A rádiófrekvenciás iránycsatolókról

A – rendszerint kétirányú – vezetékmentes jelátvitel gyakori feladata a nagy teljesítményű adó és az érzékeny vevő szétválasztása, valamint az adó és a terhelés közötti jeláramlás jellemző adatainak meghatározása.

Bevezetés

A radar, az 5G mobiltelefon, a dolgok internete (IoT) és más rádiófrekvenciás (RF) készülékek egyre növelik a rádiófrekvenciás technológiákat használó elektronikus rendszerek számát. Ezek rengeteg rádiófrekvenciás jelforrást tartalmaznak, amelyekhez meg kell tervezni a rádiófrekvenciás teljesítményszint figyelését és szabályozását azzal a követelménnyel kiegészítve, hogy minél kisebb veszteségek keletkezzenek a jelátviteli vonalakon és a terheléseken. Ezenkívül egyes alkalmazásokban nagy adóteljesítményt használnak, ezért a tervezőknek olyan módszereket kell kidolgozniuk, hogy a rendszer károsodásra hajlamos, kényes elemei még nagy jelszintek esetén se szendvedjenek károsodást, miközben a kimeneti jeleket figyelik.
Vannak más kihívások is, például hogy hogyan lehet meghatározni egy rádiófrekvenciás terhelés, mondjuk egy antenna karakterisztikáját széles frekvenciatartományban, valamint hogy hogyan történjék a változó terhelések és az állóhullámarány figyelése működő adó esetén úgy, hogy közben a nagy reflektált teljesítmény ne károsítsa az erősítőt.
Ezekre a követelményekre és kihívásokra a jelátviteli vonalba beiktatott iránycsatolók jelentik a megoldást. Ezek a rádiófrekvenciás energia jelátviteli vonalban való áramlásának pontos figyelését teszik lehetővé, miközben ismert, állandó értékkel csökkentik a teljesítményszinteket. Az iránycsatolók a mintavétel során csak minimális zavarokat okoznak a főág jelében. Különbséget tudnak tenni a haladó és a reflektált teljesítmény között, és lehetővé teszik a visszaverődési csillapítás vagy az állóhullámarány figyelését, a terhelésváltozásnak megfelelő visszacsatolást kínálva adás közben.
Ez a cikk az iránycsatolók működését tárgyalja, és három kapcsolást (topológiát) ismertet az Anaren, az M/A-Com és az Analog Devices termékeit felhasználó, a témához kapcsolódó példákkal. Megvizsgálja azok jellegzetes karakterisztikáit és ismerteti hatékony használatuk módját.

1. ábra  Egy három- (balra) és egy négykapus (jobbra) iránycsatoló áramköri rajzjele (forrás: Digi-Key Electronics)

Mi az az iránycsatoló?

Az iránycsatoló olyan mérőeszköz, amelyet a rádiófrekvenciás jelforrás (például jelgenerátor, vektor-hálózatanalizátor vagy adóegység) és a terhelés között helyeznek el a jelátviteli vonalban. Ez méri a jelforrásból a terhelésre adott rádiófrekvenciás teljesítményt, és annak a haladó és a reflektált (azaz a terhelésről a jelforrásra visszaverődő) jelösszetevőjét. Ha ismerjük a haladó és a reflektált jelösszetevőt, lehetőségünk nyílik a teljes teljesítmény, a reflektálódási csillapítás és a terhelésen jelentkező állóhullámarány kiszámítására.
Az iránycsatolók négykapus áramkörök, amelyek három- vagy négykapus eszközként is konfigurálhatók (1. ábra). (A „kapu” kifejezéssel azonos értelemben használjuk a cikkben a nemzetközi szakirodalomban elterjedt „port” kifejezést. – A szerk. megj.)
A jelforrás általában a csatoló bemeneti portjára van kötve, a terhelés pedig a kimeneti vagy adóportra. A csatolt porton megjelenő kimenőjel a haladó (előremenő) jel némileg csillapított változata. A csillapítás mértéke a háromportos példán látható módon fejezhető ki. A háromportos változatban az eszközön belül végződtetett leválasztott port a négyportos változatban ki van vezetve, és a rajta megjelenő jel egyenesen arányos a reflektált jellel. A rajzjeleken nyilak jelzik a jelösszetevők haladási irányát. A négyportos kialakításban például a bemeneti port a csatolt portra van irányítva, ami azt jelzi, hogy ez fogadja a haladó jelösszetevőt, míg a kimeneti port a leválasztott portra van kötve, amely a reflektált jelet jeleníti meg. A portok számozására nincsenek szabványok, így azok gyártónként eltérőek lehetnek. A portok megnevezése a különféle gyártók esetében már egységesebb.
A csatolók szimmetrikus eszközök, és a bekötések felcserélhetők. A háromportos eszköz esetében a bemeneti és kimeneti port megcserélése esetén a harmadik port leválasztott porttá válik. A négyportos eszköz esetében a bemeneti és kimeneti port megcserélése esetén felcserélődik a csatolt és a leválasztott port.
A csatoló kimenőjelei rádiófrekvenciás jelek. A csatolt és a leválasztott port kimenőjelei általában egy csúcsérték- vagy effektívérték- (RMS-) érzékelőre vannak kapcsolva, amely a haladó és a reflektált teljesítményszinttel arányos alapsávi jelet állít elő.
Az iránycsatoló és a hozzá kapcsolódó érzékelők kombinációját visszaverődés-mérőnek vagy reflektométernek nevezik.
Bizonyos esetekben két iránycsatolót keresztbe kapcsolnak egymással, amelyek így kettős iránycsatolót alkotnak. Ennek célja, hogy minimálisra csökkentsék a csatolt és a leválasztott port közti szivárgást.

