RF teljesítményosztó és teljesítményösszegző egységekkel kapcsolatos alapismeretek

A cikk három általánosan használt típusú RF teljesítményosztóval/-összegzővel kapcsolatos alapvető ismereteket ír le: ezek a rezisztív, a hibrid és a Wilkinson típusú egységek a Susumu, az Anaren, a MACOM, és az Analog Devices cégektől. Ismerteti azon specifikációikat és tipikus alkalmazásaikat, amelyek lehetővé teszik a tervezők számára, hogy intelligensen, a kivitelezéssel kapcsolatos megfontolásokra is figyelve válasszák ki az eszközöket.

Az olyan alkalmazások, mint például a Dolgok Internete (Internet of Things [IoT]), a celluláris és a gépjármű-elektronika vezeték nélküli csatlakozási igényekkel rendelkeznek, amelynek eredményeképpen olyan rendszerek jönnek létre, amelyek fokozott mértékben használják az RF jeleket, alkatrészeket és alrendszereket.
Gyakran a tervezőknek számos rendeltetési helyre kell irányítaniuk ezeket a jeleket, illetve összesíteniük kell több jelet. Azonban a jelek összesítése, illetve a jelek megosztása problémát okozhat, mivel a tervezőknek biztosítaniuk kell, hogy a jelek útközben ne degradálódjanak impedancia-, illetve terhelésillesztési problémák miatt, de egyúttal be kell tartaniuk a kritikus méret- és költségkövetelményeket is.
A több bemenet, illetve kimenet közti jelmegosztás, illetve -összesítés igényét az RF teljesítményosztók és teljesítményösszegzők elégítik ki. E hasznos készülékek – miközben végrehajtják ezeket a feladatokat – fenntartják a megfelelő terhelő impedanciákat az összes forrás felé, és biztosítják a megfelelő leválasztást is.

1. ábra  A teljesítményosztókat arra használják, hogy megosszanak egy közös RF jelet több készülék felé, például egy fázisvezérelt antennarendszerben, illetve egy kvadratúrademodulátorban (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

Teljesítményosztók

A teljesítményosztónak egyetlen bemeneti jele, és kettő vagy több kimeneti jele van. A kimeneti jelek teljesítményszintje a bemeneti teljesítményszint 1/N értéke, ahol N a teljesítményosztó kimeneteinek száma. A kimeneteknél a jelek a teljesítményosztók legáltalánosabb formája esetében azonos fázisban vannak. Léteznek olyan speciális teljesítményosztók, amelyek szabályozott fázistolást biztosítanak a kimenetek között. A teljesítményosztók általános RF alkalmazásai, ahogyan azt a korábbiakban említettük, egy közös RF forrást irányítanak több készülékhez (1. ábra).
Az első példa egy fázisvezérelt antenna, ahol az RF forrás két antennaelem között van felosztva. Az ilyen típusú antennák a klasszikus esetben kettő-nyolc, illetve annál is több elemmel rendelkeznek, amelyek mindegyikét a teljesítményosztó egy kimeneti portja hajt meg. A fázistoló egységek általában a teljesítményosztón kívül találhatók annak érdekében, hogy elektronikusan irányítani lehessen a „field pattern” antennát.
A második példa egy kvadratúra-demodulátor, amelyhez egy helyi oszcillátor jelét kell továbbítani két keverőegységhez, amely demodulálja az RF vivőt a fázisban lévő (I) és a kvadratúra (Q) -modulációs komponensekre. A Q jel demodulálásához szükséges 90°-os fázistolás lehet külső, ahogyan az látható, illetve lehet a teljesítményosztón belüli. Mindkét esetben a jelteljesítményszintek egyenlők.
A teljesítményosztó „visszafelé” is működtethető, oly módon, hogy több bemenetet összesítsen egyetlen kimenetbe, és ekkor teljesítményösszegzőként működik. Összegző üzemmódban e készülékek képesek végrehajtani a jelek vektoros összeadását, illetve kivonását, amplitúdóik és fázisértékeik alapján.

