De principes van RF-vermogenssplitsers en -combinatoren

De toename van de vraag naar draadloze connectiviteit voor toepassingen als het Internet of Things (IoT), mobiele apparaten en elektronica in voertuigen, leidt tot systemen die steeds meer gebruik maken van RF-signalen, -componenten en -subsystemen. Ontwerpers moeten deze signalen vaak naar meerdere bestemmingen leiden of meerdere signalen combineren. Maar het combineren of splitsen van signalen kan problemen opleveren omdat ontwerpers moeten voorkomen dat de kwaliteit van de signalen achteruit gaat door niet-afgestemde impedanties of belastingen. Tevens moeten ze de systemen klein en goedkoop houden.

RF-vermogenssplitsers en -combinatoren zorgen voor dit splitsen of combineren van meerdere in- of uitgangen. Deze handige apparaten doen dit met behoud van de juiste belasting en impedantie naar alle bronnen toe en zorgen tevens voor isolatie.

In dit artikel worden de principes van drie veel gebruikte typen RF-vermogenssplitsers/-combinatoren: resistief, hybride en Wilkinson, met voorbeelden van Susumu, Anaren, MACOM en Analog Devices. De specificaties en veel gebruikte toepassingen ervan worden besproken zodat ontwerpers met verstand van zaken de juiste apparaten kunnen kiezen, inclusief overwegingen met betrekking tot de implementatie.

Vermogenssplitsers

Een vermogenssplitser heeft één ingangssignaal en twee of meer uitgangssignalen. De uitgangssignalen hebben een vermogensniveau van 1/N maal het ingangsniveau waarbij N het aantal uitgangen van de splitser is. De signalen aan de uitgangen zijn, in de meest voorkomende uitvoering van de vermogenssplitser, in fase. Er bestaan speciale vermogenssplitsers waarbij de uitgangen een regelbaar faseverschil hebben. Veel RF-toepassingen voor vermogenssplitsers sturen, zoals eerder vermeld, een gemeenschappelijke RF-bron naar meerdere apparaten (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Vermogenssplitsers worden gebruikt om een gemeenschappelijk RF-signaal naar meerdere apparaten te sturen zoals bij een fasegestuurde antenne of een kwadratuur-demodulator. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Het eerste voorbeeld is een fasegestuurde antenne waarbij het RF-signaal gesplitst wordt tussen de twee antenne-elementen. Antennes van dit type hebben meestal twee tot acht of meer elementen, die elk vanuit een uitgangspoort van een vermogenssplitser worden aangestuurd. Faseverschuivers zijn meestal niet in de splitsers ingebouwd om het veldpatroon van de antenne elektronisch te kunnen aansturen.

Het tweede voorbeeld is een kwadratuur-demodulator waarbij een lokale oscillator twee mixers moet aansturen die de RF-draaggolf naar de in-fase (I) en kwadratuur (Q)-componenten demoduleren. De voor het demoduleren van het Q-signaal vereiste 90° faseverschuiving kan extern zijn, zoals afgebeeld, of kan in de vermogenssplitser ingebouwd zijn. In beide gevallen zijn de vermogensniveaus gelijk.

De vermogenssplitsers kan 'achteruit' werken zodat meerdere ingangen in één enkele uitgang kunnen worden gecombineerd waardoor een vermogenscombinator ontstaat. In combinator-modus kunnen deze apparaten signaalvectoren optellen of aftrekken op basis van de amplitude en fase.

Topologie van een vermogenssplitser

De ontwerper kan bij het splitsen van een signaal in twee componenten van kleinere amplitude een eenvoudige 'T'-schakeling gebruiken door twee belastingen achter één bron te plaatsen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een elementaire 'T'-schakeling kan een signaal in twee componenten splitsen met gelijke amplitude en gelijke fase, maar heeft enkele beperkingen. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De configuratie werkt, maar heeft enkele beperkingen. Het duidelijkste is een niet-afgestemde impedantie. Als beide uitgangen (poorten 2 en 3) met 50 ohm (50 Ω) zijn afgesloten, dan krijgt de ingangspoort (poort 1) een belasting van 25 Ω. Als het aan de ingang aangesloten apparaat een uitgangsimpedantie heeft van 50 Ω, dan is er een probleem met de belasting. Het tweede probleem is gebrek aan isolatie. Als bijvoorbeeld één van de uitgangen wordt kortgesloten, dan wordt ook de andere poort kortgesloten.

Er bestaan drie belangrijke topologieën voor vermogenssplitsers die de beperkingen van een 'T'-schakeling niet hebben. Deze drie topologieën zijn resistief, hybride en Wilkinson (Afbeelding 3). De Wilkinson en hybride splitsers vormen een klasse van splitsers die reactieve splitsers worden genoemd.

