Los fundamentos de los divisores y combinadores de potencia de RF

El aumento de los requisitos de conectividad inalámbrica para aplicaciones como Internet de las cosas (IoT), celulares y electrónica automotriz está dando como resultado sistemas que utilizan cada vez más señales de RF, componentes y subsistemas. A menudo, los diseñadores necesitan dirigir estas señales a más de un destino o combinar varias señales. Sin embargo, combinar o dividir señales puede ser problemático, ya que los diseñadores deben garantizar el enrutamiento de la señal sin degradación debido a la falta de coincidencia o carga de impedancia, todo mientras se mantienen los requisitos críticos de tamaño y costo.

El divisor o el combinador de potencia de RF satisface esta necesidad de dividir o combinar señales entre múltiples entradas o salidas. Estos dispositivos útiles realizan estas tareas mientras mantienen las impedancias de carga adecuadas para todas las fuentes, además de proporcionar aislamiento.

Este artículo proporciona los fundamentos de tres tipos de divisores/combinadores de potencia de RF comúnmente utilizados: resistivo, híbrido y Wilkinson, utilizando ejemplos de Susumu, Anaren, MACOM y Analog Devices. Menciona sus especificaciones y aplicaciones comunes que les permiten a los diseñadores hacer una selección inteligente de dispositivos, incluidas las consideraciones de implementación.

Divisores de potencia

Un divisor de potencia tiene una sola señal de entrada y dos o más señales de salida. Las señales de salida tienen un nivel de potencia que es 1/N el nivel de potencia de entrada donde N es el número de salidas en el divisor. Las señales en las salidas, en la forma más común de divisor de potencia, están en fase. Existen divisores de potencia especiales que proporcionan cambios de fase controlados entre salidas. Las aplicaciones de RF comunes para divisores de potencia, como se mencionó anteriormente, dirigen una fuente de RF común a múltiples dispositivos (Figura 1).

Figura 1: Los divisores de potencia se utilizan para dividir una señal de RF común en múltiples dispositivos, como en un sistema de antenas de matriz en fase o en un demodulador en cuadratura. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El primer ejemplo es una antena de matriz en fase donde la fuente de RF se divide entre los dos elementos de antena. Clásicamente, las antenas de este tipo tienen de dos a ocho o más elementos, y cada uno de ellos se acciona desde un puerto de salida del divisor de potencia. Los cambiadores de fase son, generalmente, externos al divisor para permitir el control electrónico para dirigir la antena de patrón de campo.

El segundo ejemplo es un demodulador en cuadratura que requiere que se entregue un oscilador local a dos mezcladores que demodulan el portador de RF en los componentes de modulación en fase (I) y en cuadratura (Q). El cambio de fase de 90 °C requerido para demodular la señal Q puede ser externo como se muestra o puede ser interno al divisor de potencia. En ambos casos, los niveles de potencia de la señal son iguales.

El divisor de potencia se puede ejecutar “hacia atrás” para que se puedan combinar múltiples entradas en una sola salida, lo que lo convierte en un combinador de potencia. En el modo combinador, estos dispositivos son capaces de realizar sumas o restas vectoriales de señales en función de sus valores de amplitud y de fase.

Topología del divisor de potencia

Al tratar de dividir una señal en dos componentes de amplitud reducida, el diseñador podría considerar, simplemente, usar una conexión en “T” colocando dos cargas en una fuente común (Figura 2).

Figura 2: Una conexión básica en T puede dividir una señal en dos componentes con amplitudes iguales y la misma fase, pero tiene varias limitaciones. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La configuración funcionará, pero está sujeta a un par de limitaciones. La más obvia es la falta de coincidencia de impedancia. Si ambas salidas (puertos 2 y 3) se alimentan a 50 ohmios (Ω), el puerto de entrada (puerto 1) se presenta con una carga de 25 Ω. Si la fuente de entrada es un dispositivo de 50 Ω, esto representa un problema de carga. El segundo problema es la falta de aislamiento. Si, por ejemplo, una de las salidas estaba en cortocircuito, el otro puerto también lo está.

Existen tres principales topologías de circuito para divisores de potencia que eliminan las limitaciones de una conexión en T. Las tres topologías son: resistiva, híbrida y Wilkinson (Figura 3). Los divisores híbridos y Wilkinson pertenecen a una clase de divisores conocidos como divisores reactivos.

