Como implementar matrizes de antenas SWaP-C Satcom usando divisores de potência SMD e acopladores direcionais

O espaço ao redor da Terra está se enchendo rapidamente, e milhares de novos satélites deverão ser lançados na próxima década. Isso está pressionando os projetistas de comunicações via satélite (satcoms) por dois lados. Primeiro, a largura de banda disponível para satcoms nas bandas L, C e X tradicionais está sendo rapidamente utilizada. Em segundo lugar, os construtores de satélites comerciais querem que seus produtos sejam mais leves e mais baratos para lançar.

Os projetistas de satcom estão respondendo à falta de largura de banda de RF mudando as comunicações das bandas de satélite tradicionais para bandas de RF de frequência mais alta como Ku (12 a 18 gigahertz (GHz)). A banda Ku oferece o potencial para um maior rendimento e é muito menos congestionada. Com relação à demanda por tamanho, peso, potência e custo mínimos ("SWaP-C"), os projetistas estão respondendo construindo elementos-chave do satélite, como a matriz de antenas, usando dispositivos de montagem em superfície (SMDs) em invólucros avançados.

Este artigo descreve os benefícios dos divisores de potência SMD e acopladores direcionais, elementos-chave passivos usados em matrizes de antenas satcom de banda Ku. O artigo apresenta exemplos de dispositivos da Knowles Dielectric Labs, descreve como estes componentes atendem às demandas atuais de baixo-SWaP, e como os projetistas podem usar as principais características de desempenho destes componentes vitais para otimizar o desempenho da matriz de antenas.

Avanços em matrizes de antenas

Desenvolvimentos recentes em antenas de satélite e estações terrestres têm visto um afastamento das antenas simples de prato parabólico para as matrizes de antenas. As matrizes de antenas combinam dois ou mais elementos, cada um dos quais funciona essencialmente como uma mini antena. Os benefícios das matrizes de antenas em comparação com uma antena convencional para aplicações em satcoms incluem:

• Maior ganho
• Aumento da relação sinal/ruído (SNR)
• Feixes de transmissão orientáveis e maior sensibilidade aos sinais recebidos de uma determinada direção
• Melhor recepção da diversidade (ajuda a superar a atenuação do sinal)
• Lóbulos laterais mais pequenos no padrão de radiação da antena

A estrutura de matriz convencional compreende uma configuração de blocos 3D composta de conjuntos eletrônicos colocados lado a lado e acoplados usando múltiplos conectores e cabos. Isto aumenta o volume e a complexidade de uma matriz de antenas, em comparação com os pratos de antenas simples.

A solução para este volume e complexidade veio de um foco em baixo SWaP-C que elimina a estrutura tipo bloco, resultante das técnicas de fabricação híbridas ou de chips e fios. Os projetos mais recentes são compostos de vários elementos 2D planares de microtira com base em um substrato de placa de circuito impresso usando encapsulamento SMD. Esta configuração planar elimina a necessidade de muitos conectores e cabos, melhorando o SWaP além de aumentar a confiabilidade e simplificar a fabricação (Figura 1).

Figura 1: O uso de componentes SMD de baixo SWaP-C (à direita) permite uma redução no volume de matrizes de antenas satcom em comparação com um conjunto convencional de blocos 3D (à esquerda). (Fonte da imagem: Knowles DLI)

Os SMDs não apenas reduzem consideravelmente o volume da matriz de antenas, mas também permitem o uso de uma única linha de montagem automatizada, reduzindo drasticamente o custo de produção em comparação com uma abordagem convencional de chip-e-fio ou híbrida. A montagem SMD também ajuda a acelerar o tempo de colocação no mercado.

Tais avanços foram possíveis devido a uma nova geração de componentes SMD que podem funcionar de forma confiável no espaço com altas frequências operacionais. Os dispositivos apresentam dielétricos inovadores, tolerâncias próximas, fabricação de filmes finos e novas topologias de linha de microtiras para proporcionar uma relação de alto desempenho/pegada.

Principais componentes da matriz de antenas: divisor de potência

Um SMD passivo crítico na matriz de antenas é o divisor de potência. Os divisores individuais de potência separam um sinal de entrada em dois ou mais sinais para distribuir pelos elementos da antena que compõem a matriz. Em sua forma mais simples, o divisor de potência divide a potência de entrada (menos algumas as perdas do circuito) uniformemente em cada ramo de saída, mas outras formas de divisores de potência permitem que a potência de entrada seja proporcionalmente compartilhada através dos ramos de saída.

Existem várias configurações de divisores de potência, mas para aplicações de alta frequência, os divisores de potência normalmente tomam a forma de um projeto Wilkinson de linha de microtiras (Figura 2). Na forma básica, cada ramo do divisor mede um quarto do comprimento de onda do sinal de RF de entrada. Por exemplo, para um sinal de entrada com uma frequência de ressonância de 15 GHz, cada ramo teria 5 milímetros (mm) de comprimento. Os ramos operam como transformadores de impedância de um quarto do comprimento de onda.

