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來(lái)源：Digi-Key 作者：Steven Keeping 地球周?chē)目臻g正在迅速填滿(mǎn)，未來(lái)十年內還將發(fā)射數千顆新衛星。這給衛星通訊設計人員帶來(lái)了兩方面的壓力。首先，傳統的 L、C 和 X 頻帶衛星通訊可用帶寬正在迅速消耗。其次，商用衛星制造商希望他們的產(chǎn)品更輕、發(fā)射成本更低。 衛星通訊設計人員正在應對射頻帶寬的不足，將通訊從傳統的衛星頻帶轉移到更高頻率的射頻頻帶，如 Ku（12 至 18 GHz）。Ku 頻帶的吞吐率可能更大，而且不易造成擁堵。針對最小尺寸、重量、功率和成本 (“SWaP-C”) 要求，設計人員正在使用先進(jìn)的封裝表面貼裝器件 (SMD) 構建衛星的關(guān)鍵元件，如天線(xiàn)陣列。 本文概述了 SMD 功率分配器和定向耦合器的優(yōu)點(diǎn)，它們是用于 Ku 頻帶衛星通訊天線(xiàn)陣列的關(guān)鍵無(wú)源元件。文中以 Knowles Dielectric Labs 器件為例，描述了這些元器件如何滿(mǎn)足當今的低 SWaP 要求，以及設計人員如何利用這些重要元器件的關(guān)鍵性能特征來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)陣列性能。 天線(xiàn)陣列的發(fā)展 近年，衛星和地面基站天線(xiàn)已經(jīng)從單碟形天線(xiàn)發(fā)展為天線(xiàn)陣列。天線(xiàn)陣列包含兩個(gè)或更多元件，每個(gè)元件本質(zhì)上是微型天線(xiàn)。相比傳統天線(xiàn)，衛星通訊應用中采用天線(xiàn)陣列的益處在于： · 更高增益 · 更高信噪比 (SNR) · 傳輸光束可轉向，對特定方向輸入的信號的靈敏度增強 · 更好的分集接收（有助于克服信號衰減） · 天線(xiàn)輻射模式中的旁瓣更小 傳統陣列結構采用 3D 磚配置，該配置包含諸多并排布置的電子組件，其中使用多個(gè)連接器和電纜連接。由此，與單碟形天線(xiàn)相比，天線(xiàn)陣列的體積和復雜性都得以增加。 關(guān)注低 SWaP-C 后，體積和復雜性的問(wèn)題得以解決，因為沒(méi)有采用芯片-導線(xiàn)或混合制造技術(shù)構建的磚結構。新型設計由多個(gè)微帶線(xiàn) 2D 平面元件組成，基于使用 SMD 封裝的 PC 板基底。這種平面配置無(wú)需大量連接器和電纜，改善了 SWaP，同時(shí)提高了可靠性并簡(jiǎn)化了制造（圖 1）。 
圖 1：使用低 SWaP-C 的 SMD 元器件（右）與傳統的 3D 磚組件（左）相比，可以減少衛星通訊天線(xiàn)陣列的體積。（圖片來(lái)源：Knowles DLI） SMD 不僅大大減小了天線(xiàn)陣列的體積，而且還能使用單一自動(dòng)裝配線(xiàn)，與傳統的芯片-導線(xiàn)或混合方法相比，大大降低了生產(chǎn)成本。SMD 組件也有助于加速產(chǎn)品上市。 這些進(jìn)展得益于新一代的 SMD 元器件，后者能在太空中以高頻率可靠地工作。這些器件采用創(chuàng )新的電介質(zhì)、緊公差、薄膜制造和新穎的微帶線(xiàn)拓撲結構，以提供高性能/封裝比。 關(guān)鍵天線(xiàn)陣列元器件：功率分配器 天線(xiàn)陣列中一個(gè)關(guān)鍵的無(wú)源 SMD 是功率分配器。單獨的功率分配器將輸入信號分成兩個(gè)或更多信號，分配到陣列中的天線(xiàn)元件上。最簡(jiǎn)單的功率分配器將輸入功率（除去電路損耗）均勻分配到每條輸出支路上，其他形式的功率分配器按比例將輸入功率分配到輸出支路。 功率分配器有多種配置，但對于高頻應用，功率分配器通常采取微帶線(xiàn)型威爾金森設計（圖 2）�；A型分配器的每條支路測量輸入射頻信號的四分之一波長(cháng)。例如，對于中心頻率為 15 GHz 的輸入信號，每條支路的長(cháng)度為 5 mm。支路作用相當于四分之一波長(cháng)阻抗變壓器。 隔離電阻器可用于匹配輸出端口；由于輸出端口之間的電位為零，電流不會(huì )流過(guò)電阻器，所以不會(huì )造成電阻損耗。此外，即使反向使用器件（作為功率組合器），電阻器也可提供出色隔離能力，從而限制各通道之間的串擾。