Figura 3: Esquemas simplificados de las tres topologías comunes de divisores de potencia: resistiva, Wilkinson e híbrida. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Divisores resistivos

La implementación más común de un divisor de potencia, la resistiva, utiliza tres resistencias de igual valor, más comúnmente en una configuración en estrella. Debido a la simetría del dispositivo, no hay un puerto de entrada designado; cualquier puerto se puede usar como entrada. Los valores de resistencia son un tercio de la impedancia característica con la que se usa el divisor de potencia. En el caso de un sistema de 50 Ω, el valor es de 16.67 Ω; para un sistema de 75 Ω, el valor de resistencia es de 25 Ω. Como grupo, los divisores de potencia resistivos, generalmente, tienen el ancho de banda de frecuencia más amplio porque no hay componentes reactivos dependientes de la frecuencia en su diseño.

La principal ventaja del divisor resistivo es su simplicidad; es fácil de implementar a un costo mínimo. También es el dispositivo más pequeño. Su principal desventaja es la pérdida de potencia a través de las resistencias en serie entre los puertos de salida. Estos dispositivos tienen una especificación de potencia nominal. La mayoría de las aplicaciones para el divisor de potencia resistivo utilizan una potencia relativamente baja. El aislamiento proporcionado por las resistencias entre puertos se mejora en comparación con la configuración en T.

Las amplitudes de señal en los puertos de salida de un divisor resistivo serán la mitad del nivel de señal de entrada (Figura 4).

Figura 4: Comparación de la entrada y las salidas de un divisor resistivo. La señal de entrada es una ráfaga sinusoidal de 50 megahercios (MHz) con una amplitud de raíz cuadrada media (rms) de 179.5 milivoltios (mV) (traza superior izquierda). Las salidas (trazas centrales e inferiores izquierdas) tienen niveles rms de 91.7 mV (-5.8 dB) y de 88.7 mV (-6.1 dB). Tener en cuenta que las señales están todas en fase, como se esperaba. (Fuente de la imagen: DigiKey).

La traza en la cuadrícula superior izquierda es la señal de entrada, una ráfaga sinusoidal de 50 MHz con un nivel rms de 179.5 mV. Los niveles de salida en las cuadrículas central e inferior izquierdas son las señales de salida con niveles rms de 91.7 mV y de 88.7 mV, respectivamente. Estos son -5.8 dB y -6.1 dB por debajo de la señal de entrada. Las tres trazas de la derecha son trazas de zoom expandidos horizontalmente que permiten una vista detallada. Tener en cuenta que las señales están todas en fase, como se esperaba.

Un ejemplo de un divisor de potencia resistivo es el Susumu PS2012GT2-R50-T1, un divisor de potencia resistivo de 50 Ω y de dos puertos con un ancho de banda de 20 gigahercios (GHz). Tiene una disipación de potencia nominal de 125 milivoltios (mW) y una pérdida de inserción de 6 ± 0.5 decibelios (dB), de los cuales 3 dB se deben a la potencia disipada en las resistencias internas. El dispositivo está alojado en un paquete de montaje en superficie de 2 x 1.25 x 0.4 milímetros (mm).

Divisores de potencia Wilkinson

El divisor de potencia Wilkinson es un divisor reactivo que utiliza dos transformadores de línea de transmisión de un cuarto de onda paralelos y sin acoplar. El uso de líneas de transmisión hace que el divisor Wilkinson sea fácil de implementarse utilizando líneas de transmisión de circuito impreso estándar. La longitud de las líneas de transmisión, generalmente, limita el rango de frecuencia del divisor Wilkinson a frecuencias superiores a 500 MHz. La resistencia entre los puertos de salida les permite tener impedancias coincidentes sin dejar de proporcionar aislamiento. Debido a que los puertos de salida contienen señales de la misma amplitud y fase, no hay voltaje a través de la resistencia, por lo que no fluye corriente y la resistencia no disipa ninguna potencia.

El Anaren PD3150J5050S2HF es un divisor de potencia tipo Wilkinson de dos puertos y de 50 Ω que cubre un rango de frecuencia de 3.1 GHz a 5 GHz con una potencia de salida máxima de 2 vatios (W). Tiene una pérdida de inserción, excluyendo la reducción de potencia de 3 dB, de 1 dB (típica) y un aislamiento de más de 15 dB (típico). Sus dimensiones son 2.0 x 1.29 x 0.53 mm.