Afbeelding 3: Vereenvoudigde schema's van drie veel voorkomende topologieën van vermogenssplitsers: resistief, Wilkinson en hybride. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Resistieve splitsers

De meest gebruikelijke implementatie van een vermogenssplitser, de resistieve, gebruikt drie weerstanden van gelijke waarde, meestal in een sterschakeling.  Vanwege de symmetrie van het apparaat is er geen speciale ingangspoort: elke poort kan als ingang worden gebruikt. De weerstanden hebben een waarde gelijk aan 1/3 van de karakteristieke impedantie van de op de vermogenssplitser aangesloten apparaten. Deze waarde is 16,67 Ω in het geval van een systeem van 50 Ω, voor een systeem van 75 Ω heeft de weerstand een waarde van 25 Ω. Als groep hebben resistieve vermogenssplitsers de grootste frequentiebandbreedte omdat er in het ontwerp geen frequentie-afhankelijke reactieve componenten worden gebruikt.

Het grootste voordeel van een resistieve splitser is zijn eenvoud: hij is eenvoudig en tegen minimale kosten te implementeren. Hij is ook het kleinst. Het belangrijkste nadeel is vermogensverlies door de in serie geplaatste weerstanden tussen de uitgangspoorten. Deze apparaten hebben een nominaal vermogen. De meeste toepassingen voor resistieve vermogenssplitsers gebruiken een betrekkelijk laag vermogen. De door de weerstanden geboden isolatie tussen de poorten is een verbetering ten opzichte van de 'T'-schakeling.

De amplitudes van de signalen aan de uitgangspoorten van een resistieve splitser bedragen de helft van het signaalniveau aan de ingang (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Vergelijking tussen de ingang en de uitgangen van een resistieve splitser. Het ingangssignaal is een sinus-burst van 50 megahertz (MHz) met een root mean square (RMS) amplitude van 179,5 millivolt (mV) (links boven). De uitgangen (links midden en onder) hebben respectievelijk een RMS-niveau van 91,7 mV (-5,8 dB) en 88,7 mV (-6,1 dB). Let op dat alle signalen in fase zijn, zoals te verwachten was. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Het signaal links boven is het ingangssignaal, een sinus-burst van 50 MHz met een RMS-niveau van 179,5 mV. De uitgangsniveaus links midden en onder zijn de uitgangssignalen met respectievelijk een RMS-niveau van 91,7 mV en 88,7 mV. Deze zijn 5,8 en 6,1 dB onder het ingangssignaal. De drie signalen rechts zijn horizontaal uitgerekte signalen om ze beter te kunnen bekijken. Let op dat alle signalen in fase zijn, zoals te verwachten was.

Een voorbeeld van een resistieve vermogenssplitser is de Susumu PS2012GT2-R50-T1, een tweepoorts resistieve vermogenssplitser van 50 Ω met een bandbreedte van 20 gigahertz (GHz). Deze heeft een nominale vermogensopname van 125 milliwatt (mW) en een intern verlies van 6 ±0,5 decibel (dB), waarvan 3 dB afkomstig is van het vermogensverlies in de interne weerstanden. Het apparaat is ondergebracht in een surface mount behuizing van 2 x 1,25 x 0,4 mm.

Wilkinson vermogenssplitsers

De Wilkinson vermogenssplitser is een reactieve splitser met twee parallelle, ontkoppelde transmissielijntransformatoren van een kwart golflengte. Door de transmissielijnen is de Wilkinson splitser eenvoudig te implementeren met gebruik van standaard transmissielijnen op printplaten. De lengte van de transmissielijnen beperkt in het algemeen het frequentiebereik van de Wilkinson splitser tot frequenties boven 500 MHz. Door de weerstand tussen de uitgangspoorten kan hij afgestemde impedanties hebben en tevens isolatie bieden. Omdat de uitgangspoorten signalen voeren van gelijke amplitude en fase, staat er geen spanning over de weerstand, zodat er geen stroom loopt en de weerstand geen vermogen opneemt.

De Anaren PD3150J5050S2HF is een tweepoorts Wilkinson vermogenssplitser van 50 Ω voor een frequentiebereik van 3,1 tot 5 GHz en met een maximaal nominaal vermogen van 2 watt (W). Hij heeft een intern verlies, zonder het 3 dB vermogensverlies, van 1 dB (karakteristiek) en een isolatie van meer dan 15 dB (karakteristiek). De afmetingen zijn 2,0 x 1,29 x 0,53 mm.