圖 2：基礎型威爾金森功率分配器使用兩個(gè)四分之一波長(cháng)阻抗變壓器和一個(gè)隔離電阻器來(lái)匹配輸出端口。端口 2 和 3 各為端口 1 提供一半的輸入功率。（圖片來(lái)源：Knowles DLI） 為了限制功率分配時(shí)的損耗，功率分配器的兩個(gè)輸出端口必須各自提供 2 Zo 的阻抗。（2 個(gè) Zo 并聯(lián)將提供 Zo 的全部阻抗）。 有關(guān) R = 2 Zo 時(shí)的平均功率分布：
其中： R = 兩個(gè)端口之間連接的端接電阻器的數值 Zo = 整個(gè)系統的特征阻抗 Zmatch = 功率分配器支路中四分之一波長(cháng)變壓器的阻抗 散射矩陣（S 矩陣）包含散射參數，這些參數用于描述射頻線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )（如威爾金森功率分配器）的電氣性能。圖 3 展示了圖 2 中簡(jiǎn)單功率分配器的 S 矩陣。
圖 3：圖 2 中威爾金森功率分配器的散射矩陣（S 矩陣）。（圖片來(lái)源：Steven Keeping） S 矩陣的主要特征包括： · Sij = Sji（表明威爾金森功率分配器也可用作組合器） · 端子匹配（S11、S22、S33 = 0） · 輸出端子已隔離（S23、S32 = 0） · 功率平均分配（S21=S31） 當端口 2 和 3 的信號同相且幅度相等時(shí)，損耗最小。理想的威爾金森功率分配器提供 S21 = S31 = 20 log10(1/√2) = (-)3 分貝 (dB)（即每個(gè)輸出端口提供一半輸入功率）。 微帶線(xiàn)威爾金森功率分配器是低 SWaP-C 天線(xiàn)陣列應用的理想解決方案。Ku 頻帶的商用選擇包括 Knowles Dielectric Labs 的 PDW06401 16 GHz 雙向威爾金森功率分配器。Knowles 擁有電介質(zhì)和薄膜制造專(zhuān)有知識，能夠制造出低損的緊湊型 SMD，用于 Ku 頻帶衛星通訊天線(xiàn)陣列。 PDW06401 尺寸為 3 x 3 x 0.4 mm，使用低損耗材料，溫度范圍廣，可最大程度地減少性能變化。該封裝的特征阻抗 (Z0) 符合 50 歐姆 (Ω) 的要求，以最大程度地降低電壓駐波比 (VWSR)，從而最大程度地減少高頻射頻系統的回波損耗。該器件的標稱(chēng)相移為零，振幅平衡為 ±0.25 dB，相位平衡為 ±5°。過(guò)度插入損耗為 0.5 dB。圖 4 展示了 PDW06401 功率分配器的頻率響應。
圖 4：PDW06401 功率分配器頻率響應。RL 代表端子匹配（S11、S22 等），Iso 是輸出端口之間的隔離（S23、S32），IL 是輸出功率（S21、S31）。（圖片來(lái)源：Knowles DLI） 功率分配器的回波損耗、隔離、振幅平衡和相位平衡特征對天線(xiàn)陣列的性能至關(guān)重要，體現在以下方面： · 產(chǎn)品的回波損耗要低，因為損耗較大會(huì )直接影響最大傳輸/接收的光束能量。 · 產(chǎn)品隔離性要高，因為這會(huì )影響天線(xiàn)陣列中信號路徑之間的隔離，并提高其增益。 · 器件的振幅平衡應接近 0 dB，它會(huì )影響天線(xiàn)的振幅性能和有效全向輻射功率 (EIRP)。 · 器件的相位平衡應接近 0° 相差，這樣可促進(jìn)最大功率傳輸，并確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的所有分支達到預期相長(cháng)。相位不平衡過(guò)大會(huì )降低 EIRP，并可能改變波束形成天線(xiàn)陣列的輻射模式。 關(guān)鍵天線(xiàn)陣列元器件：定向耦合器 定向耦合器是天線(xiàn)陣列中另一種發(fā)揮重要作用的元器件，它能持續測量陣列元件的發(fā)射和接收功率。定向耦合器是無(wú)源器件，將已知的發(fā)射或接收功率耦合到另一個(gè)端口，以便進(jìn)行測量。耦合時(shí)通常將兩根導線(xiàn)相互靠近，從而使得經(jīng)過(guò)一條線(xiàn)的能量耦合到另一條線(xiàn)。 該器件有四個(gè)端口：輸入、傳輸、耦合和隔離。主傳輸線(xiàn)位于端口 1 和 2 之間。隔離端口端接有內部或外部匹配的負載（通常為 50 Ω），而耦合端口 (3) 用于分接耦合能量。耦合端口通常只提供主線(xiàn)的一小部分能量，并且通常配有一個(gè)較小的連接器，以區別于主線(xiàn)端口 1 和 2。耦合端口可用于獲取信號功率水平和頻率信息，而不中斷系統中的主要功率流。進(jìn)入傳輸端口的功率流向隔離端口，不影響耦合端口的輸出（圖 5）。