2. ábra  A rádiófrekvenciás transzformátoros iránycsatoló-kapcsolás két rádiófrekvenciás transzformátort használ a főág haladó és reflektált jelösszetevőinek érzékelésére (forrás: Digi-Key Electronics)

Az iránycsatolók főbb jellemzői

Az iránycsatolók főbb jellemzői közé tartozik például a sávszélesség, a névleges bemeneti teljesítmény, a beiktatási csillapítás, a frekvenciaegyenletesség, a csatolási együttható, az irányhatás, a leválasztás és a maradék feszültség-állóhullámarány (maradék VSWR).

• Sávszélesség: A csatoló sávszélessége az a frekvenciatartomány [Hz], amelyen belül a csatoló a megadott műszaki adatokkal, rendeltetésszerűen működik.

• Névleges bemeneti teljesítmény: A csatolóknak van egy megengedett legnagyobb névleges bemeneti teljesítményük [W], mind folyamatos hullámformákra (CW), mind impulzusszerű bemenőjelekre nézve. Ezek a megengedett legnagyobb teljesítményszintek, amelyeket az eszköz teljesítményromlás és fizikai károsodás nélkül képes elviselni.

• Beiktatási csillapítás: Az eszköznek a fő jelátviteli útvonalba való behelyezése (beiktatása) miatt fellépő teljesítményveszteség [dB].

• Frekvenciaegyenletesség: A frekvenciaegyenletesség a kimeneti jel amplitúdójának változása [dB] az eszköz teljes megadott sávszélességén belül a bemenőjel frekvenciaváltozásának függvényében.

• Csatolási együttható vagy csatolási tényező: A bemeneti teljesítmény és a csatolt porton megjelenő teljesítmény aránya [dB], amikor a csatoló minden porton megfelelően van lezárva. Ez az iránycsatoló egyik legfontosabb jellemzője. Ez a paraméter a csatolt port kimenőjele, illetve a bemenet és a kimenet közti közvetlen jelátviteli útvonalon megjelenő teljesítményszint közötti arányt fejezi ki. A csatolt kimenet más műszerekre, például oszcilloszkópra is köthető annak veszélye nélkül, hogy túlterhelnénk a műszert.

• Leválasztás: A bemeneti porton és a leválasztott porton mért teljesítmény aránya [dB], amikor az összes port megfelelően van bekötve.

• Irányhatás: A csatolt porton és a leválasztott porton mért teljesítmény aránya [dB], amikor az összes port megfelelően van bekötve. Háromportos csatoló esetén két teljesítménymérés történik: egy a normál előremenő irányban, és egy a bemeneti és kimeneti portot felcserélve. Ez az adat a haladó és a reflektált jelösszetevők elkülönítésének mértéke. Általában véve minél nagyobb az irányhatás, annál jobb a csatoló teljesítménye. Az irányhatás közvetlenül nem mérhető, a leválasztás és a fordított irányú leválasztás mért értékéből számítható ki.

• Maradó feszültség-állóhullámarány (maradó VSWR): az olyankor mért állóhullámarány, amikor a csatoló minden portja megfelelően van bekötve. Ez a csatoló saját impedanciaillesztésének mértéke.

