De basisprincipes van RF-richtkoppelaars en hoe ze effectief kunnen worden gebruikt

Naarmate meer toepassingen gebruik maken van radiofrequentie (RF), zoals snelheidsradar, 5G-mobiele netten en IoT, bevatten elektronische systemen steeds meer RF-bronnen. Dergelijke bronnen vereisen een methodologie voor het bewaken en beheersen van RF-vermogensniveaus zonder verliezen in de transmissielijn en belasting. Ook vereisen sommige toepassingen hoge transmitter-output. Daarom moeten ontwerpers een manier zien te vinden om uitgangssignalen te monitoren zonder gevoelige instrumenten aan te sluiten die door de hoge signaalniveaus kunnen beschadigen.

Andere uitdagingen zijn het bepalen van de kenmerken van een RF-belasting (zoals een antenne) over een breed frequentiebereik of het monitoren van belastingvariaties en staandegolfverhouding terwijl de transmitter in de lucht is, om hoog gereflecteerd vermogen en schade aan de versterker te voorkomen.

Een oplossing voor deze vereisten en uitdagingen is het gebruik van richtkoppelaars in een transmissielijn. Hiermee kan de RF-energie door de lijn nauwkeurig worden gemonitord terwijl tegelijkertijd de vermogensniveaus met een bekende vaste waarde worden verlaagd. Richtkoppelaars introduceren minimale verstoringen van het hoofdlijnsignaal in het samplingproces. Door onderscheid te maken tussen voorwaarts en gereflecteerd vermogen, kunnen richtkoppelaars het reflectieverlies of staandegolfvermogen monitoren en feedback leveren over veranderingen in de belasting tijdens transmissie.

In dit artikel wordt allereerst de werking van richtkoppelaars besproken en aan de hand van drie typologieën en voorbeelden van Anaren, MACOM en Analog Devices. Vervolgens worden de kenmerkende eigenschappen van richtkoppelaars behandeld en wordt beschreven hoe we deze apparaten effectief kunnen gebruiken.

Wat is een richtkoppelaar?

Een richtkoppelaar is een meetapparaat dat in de transmissielijn wordt geplaatst, tussen de belasting en de RF-bron, zoals een signaalgenerator, vector network analyzer of transmitter (zender). Het apparaat meet zowel het RF-vermogen van de bron naar de belasting (het voorwaartse signaal) als het vermogen dat van de belasting naar de bron wordt gereflecteerd (het gereflecteerde signaal). Vervolgens wordt aan de hand van de voorwaartse en gereflecteerde signalen het totale vermogen berekend, evenals het reflectieverlies en de staandegolfverhouding van de belasting.

Richtkoppelaars zijn schakelingen met vier poorten die kunnen worden geconfigureerd met drie of vier poorten (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De schematische symbolen voor een richtkoppelaar met drie poorten (links) of vier poorten (rechts). (Bron afbeelding: DigiKey)

De bron wordt meestal aangesloten op de ingangspoort van de koppelaar en de belasting op de uitgangs- of de transmitterpoort. Het uitgangssignaal aan de gekoppelde poort is een verzwakte versie van het voorwaartse signaal. De verzwakkingswaarde kan worden weergegeven zoals te zien is in het voorbeeld met drie poorten. De geïsoleerde poort die in de driepoortsconfiguratie intern is afgesloten, wordt in de configuratie met vier poorten geopend en heeft een uitgangssignaal evenredig met het gereflecteerde signaal. De pijlen in de schematische symbolen geven het pad van de signaalcomponenten aan. Zo wordt in de configuratie met vier poorten de ingangspoort bijvoorbeeld naar de gekoppelde poort gericht om aan te geven dat deze het voorwaartse signaal ontvangt, terwijl de uitgangspoort is gekoppeld aan de geïsoleerde poort die het gereflecteerde signaal afgeeft. Poortnummers zijn niet gestandaardiseerd en variëren per fabrikant. Poortnamen komen onder verschillende leveranciers beter overeen.

Koppelaars zijn symmetrische apparaten en aansluitingen zijn daarom omkeerbaar. Bij apparaten met drie poorten wordt poort drie na het omkeren van de in- en uitgangspoorten de geïsoleerde poort. Door de in- en uitgangspoorten van een apparaat met vier poorten om te keren, worden de gekoppelde en geïsoleerde poorten verwisseld.

