Implementierung von SWaP-C-Satcom-Antennenarrays mit SMD-Leistungsteilern und Richtkopplern

Von Steven Keeping

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Der Raum um die Erde füllt sich schnell, und im nächsten Jahrzehnt sollen Tausende neuer Satelliten gestartet werden. Das setzt die Entwickler von Satellitenkommunikationssystemen (Satcoms) von zwei Seiten unter Druck. Erstens ist die verfügbare Bandbreite für Satellitenkommunikation in den traditionellen L-, C- und X-Bändern schnell erschöpft. Zweitens wollen die kommerziellen Satellitenbauer, dass ihre Produkte leichter und billiger zu starten sind.

Die Entwickler von Satellitenkommunikation reagieren auf den Mangel an HF-Bandbreite, indem sie die Kommunikation von den traditionellen Satellitenbändern auf höhere Frequenzbänder wie Ku (12 bis 18 Gigahertz) verlegen. Das Ku-Band bietet das Potenzial für einen größeren Durchsatz und ist viel weniger überlastet. Im Hinblick auf die Forderung nach minimaler Größe, Gewicht, Leistung und Kosten („SWaP-C“) reagieren die Konstrukteure, indem sie Schlüsselelemente des Satelliten, wie z. B. die Antennengruppe, unter Verwendung fortschrittlicher oberflächenmontierter Bauelemente (SMDs) bauen.

Dieser Artikel beschreibt die Vorteile von SMD-Leistungsteilern und Richtkopplern, wichtigen passiven Elementen, die in Ku-Band-Satcom-Antennenarrays verwendet werden. In diesem Artikel werden Beispielbauteile von Knowles Dielectric Labs vorgestellt, es wird beschrieben, wie diese Komponenten die heutigen Anforderungen an niedrige SWaP-Werte erfüllen und wie Entwickler die wichtigsten Leistungsmerkmale dieser wichtigen Komponenten nutzen können, um die Leistung von Antennengruppen zu optimieren.

Fortschritte bei Antennenarrays

Jüngste Entwicklungen bei Satelliten- und Bodenstationsantennen haben dazu geführt, dass man von Einzelantennen zu Antennengruppen (Arrays) übergegangen ist. Antennengruppen kombinieren zwei oder mehr Elemente, von denen jedes im Wesentlichen als Miniantenne fungiert. Zu den Vorteilen von Antennengruppen im Vergleich zu einer herkömmlichen Antenne für Satellitenkommunikationsanwendungen gehören:

  • Höhere Verstärkung
  • Erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
  • Lenkbare Sendestrahlen und erhöhte Empfindlichkeit für eingehende Signale aus einer bestimmten Richtung
  • Besserer Breitbandempfang (hilft bei der Überwindung von Signalschwund)
  • Kleinere Nebenkeulen im Strahlungsdiagramm der Antenne

Die herkömmliche Arraystruktur besteht aus einer 3D-Bausteinkonfiguration, die aus nebeneinander angeordneten elektronischen Baugruppen besteht, die über mehrere Anschlüsse und Kabel miteinander verbunden sind. Dies erhöht den Platzbedarf und die Komplexität eines Antennenarrays im Vergleich zu Schüsseln mit nur einer Antenne.

Die Lösung für diese Masse und Komplexität liegt in der Konzentration auf einen niedrigen SWaP-C-Wert, der die ziegelsteinartige Struktur beseitigt, die bei Chip-und-Draht- oder Hybrid-Fertigungstechniken entsteht. Neuere Designs bestehen aus mehreren planaren 2D-Mikrostreifenelementen auf einem Leiterplattensubstrat mit SMD-Gehäuse. Diese planare Konfiguration macht viele Steckverbinder und Kabel überflüssig, was den SWaP-Wert verbessert, die Zuverlässigkeit erhöht und die Herstellung vereinfacht (Abbildung 1).

