Jak zjistit vlastnosti RF zátěže (antény) v širokém frekvenčním rozsahu? Jak sledovat změny zátěže a stojaté vlny a zabránit vysokému odraženému výkonu a poškození zesilovače? Zmíněné otázky se dají vyřešit pomocí směrových vazebních členů vložených do přenosové soustavy. Směrové vazební členy umožňují přesné monitorování vysokofrekvenční energie, která proudí ve vedení. Jsou schopny rozlišovat mezi výkonem přímé a odražené vlny a umožňují sledovat ztráty nebo stojaté vlny. Tím poskytují důležitou zpětnou vazbu o změnách zátěže.

Tento článek popisuje funkce směrových vazebních členů od Anaren, M / A-Com a Analog Devices, jejich typické vlastnosti a ukáže, jak je efektivně využívat v praxi.

Co je to směrový vazební člen?

Směrový vazební člen je měřící zařízení, které je vloženo do přenosového vedení mezi RF zdroj (signální generátor, analyzátor vektorové sítě nebo vysílač) a zátěž. Někdy se nazývá směrová vazební odbočnice. Při tomto odbočení, ale nesmí vnášet žádné odrazy či tlumení signálu. Pro směrové odbočnice se také používá název směrový vazební člen, který se používají např. v děličích výkonu, směšovačích a dalších mikrovlnných obvodech. Vlastnosti mikrovlnných směrových odbočnic jsou pak dány tvarem odbočnice a také jejími rozměry, jako je šířka a délka mikropásků, ze kterých je odbočnice zkonstruována. Směrové odbočnice mohou mít různý tvar, ale jejich hlavní vlastnost (odbočit mikrovlnný signál) musí být stále u všech stejná.

Směrový vazební člen měří RF energii ze zdroje do zátěže – energie přímé vlny i energii odražené vlny – od zátěže ke zdroji. Znalost přímé a odražené energie umožňuje výpočet celkového výkonu, útlumu a stojaté vlny. Směrové vazební členy jsou buď čtyř-portové nebo tří-portové součástky (obrázek 1).

Obrázek 1: Schematické symboly pro tři-portový (vlevo) a čtyři portový směrový vazební člen (vpravo). (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Zdroj RF signálu se přivede obvykle na vstupní port vazebního členu a zátěž na výstupní nebo též vysílací port. Na Coupled port 3 je vyveden signál o 20dB nižší než přímí signál. Hodnota zeslabení může být i jiná, ale je vždy uvedena na vazebním členu.

Izolovaný port ve verzi se čtyřmi porty je přímo úměrný odraženému signálu. Šipky ve schematickém symbolu ukazují cestu signálu. Například ve verzi se čtyřmi porty je vstupní port svázán s Coupler portem, který snímá přímou vlnu a výstupní port je svázán s Isolated portem, který snímá odraženou vlnu. Čísla portů nejsou standardizována a mohou se lišit dle výrobce. Názvosloví portů jsou zažitá a není obvyklé, aby se lišila.

Zjednodušeně se na směrový vazební člen můžeme podívat jako na čtyřbran, kde jedna (obvykle první) brána je vstupní (budící), dvě brány jsou výstupní (výstupní výkon na kmitočtu návrhu je přesně definován pomocí vazebního a vložného útlumu), do čtvrté brány ideálně neproniká žádný výkon (u reálné odbočnice je tato brána impedančně zakončena kvůli bezodrazovosti).

Výstupy Coupler a Isolated jsou obvykle připojeny k detektoru špiček nebo RMS úrovně. Tento detektor je schopen spolehlivě měřit úroveň výkonu přímé a odražené vlny, aniž by docházelo k ovlivnění přenosového vedení. Kombinace směrového vazebního členu a přidruženými detektory se nazývá reflektometr.

Parametry směrového vazebního členu

Směrový vazební člen je specifikován několika klíčovými parametry jako je šířka pásma, jmenovitý příkon, vložný útlum, frekvenční rovinnost, vazební útlum, směrovost, izolace a zbytkové napětí stojaté vlny (VSWR).

