• De klemmen zijn gekoppeld (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• De uitgangsklemmen zijn geïsoleerd (S₂₃, S₃₂ = 0)
• Het vermogen is gelijkelijk verdeeld (S₂₁ = S₃₁)

Verliezen worden geminimaliseerd wanneer de signalen op poorten 2 en 3 in fase zijn en dezelfde magnitude hebben. Een ideale Wilkinson-vermogensdeler levert S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3 decibel (dB) (d.w.z. de helft van het ingangsvermogen aan elke uitgangspoort).

Microstrip lijn Wilkinson-vermogensverdelers zijn een goede oplossing voor lage SWaP-C antenne-arraytoepassingen. Commerciële opties voor de Ku-band zijn onder meer de PDW06401 16 GHz tweeweg Wilkinson-vermogensdeler van Knowles Dielectric Labs. Knowles know-how op het gebied van diëlektrische en dunne-film fabricage heeft het mogelijk gemaakt een compacte SMD met laag verlies te vervaardigen voor gebruik met Ku-band satcom antenne arrays.

De PDW06401 meet 3 x 3 x 0,4 mm en maakt gebruik van low-loss materialen die de prestatievariatie over een breed temperatuurbereik minimaliseren. De karakteristieke impedantie (Z₀) van het pakket komt overeen met de 50-ohm (Ω) die nodig is om de VWSR (Voltage Standing Wave Ratio) te minimaliseren, en daarmee de retourverliezen in hoogfrequente RF-systemen. Het apparaat heeft een nominale faseverschuiving van nul, een amplitudebalans van ± 0,25 dB en een fasebalans van ± 5°. De overmatige insertieverliezen bedragen 0,5 dB. Afbeelding 4 illustreert de frequentierespons van de PDW06401-vermogensverdeler.

Afbeelding 4: De frequentierespons van de vermogensdeler PDW06401. RL staat voor de afstemming van de aansluitingen (S₁₁, S₂₂, enz.), Iso is de isolatie tussen de uitgangspoorten (S₂₃, S₃₂) en IL is het uitgangsvermogen (S₂₁, S₃₁). (Bron afbeelding: Knowles DLI)

Het retourverlies, de isolatie, de amplitudebalans en de fasebalans van een vermogensverdeler zijn op de volgende manieren van cruciaal belang voor de prestaties van de antenne-array:

• Het retourverlies van het product moet laag zijn omdat grotere verliezen direct ten koste gaan van de maximale uitgezonden of ontvangen stralingsenergie.
• De productisolatie moet hoog zijn omdat dit van invloed is op de isolatie tussen signaalpaden in de antenne-array en de versterking ervan verbetert.
• De amplitudebalans van het toestel moet in de buurt van 0 dB komen, aangezien dit van invloed is op de amplitudeprestaties en het effectief isotroop uitgestraald vermogen (EIRP) van de antenne.
• Het fasebalans van de inrichting moet in de buurt komen van 0° verschil, omdat dit een maximale vermogensoverdracht bevordert en de beoogde faselengte voor alle takken in het netwerk garandeert. Een grote fase-onbalans verslechtert de EIRP en kan het stralingspatroon van een bundelvormende antenne-array veranderen.

Belangrijkste onderdelen van de antenne-array: directionele koppeling

De directionele koppeling is een andere component die een belangrijke rol vervult in antenne-arrays door consequent het zend- en ontvangstvermogen van de array-elementen te meten. De directionele koppeling is een passieve voorziening die een bekende hoeveelheid zend- of ontvangsvermogen doorplaatst naar een andere poort van waaruit het kan worden gemeten. De koppeling wordt meestal tot stand gebracht door twee geleiders dicht bij elkaar te plaatsen, zodat de energie die door de ene leiding gaat, aan de andere wordt gekoppeld.

Het apparaat heeft vier poorten: ingang, verzonden, gekoppeld en geïsoleerd. De hoofdtransportleiding bevindt zich tussen poort 1 en poort 2. De geïsoleerde poort wordt afgesloten met een interne of externe aangepaste belasting (gewoonlijk 50 Ω), terwijl de gekoppelde poort (3) wordt gebruikt om de gekoppelde energie af te tappen. De gekoppelde poort levert gewoonlijk een fractie van de energie van de hoofdlijn en is vaak voorzien van een kleinere connector om hem te onderscheiden van de poorten 1 en 2 van de hoofdlijn. De gekoppelde poort kan worden gebruikt om informatie over het signaalvermogenniveau en de frequentie te verkrijgen zonder de hoofdstroom in het systeem te onderbreken. De stroom die de doorgegeven poort binnenkomt, vloeit naar de geïsoleerde poort en heeft geen invloed op de output van de gekoppelde poort (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De gekoppelde poort (P3) van een vermogensverdeler geeft een fractie van het aan de ingangspoort (P1) geleverde vermogen door, terwijl de rest door de doorgelaten poort (P2) gaat. De geïsoleerde poort (P4) wordt afgesloten met een interne of externe aangepaste belasting. (Bron afbeelding: Spinningspark op Wikipedia)

Het belangrijkste kenmerk van een koppeling is de koppelingsfactor.