Bild von SMD-Bauteilen mit niedrigem SWaP-C (rechts) im Vergleich zu einer herkömmlichen 3D-Blockbaugruppe (links)Abbildung 1: Die Verwendung von SMD-Bauteilen mit niedrigem SWaP-C (rechts) ermöglicht eine Verringerung des Volumens von Satcom-Antennenarrays im Vergleich zu einer herkömmlichen 3D-Blockbaugruppe (links). (Bildquelle: Knowles DLI)

SMDs reduzieren nicht nur die Masse des Antennenarrays erheblich, sondern ermöglichen auch die Verwendung einer einzigen automatisierten Montagelinie, was die Produktionskosten im Vergleich zu einem herkömmlichen Chip-und-Draht- oder Hybrid-Ansatz drastisch reduziert. Die SMD-Bestückung trägt auch dazu bei, die Markteinführung zu beschleunigen.

Diese Fortschritte wurden durch eine neue Generation von SMD-Bauteilen ermöglicht, die im Weltraum bei hohen Betriebsfrequenzen zuverlässig funktionieren. Die Bauelemente zeichnen sich durch innovative Dielektrika, enge Toleranzen, Dünnschichtfertigung und neuartige Mikrostreifenleitungstopologien aus, die ein gutes Verhältnis zwischen Leistung und Platzbedarf bieten.

Wichtige Komponenten der Antennengruppe: Leistungsteiler

Ein kritischer passiver SMD in der Antennengruppe ist der Leistungsteiler. Einzelne Leistungsteiler teilen ein eingehendes Signal in zwei oder mehr Signale auf, die dann auf die Antennenelemente des Arrays verteilt werden. In seiner einfachsten Form teilt der Leistungsteiler die Eingangsleistung (abzüglich einiger Schaltungsverluste) gleichmäßig auf jeden Ausgangszweig auf, aber auch andere Formen von Leistungsteilern ermöglichen eine proportionale Aufteilung der Eingangsleistung auf die Ausgangszweige.

Es gibt verschiedene Konfigurationen von Leistungsteilern, aber für Hochfrequenzanwendungen werden Leistungsteiler in der Regel in Form einer Wilkinson-Mikrostreifenleitung ausgeführt (Abbildung 2). In der Grundform misst jeder Zweig des Teilers ein Viertel der Wellenlänge des eingehenden HF-Signals. Bei einem eingehenden Signal mit einer Mittenfrequenz von 15 GHz wäre beispielsweise jeder Zweig 5 Millimeter (mm) lang. Die Zweige arbeiten als Impedanztransformatoren mit einer Viertelwellenlänge.

Ein Isolationswiderstand wird zur Anpassung der Ausgangsanschlüsse verwendet. Da zwischen den Ausgangsanschlüssen ein Nullpotenzial besteht, fließt kein Strom durch den Widerstand, so dass er nicht zu den Widerstandsverlusten beiträgt. Der Widerstand sorgt außerdem für eine hervorragende Isolierung, selbst wenn die Komponente in umgekehrter Richtung (als Leistungskombinierer) eingesetzt wird, wodurch das Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen begrenzt wird.

Diagramm eines Wilkinson-LeistungsteilersAbbildung 2: Der grundlegende Wilkinson-Leistungsteiler verwendet zwei Viertelwellenlängen-Impedanztransformatoren und einen Isolationswiderstand zur Anpassung der Ausgangsanschlüsse. Die Anschlüsse 2 und 3 liefern jeweils die Hälfte der Eingangsleistung von Anschluss 1. (Bildquelle: Knowles DLI)

Um die Verluste bei der Aufteilung der Leistung zu begrenzen, müssen die beiden Ausgangsanschlüsse des Leistungsteilers jeweils eine Impedanz von 2 Zo aufweisen. (Die 2 parallel geschalteten Zo ergeben eine Gesamtimpedanz von Zo.)

Bei einer gleichmäßigen Leistungsverteilung mit R = 2Zo gilt dann:

Gleichung 1

Dabei gilt:

R = der Wert des Abschlusswiderstandes, der zwischen den beiden Anschlüssen angeschlossen ist

Zo = die charakteristische Impedanz des Gesamtsystems

Zmatch = die Impedanz der Viertelwellenübertrager in den Zweigen des Leistungsteilers

Eine Streumatrix (S-Matrix) enthält die Streuparameter, die zur Beschreibung der elektrischen Leistung eines linearen HF-Netzwerks, z. B. eines Wilkinson-Leistungsteilers, verwendet werden. Abbildung 3 zeigt die S-Matrix für die in Abbildung 2 dargestellte einfache Form des Leistungsteilers.