• Šířka pásma: šířka pásma udává frekvenční rozsah v Hz, ve kterých je schopen vazební člen pracovat.
• Jmenovitý příkon: Jedná se o maximální úroveň výkonu, který může vazební člen zpracovávat bez ovlivnění funkce nebo fyzického poškození.
• Vložný útlum: Popisuje ztrátový výkon vyjádřený v decibelech (dB) v důsledku vložení do hlavní přenosové cesty.
• Frekvenční rovinnost: Frekvenční rovinnost určuje kolísání amplitudy v dB v závislosti na kolísání kmitočtu vstupního signálu.
• Vazební útlum: je poměr vstupního výkonu k výkonu na vazebním portu (Coupled port) v dB, je-li vazební člen správně ukončen na všech portech. Je to jeden z hlavních charakteristik vazebního členu Izolace: vyjadřuje nežádoucí pronikání energie na „izolovaný výstup“, jeli v hlavním vlnovodu jen postupná vlna.
• Směrovost: je definována jako logaritmus poměru výkonu vln, které se šíří ve vedlejším vlnovodu v opačném směru, je-li v hlavním vlnovodu jen postupná vlna. Obecně platí, že čím vyšší je směrovost, tím vyšší je výkon vazebního členu. Směrovost nelze měřit přímo, ale je vypočítána na základě měření izolace a reverzní izolace.
• Zbytkový VSWR: "Voltage Standing Wave Ratio". Poměr přenášeného a odraženého signálního napětí, která se měří podél dráhy přenosu.

Topologie směrového vazebního členu

Konstrukci vazebního členu lze provést několika způsoby. Tři nejběžnější topologie jsou pomocí RF transformátoru, rezistorového můstku nebo vázané přenosové linky. Topologie pomocí RF transformátoru používá dva RF transformátory (obrázek 2). Transformátor T₁ snímá proud v hlavní linii mezi vstupem a zátěží. Druhý transformátor T₂ snímá napětí na hlavní trati vzhledem k zemi. Vazební útlum je dán poměrem závitů N.

Obrázek 2: Topologie s RF transformátory používá dva transformátory pro snímání přímé a odražené vlny. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Směrový vazební člen lze analyzovat kombinací napětí indukovaného na hlavní a vazební linii a poté sečtením výsledků (Obrázek 3). V_in je přímé napětí a V_L je odražené napětí.

Obrázek 3: Analýza vazebního transformátoru se provádí zvlášť na přímé a vazební linii. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

První schéma na obrázku 3 je určeno pro odvození příspěvku proudu transformátoru snímajícího proud ve vazební linii (Coupled port V_F´a Isolated port V_R´), kdy je odstraněn napěťový transformátor. Podobně je vypočítán napěťový příspěvek transformátoru, dle rovnice uvedené ve spodním schématu V_F“a V_R“. Výsledné napětí V_F je dán součtem V_F’ a V_F.

 Rovnice (1)

Výsledné napětí na coupled portu je vstupní napětí vyděleno poměrem závitů transformátoru. Podobně se vypočítá napětí VR´, které je dáno součtem VR‘ a VR“.

  Rovnice (2)

Napětí na izolované portu je mínusová hodnota odraženého napětí vyděleno poměrem závitů transformátoru. Záporné znaménko ukazuje, že odražené napětí je fázově posunuto o 180°.

Výkon tohoto typu směrového vazebního členu je stabilní v širokém frekvenčním rozsahu. Příkladem je směrový vazební člen M/A-Com MACP-011045, který má šířku pásma od 5 do 1225 MHz. Vazební útlum (faktor) má 23 dB a příkon 10 wattů. Izolace je frekvenčně závislá a pohybuje se od 45 dB pro frekvence pod 30 MHz a 27 dB pro frekvence nad 1 GHz. Jeho SMD pouzdro má rozměry 6,35mm x 7,11mm x 4,1mm.

Obrázek 4: Příklad duálního směrového vazebního členu. Linky jsou obvykle čtvrtinové vlnové délky středové frekvence. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Vstup je na portu 1 a většina energie se dodává do zátěže připojené na portu 2. Malé množství energie je vázáno k sekundární lince připojené k portu 3 a 4. Port 3 je vazební port.

