Jó SWaP-C értékű műholdas távközlési antennacsoportok kialakítása felületszerelt teljesítményosztók és iránycsatolók használatával

A világűr Föld-közeli része gyorsan megtelik, a következő évtizedben mégis több ezer új műholdat készülnek felbocsátani. Ez két oldalról is nyomást gyakorol a műholdas távközlési vagy más néven műholdas kommunikációs (satcom) készülékek tervezőire. Az egyik, hogy gyorsan elfogy a hagyományos L, C és X frekvenciasávban a műholdas távközlés számára rendelkezésre álló sávszélesség. A másik, hogy a kereskedelmi műholdak gyártói azt szeretnék, ha termékeik könnyebbek lennének, és így olcsóbban lehetne őket felbocsátani.

A műholdas távközlési készülékek tervezői a rádiófrekvenciás sávszélesség hiányára úgy reagálnak, hogy a kommunikációt a hagyományos műholdas sávokból a magasabb rádiófrekvencia-sávokba, például a Ku frekvenciasávba (12–18 GHz) helyezik át. A Ku frekvenciasáv nagyobb adatátviteli sebességet tesz lehetővé, és (ma még) sokkal kevésbé zsúfolt. A minél kisebb méretre, tömegre, teljesítményre és költségre (SWaP-C – a size, weight, performance and cost, azaz méret, tömeg, teljesítmény és költség szavak angol megfelelőiből alkotott betűszó) vonatkozó igényekre a tervezők úgy reagálnak, hogy a műholdak kulcsfontosságú elemeit, például az antennacsoportokat korszerű tokozású felületszerelt alkatrészek (angol betűszóval: SMD, surface mount device) felhasználásával építik meg.

Ez a cikk a felületszerelt teljesítményosztók és iránycsatolók, a Ku frekvenciasávú műholdas távközlési antennarendszerekben használt kulcsfontosságú passzív elemek előnyeit ismerteti. A cikk példákat mutat a Knowles Dielectric Labs termékeire, leírja, hogy ezek az alkatrészek hogyan felelnek meg a mai alacsony SWaP-C értékeket megcélzó igényekre vonatkozó követelményeknek, és hogyan használhatják a tervezők ezen létfontosságú alkatrészek kulcsfontosságú teljesítményjellemzőit az antennacsoportok teljesítményének optimalizálására.

Az antennacsoportok fejlődése

A műholdas és földi állomások antennáinak legújabb fejlesztései során a tervezők az egy antennát tartalmazó parabolatányérok irányából az antennacsoportok felé mozdultak el. Az antennacsoportok két vagy több elemet egyesítenek, amelyek mindegyike lényegében mini antennaként működik. Az antennacsoportok előnyei a hagyományos antennákkal szemben a műholdas távközlés területén a következők:

• Nagyobb nyereség
• Jobb jel-zaj arány (SNR)
• Irányítható átviteli sugárnyalábok és nagyobb érzékenység adott irányból érkező jelekre
• Jobb többutas vétel (segít leküzdeni a jel elhalványulását)
• Kisebb mellékhurkok az antenna sugárzási karakterisztikájában

A hagyományos csoportelrendezés egy 3D-s téglaszerű kialakítást jelent, amely egymás mellett elhelyezett és több csatlakozóval és kábellel összekapcsolt elektronikus egységekből áll. Ez megnöveli az antennacsoport tömegét és összetettségét az egyantennás parabolatányérokhoz képest.

Az ezt a sok elemet és nagyobb összetettséget eredményező megoldás az alacsony SWaP-C értékre törekvésből született, amely kiküszöböli a gyártás során történő lapkahuzalozási, illetve a hibrid gyártási technológiákból eredő téglaszerű felépítést. Az újabb konstrukciók több síkbeli 2D mikrovezetőcsíkot tartalmaznak, amelyek a nyomtatott áramköri lap hordozóanyagán alapulnak, és felületszerelhető tokozást használnak. Emiatt a síkbeli kialakítás miatt nincs szükség sok csatlakozóra és kábelre, ami javítja a SWaP-C értéket, és egyúttal növeli a megbízhatóságot és egyszerűsíti a gyártást (1. ábra).