2. ábra  Egy alapszintű „T” csatlakozás egy jelet két egyenlő amplitúdójú és azonos fázisú komponensre tud felosztani, de vannak korlátozások (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

A teljesítményosztó topológiája

Amikor a tervező megpróbál egy jelet két csökkentett amplitúdójú komponensre osztani, akkor mérlegelheti egyszerűen csak egy „T” csatlakozás használatát oly módon, hogy két terhelést tesz egy közös forrásra (2. ábra).
A konfiguráció bizonyos korlátozások mellett működni fog.
A legnyilvánvalóbb az impedanciailleszkedés hiánya. Amennyiben mindkét kimenetet (2. és 3. port) 50 Ω-os bemenetekre kötjük, akkor a bemeneti port (1. port) terhelése 25 Ω. Amennyiben a bemeneti forrás egy 50 Ω-os készülék, akkor az egy terhelési probléma. A második probléma a leválasztás hiánya. Amennyiben például a kimenetek egyike rövidzárlatos volt, akkor a másik port is az lesz.
A teljesítménymegosztóknak három olyan főáramkör-topológiája létezik, amelyek kiiktatják a „T” csatlakozással járó korlátozásokat. E három topológia a rezisztív, a hibrid és a Wilkinson topológia (3. ábra). A Wilkinson és a hibrid teljesítményosztók a reaktív teljesítménymegosztókként ismert teljesítménymegosztók osztályába tartoznak.

3. ábra  A három – a rezisztív, a Wilkinson és a hibrid – teljesítményosztó egyszerűsített sémái (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

Rezisztív teljesítményosztók

A teljesítményosztók legáltalánosabban használt változata a rezisztív teljesítményosztó három egyenlő értékű ellenállást használ, leggyakrabban csillag konfigurációban. A készülék szimmetrikus jellege következtében nincs kijelölt bemeneti port – bármelyik port használható bemenetként. Az ellenállásértékek a teljesítményosztóhoz használt jellemző impedancia egyharmadának felelnek meg. Az 50 Ω rendszer esetében az érték 16,67 Ω; 75 Ω rendszer esetében pedig az ellenállás 25 Ω. Csoportként, a rezisztív teljesítményosztók rendelkeznek általában a legszélesebb frekvenciasávval, mivel felépítésük nem tartalmaz frekvenciafüggő reaktív komponenst.
A rezisztív teljesítményosztó legjelentősebb előnye azok egyszerűsége, hogy könnyen kivitelezhető minimális költség mellett. Ez egyben a legkisebb készülék is. Jelentős hátránya a kimeneti portok közti soros ellenállásokon fellépő teljesítményveszteség.
E készülékek névleges teljesítményspecifikációval rendelkeznek.
A rezisztív teljesítményosztó legtöbb alkalmazása viszonylag kis teljesítményt használ. A portok közti leválasztás az ellenállások által jobb, mint a „T” konfiguráció esetében.
Egy rezisztív teljesítményosztó kimeneti portjainál a jelamplitúdó a bemeneti jelszint fele lesz (4. ábra).
A felső bal rácson a jel a bemeneti jel, 50 MHz-es szinuszos burst 179,5 mV rms-szinttel. A középső és az alsó bal rácsok kimeneti szintjei értelemszerűen a 91,7 mV-os és a 88,7 mV-os rms-szintekkel rendelkező kimeneti jeleknek felelnek meg. Ezek -5,8 dB-lel és -6,1 dB-lel vannak a bemeneti jel alatt. A jobb oldali három jel vízszintes irányban „kinagyított jelek”, amelyek lehetővé teszik a részletek megtekintését. Megjegyzendő, hogy a jelek azonos fázisban vannak, az elvárásoknak megfelelően.
A rezisztív teljesítményosztókra egy példa a Susumu PS2012GT2-R50-T1 típusú teljesítményosztó, egy 50 Ω-os, kétportos rezisztív teljesítményosztó, amelynek sávszélessége 20 GHz. Névleges teljesítménydisszipációja 125 mW, a beiktatásból eredő vesztesége 6 ±0,5 dB. Ebből 3 dB a belső ellenállásokon disszipált teljesítményből ered. A készülék egy 2 × 1,25 × 0,4 mm méretű felületszerelt házban van elhelyezve.