De signalen aan de uitgangen van de koppelaar zijn RF-signalen. De uitgangen van de gekoppelde en geïsoleerde poorten zijn meestal aangesloten op een piek- of RMS-detector, die een baseband-signaal produceert dat gerelateerd is aan de voorwaartse en gereflecteerde vermogensniveaus. De combinatie van richtkoppelaar en bijbehorende detectors wordt een reflectometer genoemd.

In sommige gevallen worden twee richtkoppelaars back-to-back met elkaar verbonden om zo een dubbele richtkoppelaar te vormen. Dit wordt gedaan om lekkage tussen de gekoppelde en de geïsoleerde poort te beperken.

Specificaties richtkoppelaar

Richtkoppelaars worden gespecificeerd aan de hand van verschillende belangrijke eigenschappen, zoals bandbreedte, nominaal ingangsvermogen, invoegverlies, frequentievlakheid, koppelcoëfficiënt, directivity, isolatie en staandegolfverhouding op basis van restspanning (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR).

Bandbreedte: De bandbreedte van de koppelaar geeft het frequentiebereik (in hertz) aan waarbij de koppelaar binnen de specificaties werkt.

Nominaal ingangsvermogen: Koppelaars hebben een maximaal nominaal ingangsvermogen (in watt) voor zowel continue golf (CW) als pulserende ingangssignalen. Dit zijn de maximale vermogensniveaus waarbij het apparaat zonder prestatieverlies of fysieke schade kan werken.

Invoegverlies: Dit geeft het vermogensverlies (in decibel [dB]) aan als gevolg van het plaatsen van het apparaat in de hoofdtransmissielijn.

Frequentievlakheid: De frequentievlakheid specificeert de variatie in amplituderespons van de hoofdtransmissielijn (in dB) over de gespecificeerde bandbreedte van het apparaat als functie van variatie in de frequentie van het ingangssignaal.

Koppelcoëfficiënt of koppelfactor: De koppelcoëfficiënt is de verhouding tussen het ingangsvermogen en het vermogen bij de gekoppelde poort (in dB) wanneer de koppelaar op de juiste wijze bij alle poorten is afgesloten. Dit is één van de belangrijkste eigenschappen van de richtkoppelaar. De output van de gekoppelde poort is evenredig met het vermogensniveau in het directe pad van ingang naar uitgang keer en wordt bepaald door deze bekende factor. De gekoppelde uitgang kan worden aangesloten op andere instrumenten, zoals een oscilloscoop, zonder risico op overbelasting van het instrument.

Isolatie: De verhouding (in dB) tussen het vermogen bij de ingangspoort en het vermogen bij de geïsoleerde poort met alle poorten afgesloten.

Directivity: De verhouding (in dB) tussen het vermogen bij de gekoppelde poort en het vermogen bij de geïsoleerde poort met alle poorten afgesloten. Bij een koppelaar met drie poorten worden twee vermogensmetingen uitgevoerd: een in de normale voorwaartse richting en een met de in- en uitgangspoorten omgekeerd. Deze specificatie geeft de scheiding aan van de voorwaartse en gereflecteerde signalen. Over het algemeen geldt dat hoe hoger de directivity, hoe beter de prestaties van de koppelaar. Directivity kan niet rechtstreeks worden gemeten, maar wordt berekend aan de hand van metingen van de isolatie en omgekeerde isolatie.

Resterende VSWR: De staandegolfverhouding, gemeten met de koppelaar bij alle poorten afgesloten. Dit is een maat voor de inherente impedantie van de koppelaar.

Specificaties richtkoppelaartopologieën

Ontwerpen met richtkoppelaars kunnen op verschillende manieren worden uitgevoerd. De drie meest voorkomende topologieën zijn RF-transformator, weerstandsbrug en gekoppelde transmissielijnen. De topologie op basis van een RF-transformator maakt gebruik van twee RF-transformators (Afbeelding 2). Hierbij detecteert transformator T₁ de stroom door de hoofdlijn tussen de ingang en de belasting. Een tweede transformator, T₂, detecteert de spanning op de hoofdlijn ten opzichte van aarde. De koppelfactor wordt bepaald door de wikkelverhouding van de transformator, N.