1. ábra: A kis SWaP-C értékű felületszerelt alkatrészek használata (jobbra) lehetővé teszi a műholdvevő antennacsoportok méretének csökkentését a hagyományos 3D téglaszerű kialakításhoz képest (balra) (kép: Knowles DLI)

A felületszerelt alkatrészek nemcsak jelentősen csökkentik az antennacsoport tömegét, de lehetővé teszik egyetlen automatizált szerelősor használatát is, ami drámaian csökkenti a gyártási költségeket a hagyományos, a gyártás során történő lapkahuzalozási vagy hibrid gyártási technológiákhoz képest. A felületszerelés segíti a piacra kerülési idő lerövidítését is.

Ezeket az előrelépéseket a felületszerelt alkatrészek új generációja tette lehetővé, amelyek megbízhatóan működnek az űrben, nagy üzemi frekvenciákon is. Az eszközök újszerű szigetelőanyagokkal, szűk tűréssel, vékonyréteges gyártással és újszerű mikrovezetőcsíkos elrendezésekkel készülnek, és jó teljesítmény-helyszükséglet arányt kínálnak.

Az antennacsoport legfontosabb alkatrészei: a teljesítményosztó

Az antennacsoport egyik kritikus passzív felületszerelt alkatrésze a teljesítményosztó. Az egyes teljesítményosztók a bejövő jelet két vagy több jelre osztják fel, és szétosztják a csoportot alkotó antennák között. Legegyszerűbb formájában a teljesítményosztó egyenletesen osztja el a bemenőteljesítményt (mínusz némi áramköri veszteség) az egyes kimeneti lábak között, de a teljesítményosztók más formái lehetővé teszik a bemenőteljesítménynek a kimeneti lábak közötti arányos elosztását is.

Számos teljesítményosztó-változat létezik, de a nagyfrekvenciás eszközökben használt teljesítményosztók jellemzően mikrovezetőcsíkos Wilkinson-kialakításúak (2. ábra). Alapesetben a teljesítményosztó mindegyik lába a bejövő rádiófrekvenciás jel hullámhosszának egynegyedével azonos méretű. Például egy 15 GHz-es középfrekvenciájú bejövő jel esetén mindegyik láb 5 mm hosszúságú. A lábak negyed hullámhosszú impedanciatranszformátorként működnek.

A kimeneti portok illesztésére egy leválasztó ellenállást használnak. Mivel a kimeneti portok között nulla a feszültségkülönbség, az ellenálláson át nem folyik áram, így az nem járul hozzá az ellenállás miatti veszteségekhez. Az ellenállás kiváló leválasztást is biztosít, még akkor is, ha az eszközt fordított irányban (teljesítményösszesítőként) használják, így korlátozva az egyes csatornák közötti áthallásokat.

2. ábra: Az alapszintű Wilkinson teljesítményosztó két negyed hullámhosszú impedanciatranszformátort és egy leválasztó ellenállást használ a kimeneti portok illesztéséhez. A 2. és 3. port az 1. portra adott bemenőteljesítmény felét adja le (kép: Knowles DLI)

A veszteségek csökkentése érdekében a teljesítmény elosztásakor a teljesítményosztó mindkét kimeneti portjának 2 Z0 impedanciaként kell megjelennie. (A 2 Z0 párhuzamos kapcsolás esetén Z0 eredő impedanciát jelent.)