Hybride vermogenssplitsers

De hybride vermogenssplitser uit Afbeelding 3 is op transformatoren gebaseerd. Transformator T2 heeft een middenaftakking en vormt een autotransformator met een transformatieverhouding van 2:1. De impedantie over de gehele uitgangszijde is vier keer de impedantie van de middenaftakking naar massa. Als de impedantie van elk van de uitgangspoorten (poort 2 en poort 3) 50 Ω is, dan is de totale impedantie 100 Ω. Dit betekent dat de impedantie op de middenaftakking van T2 25 Ω bedraagt. Om deze belasting aan de ingang (poort 1) af te stemmen is een transformator T1 nodig, die de impedantie van 50 Ω naar 25 Ω transformeert.

Als er op poort 1 een ingangssignaal wordt gezet en de poorten 2 en 3 met belastingen van 50 Ω zijn afgesloten, dan wordt er aan de poorten 2 en 3 een stroom geïnduceerd met een faseverschuiving van 180°. De stromen door de weerstand R1, die gelijk is aan de impedanties van poort 2 en poort 3, in dit geval 100 Ω, zijn gelijk maar met tegengestelde fase en heffen elkaar op. Er staat op poort 2 geen spanning van het signaal op poort 3 en omgekeerd. De isolatie is theoretisch oneindig. Het vermogen aan elk van de uitgangspoorten is de helft van het vermogen aan de ingangspoort.

De MACOM MAPD-009278-5T1000 is een hybride vermogenssplitser met een frequentiebereik van 5 MHz tot 1 GHz. Hij is geconfigureerd als een tweepoorts splitser met nul graden. Het inwendige verlies, exclusief het 3 dB vermogensverlies, is minder dan 1,4 dB. De isolatie is volgens de specificaties 20 dB (karakteristiek). Deze splitser kan een maximaal vermogensniveau verwerken van 250 mW en meet 4,45 x 4,22 x 3 mm.

Actieve vermogenssplitsers

Toepassingen waarbij een signaal zonder verliezen moet worden gesplitst, kunnen gebruik maken van splitsers als de Analog Devices ADA4304-3ACPZ-R7. Dit is een driepoorts vermogenssplitser van 75 Ω met een ingebouwde versterker van 3 dB. Hij heeft een bandbreedte van 2400 MHz en is bedoeld voor een frequentiebereik van 54 tot 865 MHz. De isolatie tussen de uitgangen is beter dan 25 dB. De impedantie van 75 Ω en het frequentiebereik duiden erop dat deze splitser bedoeld is voor tv-toepassingen zoals settopboxen en kabel-tv-toestellen.

Van de beschreven splitsers zijn de resistieve splitsers de eenvoudigste, hebben de grootst mogelijke bandbreedte en zijn in het algemeen het kleinst, maar ze hebben hogere interne verliezen en een minder goede isolatie. Wilkinson vermogenssplitsers hebben lagere interne verliezen en een betere isolatie maar hebben een beperktere bandbreedte. De afmetingen ervan variëren met het vereiste frequentiebereik. De hybride splitsers hebben een laag intern verlies en goede isolatie maar zijn groter. Actieve vermogenssplitsers hebben geen interne verliezen maar zijn meestal duurder.

Implementatie-overwegingen

Hoewel vermogenscombinatoren erg eenvoudig zijn, kunnen ze nog altijd voor problemen zorgen als ze niet juist worden toegepast. Wees bijvoorbeeld beducht op een offset-gelijkspanning aan de ingang. Hybride combinatoren, met transformatoren, hebben geen gelijkspanningscomponent.

Bij resistieve splitsers kan de aanwezigheid van gelijkspanning tot meer vermogensverlies leiden. Alle passieve vermogenscombinatoren hebben een symmetrische topologie en ontwerpers moeten bij het gebruik ervan die symmetrie handhaven. Belastingen moeten afgestemd en gebalanceerd zijn. Niet-afgestemde belastingen resulteren in ongelijke uitgangsniveaus.

Bij toepassingen waarvoor vaste faseverschillen nodig zijn, zoals het aansturen van een lokale oscillator naar een kwadratuur-modulator of -demodulator, moeten de uitgangspaden van gelijke lengte zijn om faseverschillen in de mixers te voorkomen.

Conclusie

De behoefte om signalen te splitsen of te combineren is van groot belang in moderne RF-ontwerpen in allerlei toepassingen, zoals IoT, digitale communicatie en assistentiesystemen voor chauffeurs. Vermogenssplitsers/-combinatoren zijn hiervoor bedoeld. De opties voor ontwerpers die een vermogenssplitser willen gebruiken, komen neer op de drie topologieën, elk met zijn eigen voor- en nadelen. Een fundamenteel begrip van de karakteristieken van elk van die topologieën is nodig om de juiste vermogenssplitser te kiezen.