Afbeelding 2: De op een RF-transformator gebaseerde richtkoppelaartopologie maakt gebruik van twee RF-transformators om zowel de voorwaartse als de gereflecteerde signalen op de hoofdlijn te meten. (Bron afbeelding: DigiKey)

De theoretische werking van dit soort richtkoppelaars kan worden geanalyseerd door de spanningen die door elk van de transformators afzonderlijk op de gekoppelde lijn worden opgewekt te combineren en de resultaten op te tellen (Afbeelding 3). V_in is de voorwaartse spanning en V_L is de gereflecteerde spanning.

Afbeelding 3: Analyse van de op de transformator gebaseerde richtkoppelaar door de spanningsbijdrage van beide transformators aan de gekoppelde lijn afzonderlijk te analyseren. (Bron afbeelding: DigiKey)

De bijdrage van de stroommeettransformator aan de gekoppelde lijn voor de gekoppelde poort (V_F') en de geïsoleerde poort (V_R') wordt in het bovenste diagram berekend met de spanningsmeettransformator uit het diagram verwijderd. Op dezelfde manier wordt de bijdrage van de spanningsmeettransformator aan die poorten in het onderste diagram berekend als V_F'' en V_R'', met de stroommeettransformator verwijderd. De spanning op de gekoppelde poort, V_F, is de som van V_F' en V_F'':

Vergelijking 1

De resulterende spanning op de gekoppelde poort is de ingangsspanning gedeeld door de wikkelverhouding van de transformator.

Evenzo is de som van VR' en VR'' gelijk aan de spanning op de geïsoleerde poort:

Vergelijking 2

De spanning op de geïsoleerde poort is min de gereflecteerde spanning gedeeld door de wikkelverhouding van de transformator. Het minteken geeft aan dat de gereflecteerde spanning en de voorwaartse spanning 180 graden uit fase zijn.

Prestaties van dit soort richtkoppelaars zijn goed over een breed frequentiebereik zoals te zien is in de MACP-011045 van MACOM die een bandbreedte van 5 tot 1225 megahertz (Mhz) heeft. Deze transformatorkoppelaar heeft een koppelfactor van 23 dB en een nominaal vermogen van 10 watt. Isolatie is frequentieafhankelijk en varieert van 45 dB voor frequenties lager dan 30 MHz tot 27 dB boven de 1 gigahertz (GHz). De koppelaar wordt geleverd in een opbouwbehuizing van 6,35 mm x 7,11 mm x 4,1 mm, waardoor hij geschikt is voor de meeste draadloze toepassingen.

Gekoppelde transmissielijnkoppelaars zijn gebaseerd op coaxkabels of printed circuit board transmissielijnen. Hierbij worden twee of meer transmissielijnen, meestal een kwart golflengte, dicht bij elkaar geplaatst zodat een kleine, beheerste hoeveelheid signaalvermogen van de hoofdlijn naar een of meer gekoppelde lijnen lekt (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Een voorbeeld van een dubbele richtkoppelaar die gebruik maakt van gekoppelde transmissielijnen. Lijnen zijn meestal secties van een kwart golflengte bij de ontworpen middenfrequentie. (Bron afbeelding: DigiKey)

Het ingangssignaal staat op poort 1 en het grootste deel van het vermogen wordt aan de belasting op poort 2 geleverd. Een kleine hoeveelheid vermogen wordt gekoppeld aan de op poorten 3 en 4 aangesloten secondaire lijnen. Poort 3 is de gekoppelde poort. Het vermogensniveau op die poort is een vast percentage van het ingangsvermogen. De koppelcoëfficiënt is een functie van de geometrie van de gekoppelde lijnen en bepaalt het vermogen bij de gekoppelde poort. Het gereflecteerd vermogen is gekoppeld aan poort 4, de geïsoleerde poort.

De 11302-20 van Anaren is een doorsnee transmissielijnkoppelaar geschikt voor een frequentiebereik van 190 tot 400 MHz en vermogens tot 100 watt. Deze richtkoppelaar heeft een nominale koppelfactor van 20 dB met een invoegverlies van 0,3 dB. Hij wordt geleverd in een opbouwbehuizing van 16,51 x 12,19 x 3,58 mm en is bedoeld voor het bewaken van het vermogensniveau en VSWR-metingen voor transmitters van gematigd vermogen. De afmetingen voor dit type koppelaar zijn afhankelijk van het frequentiebereik. Een lagere bedrijfsfrequentie vereist een grotere lengte. Ze worden over het algemeen gebruikt voor UHF en hogere frequenties waarbij afmetingen kleiner kunnen zijn.

