Use acopladores direccionales de montaje en superficie para reducir los dispositivos de monitoreo de potencia de RF

Para los ingenieros que participan en el análisis de circuitos no RF o en el trabajo práctico integrado y en el banco, los principales parámetros de señal de interés son el voltaje y la corriente en puntos específicos de un diseño. Estos se pueden medir usando un voltímetro, un osciloscopio o una resistencia de detección de corriente.

Por el contrario, los que trabajan en el dominio de RF cableado e inalámbrico se centran en la potencia, medida en vatios o milivatios (mW), o decibelios (dB) referenciados a 1 mW (dBm). Sin embargo, medir la potencia de RF no es fácil, ya que no existe un equivalente a un simple punto de recogida de señal de voltaje o corriente que no interfiera también con el flujo de energía. En su lugar, se utilizan transductores y esquemas de señal únicos para evaluar los niveles de potencia de RF.

Uno de los enfoques más comunes utiliza un acoplador direccional, una disposición pasiva que "selecciona" las señales de RF con un grado definido de acoplamiento, mientras ofrece un alto aislamiento entre la señal y los puertos muestreados.

Una tecnología bien probada, veamos cómo funcionan los acopladores direccionales. A continuación, examinaremos cómo se han beneficiado de los avances en los materiales para reducirlos a dispositivos de tecnología de montaje en superficie (SMT) en miniatura adecuados para circuitos de baja potencia.

Funcionamiento de los acopladores direccionales

Un acoplador general de cuatro puertos es una función de RF pasiva que incluye puertos acoplados (directos) y aislados (inversos o reflejados) (Figura 1, arriba). Un acoplador direccional es una estructura de tres puertos que elimina el uso del puerto aislado; esta configuración se utiliza en aplicaciones que solo necesitan una única salida acoplada hacia adelante (direccional) (Figura 1, abajo).

La función del acoplador direccional es muestrear la potencia de una línea de transmisión de señal sin alterar las características de la línea. Es algo análogo al uso de un voltímetro de alta impedancia para no cargar la fuente en la línea que se está midiendo.

Este acoplamiento direccional permite la medición de la potencia de la señal usando detectores simples de bajo nivel o medidores de intensidad de campo y equipos de medición de potencia. Una pequeña fracción fija de la potencia incidente en el puerto de entrada P1 aparece en el puerto acoplado P3 para uso de medición. El resto de la energía de entrada se entrega al puerto P2 transmitido (llamado pasante o de salida).

Un beneficio importante de un acoplador direccional es que solo acopla la potencia que fluye en una dirección; cualquier energía que ingrese inadvertidamente al puerto de salida se acopla al puerto aislado terminado no utilizado P4 y no al P3, pero esto no es un problema para el flujo direccional del acoplador.

Figura 1: Un acoplador direccional es una función de RF pasiva de tres puertos que desvía parte de la energía incidente en P1 al puerto acoplado P3, donde se puede medir sin afectar el camino único primario desde el puerto de entrada P1 al puerto P2 transmitido (salida); es un subconjunto unidireccional del acoplador bidireccional de cuatro puertos. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

Estos parámetros de nivel superior se utilizan para especificar un acoplador direccional:

• Factor de acoplamiento: La fracción de la potencia de entrada (en P1) entregada al puerto acoplado (P3).
• Directividad: Una medida de la capacidad del acoplador para separar las ondas de propagación directa e inversa, observada en los puertos acoplados (P3) y aislados (P4).
• Aislamiento: La cantidad de energía entregada a la carga desacoplada (P4).
• Pérdida de inserción: La reducción de la potencia de entrada entregada al puerto transmitido, teniendo en cuenta la energía desviada a los puertos acoplados y aislados.
• Pérdida de devolución: Una medida de cuánta potencia se refleja de vuelta a P1 debido a un desajuste de impedancia.

Acopladores direccionales retráctiles de materiales avanzados

Hay diferentes formas de construir un acoplador direccional. Históricamente, se hacía con guías de onda o cables coaxiales, que todavía son necesarios para aplicaciones de mayor potencia. Sin embargo, los circuitos de RF modernos de nivel inferior, como los de las estaciones base, necesitan un acoplador mucho más pequeño. Esto se puede lograr utilizando procesos de stripline o microstrip en sustratos cerámicos de alta permititividad.

Microstrip es una tecnología de línea de transmisión plana que utiliza una tira conductora separada de un plano de tierra por un sustrato dieléctrico. Los componentes completos, como antenas, acopladores, filtros y divisores de potencia, se forman a partir de patrones metalizados en el sustrato con una precisión dimensional de alta precisión. Los componentes diminutos construidos con técnicas de microstrip son más ligeros, más compactos y, por lo general, menos costosos que las tecnologías alternativas de línea de transmisión. Pueden manejar cantidades modestas de potencia del orden de diez vatios.