Bild der Streumatrix (S-Matrix) für den Wilkinson-LeistungsteilerAbbildung 3: Streumatrix (S-Matrix) für den in Abbildung 2 dargestellten Wilkinson-Leistungsteiler. (Bildquelle: Steven Keeping)

Zu den wichtigsten Merkmalen der S-Matrix gehören die folgenden:

  • Sij = Sji (dies zeigt, dass der Wilkinson-Leistungsteiler auch als Kombinator verwendet werden kann)
  • Die Klemmen sind aufeinander abgestimmt (S11, S22, S33 = 0)
  • Die Ausgangsklemmen sind isoliert (S23, S32 = 0)
  • Die Leistung wird gleichmäßig aufgeteilt (S21 = S31)

Die Verluste werden minimiert, wenn die Signale an den Anschlüssen 2 und 3 phasengleich sind und den gleichen Betrag haben. Ein idealer Wilkinson-Leistungsteiler liefert S21 = S31 = 20 log10(1/√2) = (-)3 Dezibel (dB) (d. h. die Hälfte der Eingangsleistung an jedem Ausgang).

Wilkinson-Leistungsteiler für Mikrostreifenleitungen sind eine gute Lösung für Antennenarrayanwendungen mit geringem SWaP-C. Zu den kommerziellen Optionen für das Ku-Band gehört der 16GHz-Zwei-Wege-Wilkinson-Leistungsteiler PDW06401 von Knowles Dielectric Labs. Knowles Expertise in der Herstellung von Dielektrika und Dünnschichten hat es ermöglicht, ein verlustarmes und dennoch kompaktes SMD für den Einsatz in Ku-Band-Satcom-Antennenarrays herzustellen.

Der PDW06401 misst 3 x 3 x 0,4 mm und verwendet verlustarme Materialien, die die Leistungsschwankungen über einen großen Temperaturbereich minimieren. Die charakteristische Impedanz (Z0) des Gehäuses entspricht der 50Ω-Anforderung, die zur Minimierung des Stehwellenverhältnisses (VWSR) und damit der Rückflussverluste in Hochfrequenz-HF-Systemen erforderlich ist. Die Komponente bietet eine nominale Phasenverschiebung von Null, eine Amplitudenbalance von ±0,25 dB und eine Phasenbalance von ±5°. Die überschüssige Einfügungsdämpfung beträgt 0,5 dB. Abbildung 4 veranschaulicht den Frequenzgang des Leistungsteilers PDW06401.

Diagramm des Frequenzgangs des Leistungsteilers PDW06401 von Knowles DLIAbbildung 4: Der Frequenzgang des Leistungsteilers PDW06401. RL steht für die Anpassung der Anschlüsse (S11, S22, etc.), Iso für die Isolierung zwischen den Ausgangsanschlüssen (S23, S32) und IL für die Ausgangsleistung (S21, S31). (Bildquelle: Knowles DLI)

Die Rückflussdämpfung, die Isolierung, die Amplitudenbalance und die Phasenbalance eines Leistungsteilers sind für die Leistung der Antennengruppe auf folgende Weise entscheidend:

  • Die Rückflussdämpfung des Produkts sollte gering sein, da größere Verluste die maximale übertragene oder empfangene Strahlenergie direkt beeinträchtigen.
  • Die Produktisolierung sollte hoch sein, da dies die Isolierung zwischen den Signalpfaden in der Antennengruppe beeinflusst und ihre Verstärkung erhöht.
  • Die Amplitudenbalance der Komponente sollte gegen 0 dB gehen, da sie die Amplitudenleistung und die effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) der Antenne beeinflusst.
  • Die Phasenbalance der Komponente sollte annähernd 0° betragen, da dies die maximale Leistungsübertragung fördert und die vorgesehene Phasenlänge für alle Zweige des Netzes gewährleistet. Eine große Phasendifferenz verschlechtert die EIRP und verändert möglicherweise das Strahlungsdiagramm einer Antennengruppe mit Strahlformung.