Az iránycsatolók főbb kapcsolásai (topológiái)

Iránycsatolókat többféleképpen ki lehet alakítani. A három legelterjedtebb kapcsolás a rádiófrekvenciás transzformátoros, az ellenálláshidas és a csatolt jelátviteli vonalas iránycsatoló. A rádiófrekvenciás transzformátoros kapcsolás két rádiófrekvenciás transzformátort használ (2. ábra). Itt a T₁ transzformátor érzékeli a bemenet és a terhelés közötti főág áramerősségét. A második, T₂ transzformátor a főág és a földpont közötti feszültséget érzékeli. A csatolási tényező a transzformátor N menet-számáttételétől függ.
Az ilyen fajta iránycsatoló hatása a csatolt vonalon az egyes transzformátorokban külön-külön indukált feszültségek kombinálásával, majd az eredmények összeadásával elemezhető (3. ábra). A V_in a haladó feszültség, míg a V_L a reflektált feszültség. 
Az áramérzékelő transzformátornak a csatolt (V_F’) és a leválasztott (V_R’) port csatolt vonalához való hozzájárulása a felső rajz alapján számítható ki, a feszültségérzékelő transzformátort a rajzról eltávolítva. Ehhez hasonlóan a feszültségérzékelő transzformátornak a hozzájárulása ezekhez a portokhoz (V_F” és V_R”) az alsó rajz alapján, az áramérzékelő transzformátort a rajzról eltávolítva számítható ki. A csatolt porton megjelenő feszültséget (V_F) a V_F’ és a V_F” összegeként kapjuk:

V_F = V_F’ + V_F’’ = (V_In – V_L)/2*N + (V_In + V_L)/2*N = V_In/N

1. egyenlet

A csatolt porton mérhető feszültség a bemeneti feszültség osztva a transzformátor menetszámáttételével.
Ehhez hasonlóan a V_R’ és a V_R” összege adja a leválasztott porton megjelenő feszültséget:

V_R = V_R’ + V_R’’= (V_In – V_L)/2*N – (V_In + V_L)/2*N = –V_L/N

2. egyenlet

3. ábra  A transzformátoros iránycsatoló elemzése azáltal, hogy a két transzformátor mekkora feszültséggel járul hozzá külön-külön a csatolt vonalhoz (forrás: Digi-Key Electronics)

A leválasztott port feszültsége a reflektált feszültség osztva a transzformátor menetszámáttételével, negatív előjellel. A negatív előjel azt jelzi, hogy a reflektált feszültség 180° fáziseltolású a haladó feszültséghez képest.
Az ilyen fajta iránycsatoló teljesítménye széles frekvenciatartományban jó, amint az a M/A-Com MACP-011045 jelű terméke esetében látható, amelynek a sávszélessége 5 MHz-től 1225 MHz-ig terjed. Ennek a transzformátoros csatolónak a csatolási tényezője 23 dB, és a névleges teljesítménye 10 W. A leválasztás frekvenciafüggő, 45 dB (30 MHz alatt) és 27 dB (1 GHz fölött) között változik. Felületszerelt kivitelű, 6,35 mm × 7,11 mm × 4,1 mm méretű tokban kapható, így a legtöbb vezeték nélküli készülékben használható.

4. ábra  Példa csatolt jelátviteli vonalas kettős iránycsatolóra. A vonalak általában a tervezett középfrekvencia negyed hullámhosszának megfelelő méretű szakaszok (forrás: Digi-Key Electronics)

A csatolt jelátviteli vonalas csatolók koaxiális kábeleket vagy nyomtatott áramkörös jelátviteli vonalakat használnak. Ez a mechanizmus két vagy több jelátviteli vonalnak ad helyet, általában negyed hullámhossznyi hosszban, annyira közel elhelyezve egymáshoz, hogy kismértékű, szabályozott értékű jelteljesítmény szivárog át a főágból egy vagy több csatolt vonalba (4. ábra). A bemenőjelet az 1. portra kapcsoljuk, míg a teljesítmény legnagyobb része a 2. portra kötött terhelésre jut. Kismértékű teljesítmény a 3. és 4. portra kötött szekunder vonalakra is átcsatolódik. A 3. port a csatolt port. Ott a teljesítményszint a ráadott teljesítmény állandó százaléka. A csatolt porton megjelenő teljesítményt a csatolt vonalak geometriai kialakításától függő csatolási tényező határozza meg. A reflektált teljesítmény a 4., leválasztott portra van csatolva.

5. ábra  Az Analog Devices cég ADL5920 jelű effektívérték- (RMS-) és feszültség-állóhullámarány- (VSWR-) érzékelőjében használt kétirányú hídkapcsolás egyszerűsített rajza. A megfelelően bekötött csatlakozók esetén az irányhatás számított értéke 33 dB (forrás: Analog Devices)