Dit is gedefinieerd als:

De eenvoudigste vorm van een koppeling heeft een rechthoekige topologie waarbij de gekoppelde lijnen naast elkaar lopen over een kwart van de golflengte van het ingangssignaal (b.v. 5 mm voor een 15 GHz signaal). Dit type koppeling produceert gewoonlijk de helft van het ingangsvermogen op poort 3 (d.w.z. het heeft een koppelingsfactor van 3 dB), waarbij het vermogen op de doorgelaten poort ook met 3 dB wordt verminderd. (Figuur 6).

Afbeelding 6: De eenvoudigste vorm van directionele koppeling heeft koppellijnen die naast elkaar lopen voor een kwart golflengte van de ingangssignaalfrequentie. (Bron afbeelding: Spinningspark op Wikipedia)

Net als bij de vermogensverdeler zijn er enkele belangrijke kenmerken van de directionele koppeling die van invloed zijn op de prestaties van de antenne-array. Deze kenmerken omvatten het volgende:

• Het verlies van de hoofdlijn moet worden geminimaliseerd om de antenneversterking te vergroten. Dit verlies is te wijten aan de weerstandsverhitting van de hoofdlijn en staat los van het koppelingsverlies. Het totale verlies van de hoofdlijn is de combinatie van weerstandsverlies bij verwarming en koppelingsverlies.
• Het koppelingsverlies is de vermindering van het vermogen ten gevolge van de energie die naar de gekoppelde en geïsoleerde poorten wordt overgedragen. Uitgaande van een redelijke richtkarakteristiek zou het onbedoeld naar de geïsoleerde poort overgedragen vermogen te verwaarlozen moeten zijn in vergelijking met het vermogen dat opzettelijk naar de gekoppelde poort wordt overgedragen.
• Het terugkeerverlies moet tot een minimum worden beperkt. Dit is een maat voor de hoeveelheid signaal die door de directionele koppeling wordt teruggezonden of gereflecteerd.
• Het insertieverlies moet ook worden geminimaliseerd. Dit is de verhouding van een signaalniveau in een testconfiguratie zonder de aanwezige directionele koppeling, vergeleken met dat wanneer de component wel aanwezig is.
• Isolatie moet gemaximaliseerd worden. Dit is het verschil in vermogen tussen de ingangspoort en de geïsoleerde poort.
• De richtingsgevoeligheid moet gemaximaliseerd worden. Dit is het verschil in vermogen tussen poort 3 en poort 4 van de directionele koppeling en houdt verband met de isolatie. Het is een maat voor de onafhankelijkheid van de gekoppelde en geïsoleerde poorten.

Hoewel RF directionele koppelingen kunnen worden uitgevoerd met behulp van een verscheidenheid van technieken, zijn het de microstrip lijnen die de voorkeur genieten in lage SWaP-C satcom toepassingen vanwege hun kleine afmetingen. Een voorbeeld is de FPC06078 directionele koppeling van Knowles. Het toestel is een SMD-microstriplijn met afmetingen van 2,5 x 2,0 x 0,4 mm. Hij heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -55 °C tot +125 °C en een karakteristieke impedantie van 50 Ω.

Hoewel de koppelingsfactor frequentie-afhankelijk is, zal een hoogwaardige directionele coupler een relatief vlakke koppelingsfrequentierespons vertonen. Uit figuur 7 blijkt dat de koppelingsfactor van het Knowles-apparaat nominaal 20 dB bedraagt, en slechts 2 dB varieert over een bereik van 12 tot 18 GHz. De FPC06078 directionele koppeling heeft een insertieverlies van 0,3 dB en een minimum returnverlies van 15 dB. De richtingsgevoeligheid van het toestel bedraagt 14 dB (Afbeelding 8).

Afbeelding 7: Weergegeven is de frequentierespons van de FPC06078 directionele koppeling. Het apparaat vertoont een nominale koppelingsfactor van -20 dB en een laag invoegingsverlies van 0,3 dB. (Bron afbeelding: Knowles DLI)

Afbeelding 8: Weergegeven is een grafiek van de richtingsgevoeligheid van de FPC06078 directionele koppeling. Voor betere prestaties van de antenne-array moet de richtingsgevoeligheid, die verband houdt met de isolatie, worden gemaximaliseerd. (Bron afbeelding: Knowles DLI)

Conclusie

Ontwerpers reageren op de vraag naar lage SWaP-C in satcomtoepassingen door compacte passieve SMD-componenten te gebruiken. Voorbeelden hiervan zijn de vermogensverdelers en directionele koppelingen die worden gebruikt bij de fabricage van de antennesystemen van de satelliet.

Door compacte SMD-passieve elementen van goede kwaliteit te kiezen - die superieure prestaties beloven door de constructie van microstriplijnen en keramische materialen met hoge diëlektrische eigenschappen - kunnen ontwerpers profiteren van RF-banden met een hogere frequentie voor satellietnavigatietoepassingen. Bovendien stelt deze nieuwe generatie SMD-vermogensverdelers en directionele koppelingen ontwerpers in staat kleinere en lichtere antenne-arrays te maken, terwijl tegelijkertijd de versterking en bundelvorming van de antennes wordt verbeterd.