Wichtige Komponenten der Antennengruppe: Richtkoppler

Der Richtkoppler ist eine weitere Komponente, die in Antennengruppen eine wichtige Rolle spielt, indem sie die Sende- und Empfangsleistung der Gruppenelemente konstant misst. Der Richtkoppler ist eine passive Komponente, die eine bekannte Menge an Sende- oder Empfangsleistung an einen anderen Anschluss weiterleitet, von dem aus sie gemessen werden kann. Die Kopplung wird in der Regel dadurch erreicht, dass zwei Leiter nahe beieinander liegen, so dass die Energie, die durch eine Leitung fließt, in die andere gekoppelt wird.

Das Gerät verfügt über vier Anschlüsse: Eingang, Übertragung, Kopplung und Isolierung. Die Hauptübertragungsleitung befindet sich zwischen den Ports 1 und 2. Der isolierte Port wird mit einer intern oder extern angepassten Last (in der Regel 50 Ω) abgeschlossen, während der gekoppelte Anschluss (3) zum Abgreifen der gekoppelten Energie verwendet wird. Der gekoppelte Port liefert in der Regel nur einen Bruchteil der Energie der Hauptleitung und hat oft einen kleineren Anschluss, um ihn von den Ports 1 und 2 der Hauptleitung zu unterscheiden. Der gekoppelte Port kann verwendet werden, um Informationen über den Signalpegel und die Frequenz zu erhalten, ohne den Hauptstromfluss im System zu unterbrechen. Die in den übertragenen Port eintretende Leistung fließt zum isolierten Anschluss und hat keinen Einfluss auf den Ausgang des gekoppelten Ports (Abbildung 5).

Schema des gekoppelten Ports (P3) eines LeistungsteilersAbbildung 5: Der gekoppelte Port (P3) eines Leistungsteilers leitet einen Teil der an den Eingangsanschluss (P1) gelieferten Leistung weiter, der Rest geht durch den Sendeanschluss (P2). Der isolierte Port (P4) wird mit einer intern oder extern angepassten Last abgeschlossen. (Bildquelle: Spinningspark bei Wikipedia)

Die wichtigste Eigenschaft eines Kopplers ist der Kopplungsfaktor.

Dies ist definiert als:

Gleichung 2

Die einfachste Form des Kopplers ist eine rechtwinklige Topologie, bei der die gekoppelten Leitungen über ein Viertel der Wellenlänge des Eingangssignals nebeneinander verlaufen (z. B. 5 mm für ein 15GHz-Signal). Dieser Kopplertyp erzeugt typischerweise die halbe Eingangsleistung an Port 3 (d. h. er hat einen Kopplungsfaktor von 3 dB), wobei die Leistung am Sendeanschluss ebenfalls um 3 dB reduziert ist. (Abbildung 6).

Schema der einfachsten Form eines RichtkopplersAbbildung 6: Bei der einfachsten Form des Richtkopplers verlaufen die Koppelleitungen für eine Viertelwellenlänge der Eingangssignalfrequenz nebeneinander. (Bildquelle: Spinningspark bei Wikipedia)

Wie beim Leistungsteiler gibt es auch beim Richtkoppler einige Schlüsseleigenschaften, die sich auf die Leistung der Antennengruppe auswirken. Zu diesen Merkmalen gehören die folgenden:

  • Die Hauptleitungsverluste sollten minimiert werden, um die Verstärkung der Antennengruppe zu erhöhen. Dieser Verlust ist auf die ohmsche Erwärmung der Hauptleitung zurückzuführen und ist vom Kopplungsverlust getrennt. Der Gesamtverlust der Hauptleitung setzt sich aus dem Verlust durch Widerstandserwärmung und dem Kopplungsverlust zusammen.
  • Der Kopplungsverlust ist die Verringerung der Leistung aufgrund der auf die gekoppelten und isolierten Anschlüsse übertragenen Energie. Unter der Annahme einer angemessenen Richtwirkung sollte die unbeabsichtigt auf den isolierten Anschluss übertragene Leistung im Vergleich zu der absichtlich auf den gekoppelten Anschluss übertragenen Leistung vernachlässigbar sein.
  • Die Rückflussdämpfung sollte minimiert werden. Dies ist ein Maß für den Anteil des Signals, der vom Richtkoppler zurückgegeben oder reflektiert wird.
  • Die Einfügungsdämpfung sollte ebenfalls minimiert werden. Dies ist das Verhältnis eines Signalpegels in einer Testkonfiguration ohne den Richtkoppler im Vergleich zu demjenigen, wenn das Bauteil vorhanden ist.
  • Die Isolierung sollte maximiert werden. Dies ist der Leistungspegelunterschied zwischen dem Eingangsanschluss und dem isolierten Anschluss.
  • Die Richtwirkung sollte maximiert werden. Dies ist der Leistungspegelunterschied zwischen Port 3 und Port 4 des Richtkopplers und bezieht sich auf die Isolierung. Es ist ein Maß für die Unabhängigkeit der gekoppelten und isolierten Ports.

