Cómo implementar conjuntos de antenas de satélite SWaP-C utilizando divisores de potencia SMD y acopladores direccionales

El espacio alrededor de la Tierra se está llenando rápidamente, y en la próxima década se lanzarán miles de nuevos satélites. Eso está presionando a los diseñadores de comunicaciones por satélite (satcoms) desde dos lados. En primer lugar, el ancho de banda disponible para las comunicaciones por satélite en las bandas L, C y X tradicionales se está agotando rápidamente. En segundo lugar, los constructores de satélites comerciales quieren que sus productos sean más ligeros y baratos de lanzar.

Los diseñadores de satélites están respondiendo a la falta de ancho de banda de radiofrecuencia trasladando las comunicaciones de las bandas tradicionales de los satélites a bandas de radiofrecuencia de mayor frecuencia, como la Ku (12 a 18 gigahercios (GHz)). La banda Ku ofrece el potencial de un mayor rendimiento y está mucho menos congestionada. Ante la exigencia de minimizar el tamaño, el peso, la potencia y el coste ("SWaP-C"), los diseñadores responden construyendo los elementos clave del satélite, como el conjunto de antenas, con avanzados dispositivos de montaje superficial (SMD) empaquetados.

Este artículo describe las ventajas de los divisores de potencia SMD y los acopladores direccionales, elementos pasivos clave utilizados en los conjuntos de antenas de comunicaciones por satélite en banda Ku. El artículo presenta ejemplos de dispositivos de Knowles Dielectric Labs describe cómo estos componentes satisfacen las demandas actuales de bajo SWaP y cómo los diseñadores pueden utilizar las características clave de rendimiento de estos componentes vitales para optimizar el rendimiento del conjunto de antenas.

Avances en los conjuntos de antenas

Los recientes avances en las antenas de satélites y estaciones terrestres han hecho que se pase de las antenas parabólicas a los conjuntos de antenas. Los conjuntos de antenas combinan dos o más elementos, cada uno de los cuales funciona esencialmente como una mini antena. Las ventajas de los conjuntos de antenas en comparación con una antena convencional para las aplicaciones de comunicaciones por satélite incluyen:

• Mayor ganancia
• Mayor relación señal/ruido (SNR)
• Haces de transmisión orientables y mayor sensibilidad a las señales entrantes desde una dirección determinada
• Mejor recepción de la diversidad (ayuda a superar el desvanecimiento de la señal)
• Lóbulos laterales más pequeños en el diagrama de radiación de la antena

La estructura convencional de los arrays consiste en una configuración de ladrillos en 3D formada por conjuntos electrónicos colocados uno al lado del otro y unidos mediante múltiples conectores y cables. Esto aumenta el volumen y la complejidad de un conjunto de antenas, en comparación con los platos de una sola antena.

La solución a este volumen y complejidad ha venido de la mano de un enfoque de bajo SWaP-C que elimina la estructura tipo ladrillo resultante de las técnicas de fabricación de chips y cables o híbridas. Los diseños más recientes se componen de múltiples elementos planares 2D de microstrips basados en un sustrato de placa de circuito impreso utilizando un embalaje SMD. Esta configuración planar elimina la necesidad de muchos conectores y cables, lo que mejora el SWaP al tiempo que aumenta la fiabilidad y simplifica la fabricación (Figura 1).

Figura 1: El uso de componentes SMD de bajo SWaP-C (derecha) permite reducir el volumen de los conjuntos de antenas de comunicaciones por satélite en comparación con un conjunto convencional de ladrillos 3D (izquierda). (Fuente de la imagen: Knowles DLI)

Los SMD no sólo reducen considerablemente el volumen del conjunto de antenas, sino que también permiten utilizar una única línea de montaje automatizada, lo que reduce drásticamente el coste de producción en comparación con un enfoque convencional de chip y cable o híbrido. El montaje SMD también ayuda a acelerar el tiempo de comercialización.

Estos avances han sido posibles gracias a una nueva generación de componentes SMD que pueden funcionar de forma fiable en el espacio a altas frecuencias operativas. Los dispositivos cuentan con dieléctricos innovadores, tolerancia ajustada, fabricación en capa fina y novedosas topologías de líneas microstrip para ofrecer una elevada relación rendimiento/huella.