De laatste topologie die we hier behandelen is de meetbrug, een schakeling die te vergelijken is met de klassieke brug van Wheatstone. Deze topologie wordt gebruikt met de ADL5920 RMS en VSWR-detector van Analog Devices (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Een vereenvoudigd diagram van een bidirectionele brug die wordt gebruikt in de ADL5920 RMS en VSWR-detector van Analog Devices. De berekening geeft een directivity weer van 33 dB op basis van analyse van een afgesloten toestand. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ADL5920 gebruikt een weerstandsbrug om de voorwaartse en gereflecteerde spanningen in een transmissielijn te scheiden. De berekening geeft de theoretische directivity van het apparaat weer voor lage frequenties met de nominale afsluitwaarde. Het resultaat is een directivity van 33 dB. De uitgangswaarden V_REV en V_FWD van de brug worden naar de RMS-detectorfasen gestuurd met een dynamisch bereik van 60 dB. De detectoruitgangen worden lineair afgelezen in dB. Een derde uitgang wordt afgeleid van het verschil tussen de voorwaartse en gereflecteerde uitgangswaarden en produceert een spanning die evenredig is met het reflectieverlies in dB. De brugkoppelaar is geschikt voor een frequentiebereik van 9 kHz tot 7 GHz met een nominaal vermogen van 33 dBm (2 watt) voor een gekoppelde belasting van 50 ohm (Ω). Het invoegverlies varieert tussen de 0,9 dB bij 10 MHz en 2 dB bij 7 GHz. Het apparaat wordt geleverd in een behuizing van 5 x 5 mm en een dikte van 0,75 mm.

Analog Devices levert een evaluatieboard voor de ADL5920, de ADL5920-EVALZ. Dit evaluatieboard is volledig bezet en vereist een voeding van 5 volt, 200 milliampère (mA). Ingangen en uitgangen zijn beschikbaar via connectors van 2,92 mm, evenals de primaire uitgangen. Het schema toont de aansluitingen die doorgaans nodig zijn voor de ADL5920 (Afbeelding 6). Dit is een ideaal hulpmiddel voor iedereen die de ADL5920 graag wil uitproberen.

Afbeelding 6: Het schema voor het ADL5920-EALZ evaluatieboard geeft de aansluitingen weer die doorgaans nodig zijn voor de ADL5920 bidirectionele RMS en VSWR-detector van Analog Devices. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Gebruik van de weerstandsbrug als richtkoppelaar biedt het breedste frequentiebereik en benadert nagenoeg gelijkstroom (DC). De transformator- en transmissielijnversies zijn minder flexibel wat betreft bandbreedte, maar hebben allebei een hogere vermogenslimiet.

Al deze apparaten kunnen worden gebruikt om een sample van het ingangsvermogen af te tappen voor gebruik in signaalbewakingsschakelingen. Het resultaat kan worden gemeten om vermogensniveau, frequentie en modulatie te bepalen met behulp van traditionele instrumenten zoals een oscilloscoop of een spectrumanalysator. Ook kunnen de gegevens worden geïntegreerd als onderdeel van een feedback loop om de uitgangswaarden binnen de gewenste limieten te houden.

Condities bij de belasting worden weergegeven door de staandegolfverhouding op basis van spanning (VSWR). De VSWR van de belasting bij de uitgangspoort kan worden berekend met zowel de gekoppelde poort (voorwaartse spanning) als de geïsoleerde poort (gereflecteerde spanning).

Vergelijking 3

Het reflectieverlies kan worden berekend met behulp van de VSWR:

Vergelijking 4

Conclusie

Rrichtkoppelaars zijn handig meetinstrumenten voor ontwerpers van RF-systemen. Ze bieden niet alleen een op amplitude geschaald beeld van RF-vermogensniveaus, maar scheiden tevens de voorwaartse en gereflecteerde signaalcomponenten om de belasting te karakteriseren. Zoals we gezien hebben, zijn er drie veelgebruikte koppelaartopologieën die aan deze vereisten voldoen, verkrijgbaar in kleine behuizingen speciaal geschikt voor draadloze apparaten.