Während HF-Richtkoppler mit einer Vielzahl von Techniken implementiert werden können, sind es die Mikrostreifenleitungen, die aufgrund ihrer geringen Größe in Satcom-Anwendungen mit niedrigem SWaP-C bevorzugt werden. Ein Beispiel ist der Richtungskoppler FPC06078 von Knowles. Der Baustein ist ein SMD-Mikrostreifenleitungsbaustein mit den Abmessungen 2,5 x 2,0 x 0,4 mm. Er hat einen Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +125°C und eine charakteristische Impedanz von 50 Ω.

Der Kopplungsfaktor ist zwar frequenzabhängig, ein hochwertiger Richtkoppler weist jedoch einen relativ flachen Kopplungsfrequenzgang auf. Aus Abbildung 7 ist ersichtlich, dass der Knowles-Baustein einen nominalen Kopplungsfaktor von 20 dB aufweist, der über einen Betriebsbereich von 12 bis 18 GHz nur um 2 dB schwankt. Der Richtkoppler FPC06078 hat eine Einfügedämpfung von 0,3 dB und eine minimale Rückflussdämpfung von 15 dB. Die Richtwirkung des Geräts beträgt 14 dB (Abbildung 8).

Diagramm des Frequenzgangs des Knowles-Richtungskopplers FPC06078Abbildung 7: Gezeigt wird der Frequenzgang des Richtkopplers FPC06078. Die Komponente weist einen nominalen Kopplungsfaktor von -20 dB und eine geringe Einfügedämpfung von 0,3 dB auf. (Bildquelle: Knowles DLI)

Diagramm der Richtwirkung des Richtkopplers FPC06078 von Knowles DLIAbbildung 8: Das Diagramm zeigt die Richtwirkung des Richtkopplers FPC06078. Für eine höhere Leistung der Antennengruppe sollte die Richtwirkung, die mit der Isolierung zusammenhängt, maximiert werden. (Bildquelle: Knowles DLI)

Fazit

Entwickler reagieren auf die Nachfrage nach niedrigen SWaP-C-Werten in Satellitenkommunikationsanwendungen, indem sie kompakte passive SMD-Bauteile einsetzen. Beispiele hierfür sind die Leistungsteiler und Richtungskoppler, die bei der Herstellung der Antennengruppen von Satelliten verwendet werden.

Durch die Auswahl qualitativ hochwertiger kompakter passiver SMD-Bauelemente, die durch die Mikrostreifenleiterkonstruktion und keramische Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante eine überlegene Leistung versprechen, können Entwickler die Vorteile höherer HF-Frequenzbänder für Satcom-Anwendungen nutzen. Darüber hinaus ermöglicht diese neue Generation von SMD-Leistungsteilern und Richtkopplern den Entwicklern, kleinere und leichtere Antennenarrays zu entwickeln und gleichzeitig die Verstärkung und die Strahlformungsfähigkeiten der Antennen zu verbessern.

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Über den Autor

Steven Keeping

Steven Keeping is a contributing author at Digi-Key Electronics. He obtained an HNC in Applied Physics from Bournemouth University, U.K., and a BEng (Hons.) from Brighton University, U.K., before embarking on a seven-year career as an electronics manufacturing engineer with Eurotherm and BOC. For the last two decades, Steven has worked as a technology journalist, editor and publisher. He moved to Sydney in 2001 so he could road- and mountain-bike all year round, and work as editor of Australian Electronics Engineering. Steven became a freelance journalist in 2006 and his specialities include RF, LEDs and power management.

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