Componentes clave del conjunto de antenas: divisor de potencia

Un SMD pasivo crítico en el conjunto de la antena es el divisor de potencia. Los divisores de potencia individuales dividen una señal entrante en dos o más señales para distribuirlas entre los elementos de la antena que componen el conjunto. En su forma más sencilla, el divisor de potencia divide la potencia de entrada (menos algunas pérdidas del circuito) de manera uniforme entre cada pata de salida, pero otras formas de divisores de potencia permiten que la potencia de entrada se reparta proporcionalmente entre las patas de salida.

Existen varias configuraciones de divisores de potencia, pero para aplicaciones de alta frecuencia, los divisores de potencia suelen adoptar la forma de un diseño Wilkinson de línea microstrip (Figura 2). En la forma básica, cada pata del divisor mide un cuarto de la longitud de onda de la señal de RF entrante. Por ejemplo, para una señal entrante con una frecuencia central de 15 GHz, cada pata tendría una longitud de 5 milímetros (mm). Las patas funcionan como transformadores de impedancia de un cuarto de longitud de onda.

Se utiliza una resistencia de aislamiento para emparejar los puertos de salida; como hay potencial cero entre los puertos de salida, no fluye corriente a través de la resistencia, por lo que no contribuye a las pérdidas resistivas. La resistencia también proporciona un excelente aislamiento, incluso cuando el dispositivo se utiliza en sentido inverso (como combinador de potencia), limitando así la diafonía entre canales individuales.

Figura 2: El divisor de potencia Wilkinson básico utiliza dos transformadores de impedancia de un cuarto de longitud de onda y una resistencia de aislamiento para igualar los puertos de salida. Los puertos 2 y 3 suministran cada uno la mitad de la potencia de entrada del puerto 1. (Fuente de la imagen: Knowles DLI)

Para limitar las pérdidas al dividir la potencia, los dos puertos de salida del divisor de potencia deben aparecer cada uno con una impedancia de 2 Zo. (Los 2 Zo en paralelo presentarán una impedancia global de Zo).

Para una distribución de potencia igual con R = 2Z_o, entonces:

Donde:

R = el valor de la resistencia de terminación conectada entre los dos puertos

Z_o = la impedancia característica del sistema global

Z_match = la impedancia de los transformadores de cuarto de onda en las patas del divisor de potencia

Una matriz de dispersión (matriz S) contiene los parámetros de dispersión utilizados para describir el rendimiento eléctrico de una red lineal de RF, como un divisor de potencia Wilkinson. La figura 3 muestra la matriz S para la forma simple de divisor de potencia mostrada en la figura 2.

Figura 3: Matriz de dispersión (matriz S) para el divisor de potencia Wilkinson mostrado en la figura 2. (Fuente de la imagen: Steven Keeping)

Las principales características de la matriz S son las siguientes

• S_ij = S_ji (lo que demuestra que el divisor de potencia Wilkinson también puede utilizarse como combinador)
• Los terminales están emparejados (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• Los terminales de salida están aislados (S₂₃, S₃₂ = 0)
• La potencia se divide por igual (S₂₁ = S₃₁)

Las pérdidas se minimizan cuando las señales de los puertos 2 y 3 están en fase y tienen la misma magnitud. Un divisor de potencia Wilkinson ideal proporciona S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3 decibelios (dB) (es decir, la mitad de la potencia de entrada en cada puerto de salida).

Los divisores de potencia Wilkinson de línea microstrip son una buena solución para aplicaciones de arreglos de antenas de bajo SWaP-C. Las opciones comerciales para la banda Ku incluyen el divisor de potencia Wilkinson de dos vías PDW06401 de 16 GHz de Knowles Dielectric Labs. Los conocimientos de Knowles en materia de fabricación de dieléctricos y películas finas le han permitido fabricar un SMD de bajas pérdidas, pero compacto, para el servicio de conjuntos de antenas de comunicaciones por satélite en banda Ku.