Egyenletes teljesítményeloszlás esetén R = 2 Z₀, így:

Ahol:

R = a két port közé kapcsolt lezáró ellenállás értéke

Z₀ = a teljes rendszer eredő impedanciája

Z_match = a teljesítményosztó lábai alkotta negyedhullámú transzformátorok impedanciája

A szórási mátrix (S-mátrix) azokat a szórási paramétereket tartalmazza, amelyek egy lineáris rádiófrekvenciás hálózat, például egy Wilkinson teljesítményosztó villamos teljesítményének leírására szolgálnak. A 3. ábra a 2. ábrán látható egyszerű teljesítményosztó S-mátrixát mutatja.

3. ábra: A 2. ábrán látható Wilkinson teljesítményosztó szórási mátrixa (S-mátrixa) (kép: Steven Keeping)

A szórási mátrix fő jellemzői:

• S_ij = S_ji (ami azt mutatja, hogy a Wilkinson teljesítményosztó teljesítményösszegzőként is használható).
• A csatlakozók illesztve vannak (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• A kimeneti csatlakozók le vannak választva (S₂₃, S₃₂ = 0).
• A teljesítmény egyenlően van elosztva (S₂₁ = S₃₁)

A veszteségek minimálisra csökkennek, ha a 2. és 3. porton lévő jelek azonos fázisban vannak és azonos nagyságúak. Egy ideális Wilkinson teljesítményosztó S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (–)3 dB teljesítményt ad le (azaz a bemenőteljesítmény fele jelenik meg mindkét kimeneti porton).

A mikrovezetőcsíkos Wilkinson teljesítményosztók jó megoldást jelentenek a kis SWaP-C értékű antennacsoportokhoz. A kereskedelmi forgalomban kapható, a Ku frekvenciasávon működő eszközök közé tartozik a Knowles Dielectric Labs cég PDW06401 jelű 16 GHz-es, kétirányú Wilkinson teljesítményosztója. A Knowles szigetelőanyag- és vékonyréteggyártási technológiája lehetővé tette, hogy kis veszteségű, mégis kis méretű felületszerelt alkatrészt gyártson Ku frekvenciasávú műholdas távközlési antennacsoportokhoz.

A PDW06401 mérete 3 mm × 3 mm × 0,4 mm, és olyan kis veszteségű anyagokat használ, amelyek széles hőmérséklet-tartományban minimálisra csökkentik a teljesítményingadozást. A tok jellemző impedanciája (Z₀) megfelel a megkövetelt 50 Ω-os értéknek, amely nagyfrekvenciás rádiós rendszerekben a feszültség–állóhullám arány (VWSR) és ezáltal az illesztési veszteségek (vagy más néven a visszaverődési csillapítás) minimálisra csökkentéséhez szükséges. Az eszköz jellemző értékei: nulla névleges fáziseltolódás, ±0,25 dB amplitúdó- és ±5° fázisegyenlőség. A beiktatásicsillapítás-túllépés 0,5 dB. A 4. ábrán a PDW06401 teljesítményosztó frekvencia-jelleggörbéje látható.

4. ábra: A PDW06401 teljesítményosztó frekvencia-jelleggörbéje. Az RL görbe a csatlakozók illesztését (S₁₁, S_22, stb.), az Iso a kimeneti portok közötti szigetelést (S₂₃, S₃₂), míg az IL a kimenőteljesítményt (S₂₁, S₃₁) mutatja (kép: Knowles DLI)

A teljesítményosztó visszaverődési csillapítása, szigetelése, amplitúdó- és fázisegyenlősége a következő módon kritikus az antennacsoport teljesítménye szempontjából:

• A készülék visszaverődési csillapításának kicsinek kell lennie, mert a nagyobb veszteségek közvetlenül csökkentik a legnagyobb leadott vagy vett sugárnyaláb energiáját.
• A készülék szigetelésének nagy értékűnek kell lennie, mert ez hatással van az antennacsoporton belül a jelútvonalak közötti szigetelésre, és növeli az antennák nyereségét.
• Az eszköz amplitúdóegyenlőségének meg kell közelítenie a 0 dB-t, mert ez hatással van az antenna amplitúdóteljesítményére és tényleges izotróp (mindenirányú vagy gömbkarakterisztikájú) kisugárzott teljesítményére (EIRP, Effective Isotropic Radiated Power).
• A készülék fázisegyenlőségének meg kell közelítenie a 0°-os különbséget, mert ez elősegíti a maximális adási teljesítmény elérését, és biztosítja a hálózat összes ágának tervezett fázishosszát. A nagy fáziskiegyenlítetlenség rontja a tényleges izotóp kisugárzott teljesítményt, és megváltoztathatja a sugárnyaláb-formáló antennacsoport sugárzási karakterisztikáját.

Az antennacsoport legfontosabb alkatrészei: az iránycsatoló

Az iránycsatoló egy másik olyan alkatrész, amely fontos szerepet tölt be az antennacsoportokban azáltal, hogy következetesen méri a csoport elemeinek adási és vételi teljesítményét. Az iránycsatoló egy olyan passzív eszköz, amely ismert nagyságú adási vagy vételi teljesítményt átcsatol egy másik portra, ahol az mérhető. A csatolást jellemzően két vezető egymáshoz közel történő elhelyezésével éri el úgy, hogy az egyik vezetéken áthaladó energia átcsatolódik a másik vezetékbe.

Az eszköznek négy portja van: bemeneti, átviteli, csatolt és leválasztott. A fő átviteli vezeték az 1. és 2. port között van elhelyezve. A leválasztott portot belső vagy külső illesztett terheléssel (jellemzően 50 Ω értékűvel) zárják le, míg a csatolt portot (3) a csatolt energia megcsapolására használják. A csatolt port jellemzően a fő vezeték energiájának töredékét adja le, és gyakran kisebb a csatlakozója, hogy meg lehessen különböztetni a fő vezeték 1. és 2. portjának csatlakozójától. A csatolt port a rendszer fő energiaáramlásának megszakítása nélkül használható a jel teljesítményszint- és frekvenciaadatainak mérésére. Az átviteli portra adott teljesítmény a leválasztott portra jut, és nem befolyásolja a csatolt porton mérhető értéket (5. ábra).

5. ábra: A teljesítményosztó csatolt portjára (P3) a bemeneti portra (P1) adott teljesítmény bizonyos hányada jut, a többi az átviteli portra (P2) kerül. A leválasztott port (P4) belső vagy külső illesztett terheléssel van lezárva (kép: Spinningspark, Wikipedia)

A csatolók legfontosabb jellemzője a csatolási tényező.

Ezt a következőképpen lehet meghatározni:

A csatolók legegyszerűbb formája derékszögű elrendezésű, ahol a csatolt vezetékek a bemenőjel hullámhossza egynegyedének megfelelő (pl. 15 GHz-es jel esetén 5 mm) hosszon futnak egymás mellett. Az ilyen típusú csatoló jellemzően a bemenőteljesítmény felét adja le a 3. porton (azaz 3 dB a csatolási tényezője), miközben az átviteli porton a teljesítmény ugyanezzel a 3 dB-lel csökken (6. ábra).

6. ábra: Az iránycsatolók legegyszerűbb formájában a bemenőjel hullámhossza egynegyedének megfelelő hosszban fut a fő vezeték mellett a csatolóvezeték (kép: Spinningspark, Wikipedia)

A teljesítményosztóhoz hasonlóan az iránycsatolónak is van néhány olyan kulcsfontosságú jellemzője, amely befolyásolja az antennacsoport teljesítményét. Ezek a következők:

• Az antennacsoport nyereségének növelése érdekében a fő vezeték veszteségét minimálisra kell csökkenteni. Ez a veszteség a fő vezeték ellenállása okozta melegedés miatt következik be, és elkülönül a csatolási veszteségtől. A fő vezeték teljes vesztesége az ellenállás miatti melegedési veszteség és a csatolási veszteség összege.
• A csatolási veszteség a teljesítménynek az energia egy részének a csatolt és a leválasztott portra kerülése miatti csökkenése. Megfelelő irányíthatóságot feltételezve a leválasztott portra akaratlanul jutó teljesítménynek elhanyagolhatónak kell lennie a csatolt portra szándékosan juttatott teljesítményhez képest.
• A visszaverődési csillapítást minimálisra kell csökkenteni. Ez az érték az iránycsatoló által visszavert vagy csillapított jel mennyiségének a mérőszáma.
• A beiktatási veszteséget minimálisra kell csökkenteni. Ez egy iránycsatoló nélküli és egy iránycsatolóval ellátott tesztáramkör jelszintjének aránya.
• A leválasztást a lehető legnagyobbra kell növelni. Ez a bemeneti port és a leválasztott port közötti teljesítményszint különbsége.
• Az irányíthatóságot a lehető legnagyobbra kell növelni. Ez az iránycsatoló 3. és 4. portja közötti teljesítményszint-különbség, és a leválasztáshoz kapcsolódik. Ez a csatolt és a leválasztott port egymástól való függetlenségének mérőszáma.

Bár rádiófrekvenciás iránycsatolókat sokféleképpen ki lehet alakítani, a kis SWaP-C értékű műholdas távközlési készülékekben kis méretüknek köszönhetően a mikrovezetőcsíkos típusok a legelterjedtebbek. Ilyen például a Knowles FPC06078 jelű iránycsatolója. Ez egy mikrovezetőcsíkos, felületszerelhető eszköz, amelynek méretei: 2,5 mm × 2,0 mm × 0,4 mm. Működési hőmérséklet-tartománya –55 °C és +125 °C közötti, jellemző impedanciája pedig 50 Ω.

Bár a csatolási tényező frekvenciafüggő, egy jó minőségű iránycsatoló csatolási frekvencia-jelleggörbéje viszonylag lapos. Alább a 7. ábrán az látható, hogy a Knowles eszközének névleges csatolási tényezője 20 dB, ami a 12–18 GHz-es működési tartományban mindössze 2 dB-nyit változik. Az FPC06078 iránycsatoló beiktatási vesztesége mindössze 0,3 dB, legkisebb visszaverődési csillapítása 15 dB. A készülék irányíthatósága 14 dB (8. ábra).

7. ábra: Az FPC06078 iránycsatoló frekvencia-jelleggörbéje. Az eszköz névleges csatolási tényezője –20 dB, beiktatási vesztesége pedig 0,3 dB (kép: Knowles DLI)

8. ábra: Az FPC06078 iránycsatoló irányíthatósági jellegörbéje. A nagyobb antennacsoport-teljesítmény érdekében az irányíthatóságot, amely a leválasztással függ össze, a lehető legnagyobbra kell növelni (kép: Knowles DLI)

Összegzés

A tervezők a műholdas távközlési készülékekben kis méretű, felületszerelhető passzív alkatrészek használatával próbálják kielégíteni a kis SWaP-C érték iránti igényeket. Ilyen alkatrészek például a műholdas távközlési antennacsoportok gyártásához használt teljesítményosztók és iránycsatolók.

A jó minőségű, kis méretű, felületszerelhető passzív alkatrészeket – amelyek a mikrovezetőcsíkos kialakítás és a nagy szigetelőképességű kerámiaanyagok révén kiváló teljesítményt ígérnek – választva a műholdas távközlési alkalmazásokhoz a tervezők kihasználhatják a nagyobb frekvenciájú rádiós frekvenciasávok előnyeit. A felületszerelt teljesítményosztók és iránycsatolók ezen új generációja lehetővé teszi a tervezők számára, hogy kisebb és könnyebb antennacsoportokat hozzanak létre, és egyidejűleg növeljék az antennák nyereségét és nyalábformáló képességeit.