Anaren 11302-20 je vazební člen pokrývající frekvenční rozsah 190 až 400 MHz a je schopen pracovat až se 100 watty. Vazební útlum je 20 dB a ztráty jsou 0,3 dB. Jeho rozměry jsou 16,51 x 12,19 x 3,58 mm a je určen k monitorování úrovně výkonu a měření VSWR pro vysílače s menším výkonem. Rozměry tohoto typu vazebního členu se odvíjí od frekvenčního rozsahu, a proto se obvykle používají pro UHF pásmo a vyšší frekvence. Poslední směrová vazební topologie je směrový můstek (Wheatstonův můstek). Tato topologie se používá ve vazebním členu ADL5920 RMS od Analog Devices a VSWR detektoru (Obrázek 5).

Obrázek 5: Zjednodušené schéma obousměrného můstku používaného v detektoru Analog Devices ADL5920 RMS a VSWR detektoru. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

ADL5920 používá odporový můstek k oddělení přímé a odražené vlny na přenosovém vedení. Výpočet znázorňuje teoretickou směrovost zařízení pro nízké frekvence s jmenovitým ukončení. Výsledkem je směrovost 33 dB. Výstupy V_REV a V_FWD z můstku jsou vedeny do detektoru RMS s 60dB dynamického rozsahu. Výstupy z detektoru jsou lineární v dB.

Třetí výstup je odvozen z rozdílu přímého a odraženého signálu a vytváří napětí úměrné ke zpětnému útlumu v dB. Můstek pokrývá frekvenční rozsah od 9 kHz do 7 GHz s výkonem 33 dBm (2 W) pro 50 ohm (Ω) zátěž. Vložený útlum se pohybuje od 0,9 dB při 10 MHz do 2 dB při 7 GHz. ADL5920 má velikost 5 x 5 mm a jeho tloušťka je pouhých 0,75 mm.

Analog Devices nabízí vývojovou desku ADL5920-EVALZ. Ta obsahuje vše potřebné pro prozkoumání směrového vazebního členu ADL5920 a vyžaduje pouze zdroj napájení 5 V, který je schopen dodat proud 200 mA. Vstupy a výstupy jsou k dispozici prostřednictvím 2.92 mm konektorů. Typické zapojení pro ADL5920 je na obrázku 6. Vývojová deska je ideální nástroj pro vyzkoušení ADL5920 s minimálním úsilím.

Obrázek 6: Schéma vývojové desky ADL5920-EALZ obsahuje ADL5920 RMS a detektor PSV. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Směrový vazební člen díky odporovému můstku nabízí nejširší frekvenční rozsah. Řešení pomocí transformátoru a přenosové linky mají více omezenou šířku pásma, ale jsou schopné pokrýt větší výkon.

Každý z těchto řešení může být použito k monitoringu signálu ve vysokofrekvenčních obvodech. Výstupní signál je pak přiveden k osciloskopu nebo spektrálnímu analyzátoru k měření výkonu, frekvence nebo analýzu modulace. Naměřené hodnoty mohou být použity jako část zpětnovazební smyčky, která nastavuje výstup v požadovaném rozmezí.

Poměr přenášeného a odraženého signálního napětí VSWR může být vypočten použitím vazebního portu a izolovaného portu, které představují přímí a odražený signál.

 Rovnice (3)

Zpětný útlum lze vypočítat z PSV:

  Rovnice (4)

Závěr

Směrový vazební člen je užitečný měřící přístroj, který se využívá při vývoji RF obvodů. Poskytuje nejen důležité informace o amplitudě, ale také odděluje přímí a odražený signál. Tím dochází k lepší charakterizaci zátěže. Tři běžně používané vazební topologie jsou k dispozici ve formě kompaktních součástek v miniaturních rozměrech.

Článek vyšel v originále "The Fundamentals of RF Directional Couplers and How to Use Them Effectively" na webu DigiKey.com, autorem je Art Pini.