El PDW06401 mide 3 x 3 x 0,4 mm y utiliza materiales de bajas pérdidas que minimizan la variación del rendimiento en un amplio rango de temperaturas. La impedancia característica del paquete (Z₀) coincide con el requisito de 50 ohmios (Ω) necesario para minimizar la relación de onda estacionaria de tensión (VWSR) y, por tanto, las pérdidas de retorno en los sistemas de RF de alta frecuencia. El dispositivo presenta un desplazamiento de fase nominal cero, un balance de amplitud de ±0,25 dB y un balance de fase de ± 5°. El exceso de pérdidas de inserción es de 0,5 dB. La figura 4 ilustra la respuesta en frecuencia del divisor de potencia PDW06401.

Figura 4: Respuesta en frecuencia del divisor de potencia del PDW06401. RL representa la adaptación de los terminales (S₁₁, S₂₂, etc.), Iso es el aislamiento entre los puertos de salida (S₂₃, S₃₂) e IL es la potencia de salida (S₂₁, S₃₁). (Fuente de la imagen: Knowles DLI)

Las características de pérdida de retorno, aislamiento, equilibrio de amplitud y equilibrio de fase de un divisor de potencia son fundamentales para el rendimiento del conjunto de antenas de las siguientes maneras:

• La pérdida de retorno del producto debe ser baja porque las pérdidas mayores comprometen directamente la energía máxima del haz transmitido o recibido.
• El aislamiento del producto debe ser alto porque esto repercute en el aislamiento entre los trayectos de la señal en el conjunto de la antena y mejora su ganancia.
• El balance de amplitud del dispositivo debe acercarse a 0 dB, ya que afecta al rendimiento de la amplitud y a la potencia isotrópica efectiva radiada (EIRP) de la antena.
• El equilibrio de fases del dispositivo debe aproximarse a una diferencia de 0°, ya que esto favorece la máxima transferencia de potencia y garantiza la longitud de fase prevista para todas las ramas de la red. Un gran desequilibrio de fase deteriorará el EIRP y potencialmente cambiará el patrón de radiación de un conjunto de antenas formadoras de haces.

Componentes clave del conjunto de antenas: acoplador direccional

El acoplador direccional es otro componente que desempeña un papel importante en los conjuntos de antenas al medir constantemente la potencia de transmisión y recepción de los elementos del conjunto. El acoplador direccional es un dispositivo pasivo que acopla una cantidad conocida de potencia de transmisión o recepción a través de otro puerto desde donde se puede medir. El acoplamiento se consigue normalmente colocando dos conductores cerca el uno del otro, de manera que la energía que pasa por una línea se acopla a la otra.

El dispositivo tiene cuatro puertos: de entrada, de transmisión, acoplado y aislado. La línea de transmisión principal está situada entre los puertos 1 y 2. El puerto aislado se termina con una carga adaptada interna o externa (normalmente 50 Ω), mientras que el puerto acoplado (3) se utiliza para aprovechar la energía acoplada. El puerto acoplado suele suministrar una fracción de la energía de la línea principal y suele tener un conector más pequeño para distinguirlo de los puertos 1 y 2 de la línea principal. El puerto acoplado puede utilizarse para obtener información sobre el nivel de potencia y la frecuencia de la señal sin interrumpir el flujo principal de energía en el sistema. La potencia que entra en el puerto transmitido fluye hacia el puerto aislado y no afecta a la salida del puerto acoplado (Figura 5).

Figura 5: El puerto acoplado (P3) de un divisor de potencia transmite una parte de la potencia entregada al puerto de entrada (P1), y el resto pasa por el puerto de transmisión (P2). El puerto aislado (P4) se termina con una carga interna o externa adaptada. (Fuente de la imagen: Spinningspark en Wikipedia)

La característica clave de un acoplador es el factor de acoplamiento.

Se define como:

La forma más sencilla de acoplador presenta una topología en ángulo recto en la que las líneas acopladas discurren adyacentes durante un cuarto de la longitud de onda de la señal de entrada (por ejemplo, 5 mm para una señal de 15 GHz). Este tipo de acoplador suele producir la mitad de la potencia de entrada en el puerto 3 (es decir, tiene un factor de acoplamiento de 3 dB), y la potencia en el puerto de transmisión también se reduce en 3 dB. (Figura 6).