圖 5：功率分配器的耦合端口 (P3) 向輸入端口 (P1) 傳遞部分功率，其余部分傳遞至傳輸端口 (P2)。隔離端口 (P4) 端接有內部或外部匹配的負載。（圖片來(lái)源：維基百科的 Spinningspark） 耦合器的關(guān)鍵特征是耦合系數。 耦合系數定義為：
最簡(jiǎn)單的耦合器采用直角拓撲結構，即耦合線(xiàn)在輸入信號的四分之一波長(cháng)時(shí)相鄰運行（例如，15 GHz 信號為 5 mm）。這類(lèi)耦合器通常在端口 3 產(chǎn)生一半的輸入功率（即耦合系數為 3 dB），在傳輸端口的功率也減少 3 dB。（圖 6）。
圖 6：最簡(jiǎn)單的定向耦合器的耦合線(xiàn)在輸入信號頻率的四分之一波長(cháng)時(shí)相鄰運行。（圖片來(lái)源：維基百科的 Spinningspark） 與功率分配器一樣，定向耦合器的有些關(guān)鍵特征會(huì )影響天線(xiàn)陣列性能。這些特征包括： · 應盡量減少主線(xiàn)損耗以提高天線(xiàn)陣列增益。這種損耗是由于主線(xiàn)的電阻加熱造成的，與耦合損耗無(wú)關(guān)。主線(xiàn)總損耗為電阻加熱損耗加耦合損耗。 · 耦合損耗是由于能量轉移到耦合端口和隔離端口而導致的功率下降。假設有合理的指向性，相比有意轉移到耦合端口的功率，無(wú)意轉移到隔離端口的功率應該可以忽略不計。 · 應當最大程度地減少回波損耗�；夭〒p耗是對定向耦合器返回或反射的信號量的度量。 · 應當最大程度地減少插入損耗。插入損耗是無(wú)定向耦合器的測試配置中信號電平與含該元器件時(shí)的信號電平的比率。 · 應當最大程度地增加隔離性。隔離是輸入端口和隔離端口之間的功率水平差。 · 應當最大程度地提高指向性。指向性是定向耦合器端口 3 和端口 4 之間的功率水平差，與隔離有關(guān)。指向性是對耦合端口與隔離端口的獨立性的度量。 雖然射頻定向耦合器可以用各種技術(shù)實(shí)現，但微帶線(xiàn)類(lèi)型因體積小巧而在低 SWaP-C 衛星通訊應用中備受青睞。例如 Knowles 的 FPC06078 定向耦合器。這是一個(gè) SMD 微帶線(xiàn)器件，尺寸為 2.5 x 2.0 x 0.4 mm。工作溫度范圍為 -55°C 至 +125°C，特征阻抗為 50 Ω。 雖然耦合系數與頻率有關(guān)，但優(yōu)質(zhì)定向耦合器的耦合頻率響應相對平坦。下圖 7 中，Knowles 器件的標稱(chēng)耦合系數為 20 dB，在 12 至 18 GHz 的工作范圍內僅變化 2 dB。FPC06078 定向耦合器的插入損耗為 0.3 dB，最小回波損耗為 15 dB。該器件的指向性為 14 dB（圖 8）。
圖 7：所示為 FPC06078 定向耦合器的頻率響應。該器件的標稱(chēng)耦合系數為 -20 dB，插入損耗低至 0.3 dB。（圖片來(lái)源：Knowles DLI）
圖 8：所示為 FPC06078 定向耦合器的指向性圖。為了提高天線(xiàn)陣列性能，應最大程度地提高與隔離有關(guān)的指向性。（圖片來(lái)源：Knowles DLI） 總結 設計人員目前采用緊湊型 SMD 無(wú)源元器件，來(lái)響應衛星通訊應用中對低 SWaP-C 的需求。例如用于制造衛星天線(xiàn)陣列的功率分配器和定向耦合器。 設計人員通過(guò)選擇優(yōu)質(zhì)的緊湊型 SMD 無(wú)源器件，可以為衛星通訊應用實(shí)現更高頻率的射頻頻帶。此類(lèi)器件采用微帶線(xiàn)結構和具有高介電能力的陶瓷材料，因此能夠提供優(yōu)異的性能。此外，全新一代 SMD 功率分配器和定向耦合器使設計人員能夠設計出更小、更輕的天線(xiàn)陣列，同時(shí)提高天線(xiàn)的增益并增強波束形成能力。 |