4. ábra  Egy rezisztív teljesítményosztó bemenetének és kimeneteinek összehasonlítása. A bemenő jel 50 MHz-es szinuszos burst 179,5 mV effektív érték (rms) amplitúdóval (felső bal jel). A kimenetek (középső és alsó bal jelek) rms-szintjei a következők: 91,7 mV (-5,8 dB) és 88,7 mV (-6,1 dB). Megjegyzendő, hogy a jelek azonos fázisban vannak, az elvárásoknak megfelelően (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

Wilkinson teljesítményosztók

A Wilkinson teljesítményosztó egy olyan reaktív teljesítményosztó, amely két párhuzamos, nem-párosított, negyedhullámhosszú átviteli vonaltranszformátort használ. A Wilkinson teljesítményosztó könnyen megvalósítható szabványos nyomtatott áramkörű átviteli vonalakkal. Az átviteli vonalak hossza általában korlátozza a Wilkinson teljesítményosztó frekvenciatartományát 500 MHz-nél nagyobb frekvenciákra. A kimeneti portok közti ellenállás a leválasztás biztosítása mellett teszi lehetővé illeszkedő impedanciák alkalmazását. Mivel a kimeneti portok azonos amplitúdójú és fázisú jeleket tartalmaznak, az ellenállásokon nincs feszültségesés, ezért nem folyik áram át rajtuk és az ellenállás nem disszipál semmilyen teljesítményt.
Az Anaren PD3150J5050S2HF egy két portos, 50 Ω, Wilkinson típusú teljesítményosztó, amely a 3,1 GHz – 5 GHz közötti frekvenciatartományt fedi le, és maximális névleges teljesítménye 2 W. Tipikus beiktatási vesztesége 1 dB, a 3 dB teljesítménycsökkenésen kívül, és 15 dB-nél nagyobb a leválasztása (jellemzően). Méretei 2,0 × 1,29 × 0,53 mm.

Hibrid teljesítményosztók

A 3. ábrán bemutatott hibrid teljesítményosztó a transzformátorok használatára épül. A T2 transzformátor egy „központi csapolású” autotranszformátor, amely 2:1 menetarányú. A teljes kimeneti oldalon az impedancia négyszerese a „központi csapolás” és föld közti impedanciának. Amennyiben az impedancia minden egyes kimeneti portnál (2. és 3. port) 50 Ω akkor a teljes terhelési impedancia 100 Ω. Ez a transzformátoron keresztül 25 Ω értékű lesz a T2 „központi csapolásánál”. E terhelés bemenethez (1. port) történő illesztéséhez szükség van a T1 transzformátorra, amely 25 Ω–50 Ω impedanciaillesztő transzformátor.
Amikor az 1. portra bemeneti jelet adunk, és a 2. és 3. port 50 Ω terhelésekkel vannak lezárva, ez a 2. és 3. porton 180°-os fázistolással indukál áramot. Az R ellenálláson, amely a 2. és a 3. port impedanciáinak összegével egyenlő – jelen esetben 100 Ω –, folyó áramok egyenlőek lesznek, de az ellentétes fázisok kioltják egymást. A 2. portnál nincs feszültség a 3. port jeléből eredően, és fordítva. E megoldás elméletileg végtelen leválasztást biztosít.
A bemeneti teljesítmény fele fog megjelenni minden egyes kimeneti porton.
A MACOM MAPD-009278-5T1000 készülék egy hibrid teljesítményosztó, amely az 5 MHz – 1 GHz közti frekvenciatartományt fedi le. Kétportos nullafokos teljesítményosztóként van konfigurálva. Beiktatási vesztesége – a 3 dB teljesítményveszteség nélkül – kisebb mint 1,4 dB. A leválasztás jellemzően 20 dB-ként van specifikálva. E teljesítményosztó 250 mW maximális teljesítményszintet tud kezelni, fizikai mérete pedig 4,45 × 4,22 × 3 mm.