Az Anaren cég 11302-20 jelű terméke egy jellegzetes csatolt jelátviteli vonalas, a 190…400 MHz tartományban működő, maximum 100 W teljesítmény kezelésére alkalmas iránycsatoló. Névleges csatolási tényezője 20 dB, 0,3 dB beiktatási csillapítás mellett. Az eszköz egy 16,51 mm × 12,19 mm × 3,58 mm méretű, felületszerelt tokban van elhelyezve, és mérsékelt teljesítményű adóegységek teljesítményszintjének figyelésére és feszültség-állóhullámarányának (VSWR) mérésére szánták. Az ilyen fajta csatolók méretei a frekvenciatartománytól függőek. Kisebb üzemi frekvencián a hosszat növelni kell, ezért az ilyen eszközöket általában UHF vagy még nagyobb frekvenciákhoz használják, ahol a méretek már kellően kicsik lehetnek.
Az utolsó iránycsatoló kapcsolás az ellenállásos iránycsatoló híd, egy hagyományos Wheatstone-hídra épülő áramkör. Ilyen kapcsolást használ az Analog Devices cég ADL5920 jelű effektívérték- (RMS-) és feszültség-állóhullámarány- (VSWR-) érzékelője (5. ábra).
Az ADL5920 ellenálláshidat használ a haladó és a reflektált feszültségnek a jelátviteli vonalban való elválasztására. A bemutatott számítás az eszköz elméleti irányhatását mutatja kis frekvenciákon, megfelelően bekötött csatlakozók esetén. Az eredményül kapott irányhatásérték 33 dB. A híd V_REV (reflektált) és a V_FWD (haladó) kimeneti feszültsége a 60 dB dinamikus tartományú effektív- (RMS-) érzékelő bemenetére kerül. Az érzékelő dB-ben lineáris értéket mér. A haladó és a reflektált kimenőjel különbségéből adódó harmadik kimenőjel a visszaverődési csillapítás dB-ben mért értékével arányos feszültséget eredményez. A hídkapcsolású csatoló 9 kHz és 7 GHz közötti frekvenciatartományt fed le 33 dBm (2 W) névleges teljesítménnyel, 50 Ω illesztett terhelés esetén.

6. ábra  Az ADL5920-EALZ értékelőkártya kapcsolási rajza az Analog Devices ADL5920 jelű kétirányú effektív- (RMS-) és feszültség-állóhullámarány- (VSWR-) érzékelőjének jellegzetes kapcsolásával (forrás: Analog Devices)

A beiktatási csillapítás 0,9 dB (10 MHz-en) és 2 dB (7 GHz-en) között változik. Az eszköz felületszerelt, 5 mm × 5 mm-es, 0,75 mm vastag tokban van elhelyezve.
Az Analog Devices egy értékelőkártyát is kínál az ADL5920 jelű termékhez, ez az ADL5920-EVALZ. A kártya teljes felszereltségű, és 5 V feszültségű, 200 mA terhelhetőségű áramellátást igényel.
A be- és kimenetek – akárcsak az elsődleges kimenetek – 2,92 mm-es csatlakozókon át érhetők el. A kapcsolási rajz az ADL5920 jelű eszköz jellegzetes kapcsolását mutatja (6. ábra). A kártya ideális megoldást jelent az ADL5920 minimális ráfordítással való kipróbálásához.
Az iránycsatoló ellenálláshidas kialakítása kínálja a legnagyobb frekvenciatartományt, egészen le az egyenáramhoz nagyon közeli frekvenciákig. A transzformátoros és jelátviteli vonalas megoldásoknak korlátozottabb a sávszélessége, de mindkettő magasabb teljesítménykorlátokkal rendelkezik.
Mindegyik eszköz használható a bemeneti teljesítmény jelfigyelő áramköreiben való felhasználásra szánt jelminta kicsatolására. Az eredményül kapott minta mérhető, meghatározható a teljesítményszint, a frekvencia és a moduláció hagyományos műszerekkel, például oszcilloszkóppal vagy spektrumanalizátorral. Az adatok egyesíthetők is a kimenőjelet a kívánt határok között tartó visszacsatoló szabályozóhurok részeként.
A terhelésen uralkodó állapotokat a feszültség-állóhullámarány (V_SWR) mutatja. A terhelés feszültség-állóhullámaránya a csatolt porton és a leválasztott porton jelentkező, a haladó és a reflektált feszültséget jelképező kimenőjel felhasználásával számítható ki.

V_SWR = (V_FWD + V_REF)/ (V_FWD – V_REF) (FWD = haladó, REF = reflektált)

3. egyenlet

A visszaverődési csillapítás a feszültség-állóhullámarányból (VSWR) számítható ki:

Visszaverődési csillapítás [dB] = –20 log₁₀ ((V_SWR–1)/(V_SWR+1))

4. egyenlet

Összefoglalás

Azzal, hogy képes a rádiófrekvenciás teljesítményszinteknek nemcsak az amplitúdó szerint méretezett nézetét megmutatni, hanem szét tudja választani a haladó és a reflektált jelösszetevőket is, és így segít meghatározni a terhelés adatait, az iránycsatoló hasznos mérőeszköz lehet a rádiófrekvenciás rendszereket tervezők számára. Amint fentebb bemutattuk, a csatolóknak háromféle elterjedt kapcsolása létezik, amelyek vezetéknélküli készülékekben is használható kis méretű tokokban kínálják ezeket a lehetőségeket.

Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

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