La disponibilidad de materiales de alto K como sustratos da como resultado una longitud de onda de señal de RF más corta y una reducción general en el tamaño del componente. Tenga en cuenta que la literatura académica a veces usa una k minúscula, más formalmente conocida como κ (kappa griega).

Mediante el uso de acopladores direccionales fabricados con materiales de alto K y la tecnología de proceso de microstrip de película delgada de alta precisión de Knowles, los diseñadores de RF pueden reducir el tamaño, el peso y la potencia de los circuitos de RF (SWaP) mientras mantienen tolerancias de rendimiento estrictas.

El impacto beneficioso de estos materiales de alto K es increíble, como se ve en una comparación (Figura 2) que muestra la constante dieléctrica y la longitud de onda a 25 gigahercios (GHz) para tres materiales dieléctricos comunes (PTFE, FR-4 y alúmina), así como tres sustratos personalizados desarrollados por Knowles (PG, CF y CG). Su sustrato CF tiene una constante dieléctrica de 25 en comparación con una constante dieléctrica de 4.8 para el material FR-4. Como resultado, la longitud de onda de un dispositivo que utiliza material CF es 2.5 veces menor que la de un dispositivo que utiliza FR-4, lo que provoca una reducción drástica del tamaño del dispositivo.

Figura 2: Los acopladores direccionales de microstrips de película delgada (izquierda) aprovechan sustratos dieléctricos de muy alto K para permitir dispositivos con un tamaño y peso significativamente reducidos (derecha). (Fuente de la imagen: Knowles)

Ejemplos de rendimiento del acoplador direccional SMT

El rendimiento y el tamaño de los acopladores direccionales basados en la tecnología de microstrip y sustratos dieléctricos de alto K se observan en los acopladores FPC06073 y FPC07182 de Knowles, cada uno de los cuales admite diferentes rangos y anchos de banda dentro del espectro de gigahercios (Figura 3, arriba y abajo, respectivamente).

Figura 3: Los acopladores FPC06073 (arriba) y FPC07182 (abajo) funcionan bien en sus respectivas bandas para cuatro parámetros de nivel superior: pérdida de retorno, pérdida de inserción, factor de acoplamiento y aislamiento. (Fuente de la imagen: Knowles Precision Devices)

El acoplador direccional SMT de FPC06073 de 50 ohmios (Ω) cubre de 4 a 8 GHz con un factor de acoplamiento de 10 dB y una directividad de 20 dB. Su diminuto tamaño de aproximadamente 4.3 × 2.0 × 0.38 milímetros (mm) (0.170 × 0.080 × 0.015 pulgadas (pulgadas)) lo convierte en una buena opción para diseños compactos. Tiene una potencia nominal de 25 vatios (continuos). El rendimiento de las cuatro métricas que se muestran en la Figura 3, especialmente la pérdida de acoplamiento e inserción, es relativamente plano en toda la banda, con temperaturas de funcionamiento y almacenamiento especificadas entre -55 °C y 125 °C.

Al subir en frecuencia, el acoplador SMT FPC07182 está diseñado para 20 a 40 GHz. Al igual que el FPC060073, tiene un acoplamiento de 10 dB, pero una directividad de 10 dB. Aún más pequeño, con solo 1.65 × 1.270 × 0.254 mm (0.065 × 0.050 × 0.010 in), este dispositivo de 50 Ω maneja hasta 14 vatios y muestra una pérdida de acoplamiento e inserción muy planas en todo el ancho de banda de 20 GHz.

Conclusión

Los acopladores direccionales basados en sustratos cerámicos de alta permitividad y técnicas de microstrip ahora proporcionan esta función de RF en dispositivos SMT casi invisibles, con un rendimiento y un manejo de potencia excepcionales en sus bandas de gigahercios designadas.

Contenido relacionado

1: Knowles Precision Devices, “Reduce RF Circuit SWaP with High K Materials and Precision Thin-Film Microstrip Technology”

https://info.knowlescapacitors.com/hubfs/White%20Papers/Device_Minaturization_WP_V7.pdf

2: DigiKey, “The Fundamentals of RF Directional Couplers and How to Use Them Effectively”

https://www.digikey.com/en/articles/the-fundamentals-of-rf-directional-couplers-and-how-to-use-them-effectively

3: DigiKey, “Solving the RF Power-Detection Challenge” (Cites Analog Devices)

https://www.digikey.com/en/articles/solving-the-rf-power-detection-challenge

4: DigiKey, “Tiny Directional Couplers Meet Demands of Compact RF Applications”

https://www.digikey.com/en/articles/tiny-directional-couplers-meet-demands-of-compact-rf-applications