Figura 6: La forma más sencilla de acoplador direccional presenta líneas de acoplamiento adyacentes durante un cuarto de longitud de onda de la frecuencia de la señal de entrada. (Fuente de la imagen: Spinningspark en Wikipedia)

Como en el caso del divisor de potencia, hay algunas características clave del acoplador direccional que afectan al rendimiento del conjunto de antenas. Estas características son las siguientes:

• La pérdida de la línea principal debe minimizarse para mejorar la ganancia del conjunto de antenas. Esta pérdida se debe al calentamiento resistivo de la línea principal y es independiente de la pérdida de acoplamiento. La pérdida total de la línea principal es la combinación de la pérdida por calentamiento resistivo más la pérdida por acoplamiento.
• La pérdida de acoplamiento es la reducción de potencia debida a la energía transferida a los puertos acoplados y aislados. Suponiendo una directividad razonable, la potencia transferida involuntariamente al puerto aislado debería ser insignificante comparada con la transferida intencionadamente al puerto acoplado.
• La pérdida de retorno debe minimizarse. Es una medida de la cantidad de señal que es devuelta o reflejada por el acoplador direccional.
• La pérdida de inserción también debe minimizarse. Se trata de la relación entre el nivel de la señal en una configuración de prueba sin el acoplador direccional presente, en comparación con el nivel cuando el componente está presente.
• El aislamiento debe ser máximo. Es la diferencia de nivel de potencia entre el puerto de entrada y el puerto aislado.
• La directividad debe ser máxima. Es la diferencia de nivel de potencia entre el puerto 3 y el puerto 4 del acoplador direccional y está relacionada con el aislamiento. Es una medida de la independencia de los puertos acoplados y aislados.

Mientras que los acopladores direccionales de RF pueden implementarse utilizando una variedad de técnicas, es el tipo de línea microstrip el que está encontrando el favor en las aplicaciones de satcom de bajo SWaP-C debido a su pequeño tamaño. Un ejemplo es el acoplador direccional FPC06078 de Knowles. Se trata de un dispositivo de línea microstrip SMD que mide 2.5 x 2.0 x 0.4 mm. Tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C a +125 °C y una impedancia característica de 50 Ω.

Aunque el factor de acoplamiento depende de la frecuencia, un acoplador direccional de alta calidad mostrará una respuesta de frecuencia de acoplamiento relativamente plana. En la figura 7, se puede observar que el dispositivo Knowles presenta un factor de acoplamiento nominal de 20 dB, que varía en sólo 2 dB en un rango operativo de 12 a 18 GHz. El acoplador direccional FPC06078 presenta una pérdida de inserción de 0,3 dB y una pérdida de retorno mínima de 15 dB. La directividad del dispositivo es de 14 dB (Figura 8).

Figura 7: Se muestra la respuesta en frecuencia del acoplador direccional FPC06078. El dispositivo presenta un factor de acoplamiento nominal de -20 dB y una baja pérdida de inserción de 0,3 dB. (Fuente de la imagen: Knowles DLI)

Figura 8: Se muestra un gráfico de la directividad del acoplador direccional FPC06078. Para obtener un mayor rendimiento del conjunto de antenas, se debe maximizar la directividad, que está relacionada con el aislamiento. (Fuente de la imagen: Knowles DLI)

Conclusión:

Los diseñadores están respondiendo a la demanda de un bajo SWaP-C en las aplicaciones de comunicaciones por satélite empleando componentes pasivos SMD compactos. Por ejemplo, los divisores de potencia y los acopladores direccionales utilizados en la fabricación de los conjuntos de antenas del satélite.

Seleccionando dispositivos pasivos SMD compactos de buena calidad -que prometen un rendimiento superior gracias a la construcción de líneas microstrip y a los materiales cerámicos con alta capacidad dieléctrica- los diseñadores pueden aprovechar las bandas de RF de mayor frecuencia para las aplicaciones de comunicaciones por satélite. Además, esta nueva generación de divisores de potencia y acopladores direccionales SMD permite a los diseñadores crear conjuntos de antenas más pequeños y ligeros, mejorando al mismo tiempo la ganancia y la capacidad de formación de haces de las antenas.