Divisores de potencia híbridos

El divisor de potencia híbrido que se muestra en la Figura 3 se basa en el uso de transformadores. El transformador T2 tiene una toma central que forma un autotransformador con una relación de vueltas 2:1. La impedancia en todo el lado de salida es cuatro veces la impedancia desde la toma central hasta tierra. Si las impedancias en cada puerto de salida (puerto 2 y puerto 3) son de 50 Ω, la impedancia de carga total es de 100 Ω. Esto se refleja a través del transformador de 25 Ω en la derivación central del T2. Hacer coincidir esta carga con la entrada (puerto 1) requiere el transformador T1, que es un transformador de adaptación de impedancia de 25 Ω a 50 Ω.

Cuando se aplica una entrada al puerto 1, con los puertos 2 y 3 terminados con cargas de 50 Ω, se induce una corriente en los puertos 2 y 3 con un cambio de fase de 180°. Las corrientes a través de la resistencia R, que es igual a la suma de las impedancias del puerto 2 y el puerto 3 (100 Ω, en este caso), serán iguales con las fases opuestas y se cancelarán. No hay voltaje en el puerto 2 desde la señal en el puerto 3 y viceversa. Teóricamente, existe un aislamiento infinito. La mitad de la potencia de entrada aparecerá en cada uno de los puertos de salida.

El MACOM MAPD-009278-5T1000 es un divisor de potencia híbrido que cubre un rango de frecuencia de 5 MHz a 1 GHz. Está configurado como un divisor de cero grados y de dos puertos. Su pérdida de inserción, excluyendo la reducción de potencia de 3 dB, es inferior a 1.4 dB. El aislamiento se especifica, generalmente, como de 20 dB. Este divisor puede manejar un nivel de potencia máximo de 250 mW y tiene dimensiones físicas de 4.45 x 4.22 x 3 mm.

Divisores de potencia activos

Las aplicaciones que requieran una división de señal sin pérdidas pueden hacer uso de divisores de potencia activos, como los Analog Devices ADA4304-3ACPZ-R7. Este es un divisor de potencia 3:1 de 75 Ω con un amplificador incorporado que puede suministrar una ganancia de 3 dB. Tiene un ancho de banda de 2400 MHz para su uso en un rango de frecuencia de 54 a 865 MHz. El aislamiento de salida a salida es mejor que 25 dB. La impedancia de 75 Ω y el rango de frecuencia indican que este divisor está destinado a aplicaciones de televisión, incluidos decodificadores de sintonizador múltiple y televisores listos para cable.

De los dispositivos descritos, los divisores resistivos son los más simples y tienen el ancho de banda más amplio posible y, generalmente, el tamaño más pequeño, pero tienen una mayor pérdida de inserción y un menor aislamiento. Los divisores de potencia Wilkinson ofrecen menor inserción y mayor aislamiento, pero tienen un ancho de banda más restringido. Su tamaño físico variará con el rango de frecuencia específico requerido. El divisor híbrido ofrece baja pérdida de inserción y buen aislamiento, pero tiene un tamaño físico más grande. Los divisores activos de potencia eliminan la pérdida de inserción, pero tienden a ser más costosos.

Consideraciones de implementación

Si bien los combinadores de potencia son muy simples, aún pueden ser la causa de problemas si no se aplican correctamente. Por ejemplo, tenga cuidado con las compensaciones de CC en la entrada. Los combinadores híbridos, que usan transformadores, no hacen CC.

En divisores resistivos, la presencia de CC puede reducir su potencia nominal. Todos los combinadores de potencia pasiva tienen topologías simétricas y los diseñadores deben mantener esa simetría al aplicarlos. Las cargas deben coincidir y equilibrarse. El uso de impedancias de carga no coincidentes dará como resultado niveles de salida desiguales.

En aplicaciones que requieran diferencias de fase fijas, como alimentar un oscilador local a un modulador o demodulador en cuadratura, las rutas de salida deben ser de igual longitud para evitar la falta de coincidencia de fase en los mezcladores.

Conclusión

La necesidad de dividir o combinar señales es esencial en el diseño moderno de RF en una variedad de aplicaciones que incluyen IoT, comunicaciones digitales y asistencia al conductor automotriz. Los divisores/combinadores de potencia cumplen esta función. Las opciones para los diseñadores que necesiten usar un divisor de potencia se dividen en una de las tres topologías de divisor de potencia, cada una con sus propias compensaciones. Un conocimiento fundamental de las características de cada topología ayudará a los diseñadores a seleccionar el divisor de potencia apropiado.