Aktív teljesítményosztók

Azok az alkalmazások, amelyek esetében veszteségmentes jelosztásra van szükség, olyan aktív teljesítményosztókat használhatnak, mint például az ADA4304-3ACPZ-R7. Ez egy 75 Ω, 3:1 teljesítményosztó, amely egy 3 dB erősítést nyújtó beépített erősítővel rendelkezik. Sávszélessége 2400 MHz, amely 54–865 MHz frekvenciatartományban történő használatra lett tervezve. A kimenet-kimenet leválasztása jobb, mint 25 dB. A 75 Ω impedancia és a frekvenciatartomány azt jelzi, hogy a teljesítménymegosztót televíziós alkalmazásokhoz tervezték, beleértve a multi-tuner funkcióval rendelkező set top dobozokat és a kábeles használatra felkészített televíziókat.
Az ismertetett készülékek közül a rezisztív teljesítményosztók a legegyszerűbbek, és e készülékek rendelkeznek a lehető legnagyobb sávszélességgel, de nagyobb a beiktatási veszteségük, és kisebb a leválasztási szintjük. A Wilkinson teljesítményosztók kisebb beiktatási veszteséggel rendelkeznek, és nagyobb leválasztási szintet biztosítanak, viszont korlátozottabb a sávszélességük. Fizikai méretük változik a konkrétan szükséges frekvenciatartomány függvényében. A hibrid teljesítményosztók kisebb beiktatási veszteséget és jó leválasztást biztosítanak, de nagyobb a fizikai méretük. Az aktív teljesítményosztók kiküszöbölik a beiktatási veszteséget, de általában drágábbak.

Kivitelezéssel kapcsolatos megfontolások

Annak ellenére, hogy a teljesítményosztók igen egyszerűek, problémát okozhatnak, ha azokat nem megfelelően alkalmazzák. Ügyelni kell például a bemenetnél fellépő DC offset értékekre.
A hibrid teljesítményosztók, amelyek transzformátorokkal működnek, DC-re nem alkalmasak.
A rezisztív teljesítményosztókban a DC jelenléte csökkentheti névleges teljesítményüket. Az összes passzív teljesítményösszegző szimmetrikus topológiával rendelkezik, és a tervezőknek meg kell őrizni a szimmetriát, amikor azokat alkalmazzák. A terheléseket illeszteni kell, és ki kell egyenlíteni. A nem illesztett terhelési impedanciák alkalmazása egyenlőtlen kimeneti szinteket fog eredményezni.
Rögzített fáziskülönbséget igénylő alkalmazásoknál, például amikor egy helyi oszcillátor kimenetét kell egy kvadratúramodulátorra, illetve -demodulátorra adni, a kimenetek hosszának egyenlőnek kell lenni, hogy ne lépjen fel a keverőnél fázisillesztési probléma.

Következtetés

A modern RF tervezésnél jelosztásra és/vagy -összegzésre van szükség számos alkalmazásnál, mint például az IoT, a digitális kommunikáció és a járművezető támogatása. E funkciót teljesítményosztók/-összegzők biztosítják. A tervező lehetőségei a teljesítményosztót igénylő alkalmazásoknál három topológiából való választást jelent, és mindegyiküknek megvannak az előnyei és hátrányai. Az egyes topológiák jellemzőinek alapszintű ismerete segít a tervezőknek a megfelelő teljesítményosztó kiválasztásában.

Digi-Key Electronics
Angol/német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Director, Global Strategic Business Development
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.digikey.hu

Még több Digi-Key Electronics