Um resistor de isolação é usado para casar as portas de saída; como não há potencial zero entre as portas de saída, não há fluxo de corrente através do resistor, portanto não contribui para perdas resistivas. O resistor também proporciona excelente isolamento, mesmo quando o dispositivo é usado de forma inversa (como um combinador de potência), limitando assim a diafonia entre canais individuais.

Figura 2: O divisor de potência Wilkinson básico usa dois transformadores de impedância de dois quartos de comprimento de onda e um resistor isolante para casar as portas de saída. As portas 2 e 3 transferem cada uma a metade da potência de entrada da porta 1. (Fonte da imagem: Knowles DLI)

Para limitar as perdas à medida que a energia está sendo dividida, as duas portas de saída do divisor de potência devem aparecer cada uma como uma impedância de 2 Zo. (Os 2 Zo em paralelo apresentarão uma impedância total de Zo).

Para uma distribuição igual de potência com R = 2 Z_o, então:

Onde:

R = o valor da resistência de terminação conectada entre as duas portas

Z_o = a impedância característica do sistema total

Z_match = a impedância dos transformadores de um quarto de onda nos ramos do divisor de potência

Uma matriz de espalhamento (matriz S) contém os parâmetros de espalhamento usados para descrever o desempenho elétrico de uma rede linear de RF, como um divisor de potência Wilkinson. A Figura 3 mostra a matriz S para a forma simples do divisor de potência mostrado na Figura 2.

Figura 3: Matriz de espalhamento (matriz S) para o divisor de potência Wilkinson mostrado na Figura 2. (Fonte da imagem: Steven Keeping)

As principais características da matriz S incluem o seguinte:

• S_ij = S_ji (mostrando que o divisor de potência Wilkinson também pode ser usado como combinador)
• Os terminais são casados (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• Os terminais de saída são isolados (S₂₃, S₃₂ = 0)
• A potência é igualmente dividida (S₂₁ = S₃₁)

As perdas são minimizadas quando os sinais nas Portas 2 e 3 estão em fase e têm a mesma magnitude. Um divisor de potência Wilkinson ideal fornece S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3 decibéis (dB) (ou seja, metade da potência de entrada em cada porta de saída).

Os divisores de potência Wilkinson da linha de microtira são uma boa solução para aplicações de matriz de antenas com baixo SWaP-C. As opções comerciais para a banda Ku incluem o divisor de potência bidirecional Wilkinson de 16 GHz PDW06401 da Knowles Dielectric Labs. O conhecimento técnico da Knowles na fabricação de filmes finos e dielétricos permitiu fabricar um SMD de baixa perda, porém compacto para serviço com matrizes de antenas satcom na banda Ku.

O PDW06401 mede 3 x 3 x 0,4 mm e utiliza materiais de baixa perda que minimizam a variação de desempenho em uma ampla faixa de temperatura. A impedância característica do invólucro (Z₀) corresponde à exigência de 50 ohm (Ω), necessária para minimizar a relação de onda estacionária (VWSR) e, portanto, as perdas de retorno em sistemas de RF de alta frequência. O dispositivo apresenta deslocamento de fase nominal zero, um balanço de amplitude de ±0,25 dB e um balanço de fase de ±5°. As perdas de inserção em excesso são de 0,5 dB. A figura 4 ilustra a resposta de frequência do divisor de potência PDW06401.

Figura 4: A resposta de frequência do divisor de potência PDW06401. RL representa o casamento de terminais (S₁₁, S_22, etc.), Iso é a isolação entre as portas de saída (S₂₃, S₃₂) e IL é a potência de saída (S₂₁, S₃₁). (Fonte da imagem: Knowles DLI)

As características da perda de retorno, isolação, balanço de amplitude e balanço de fase de um divisor de potência são fundamentais para o desempenho da matriz de antenas das seguintes formas:

• A perda de retorno do produto deve ser baixa porque maiores perdas comprometem diretamente a energia máxima transmitida ou recebida do feixe.
• A isolação do produto deve ser alta porque isso impacta a isolação entre os caminhos de sinal na matriz de antenas e aumenta seu ganho.
• O balanço de amplitude do dispositivo deve se aproximar de 0 dB, pois afeta o desempenho da amplitude e da Potência Efetiva Radiada Isotropicamente (EIRP) da antena.
• O balanço de fase do dispositivo deve se aproximar de 0° de diferença, pois isso promove a máxima transferência de potência e garante a duração de fase pretendida para todas as ramificações em toda a rede. Um grande desequilíbrio de fase deteriorará o EIRP e possivelmente alterará o padrão de radiação de uma matriz de antenas formadoras de feixe.

Principais componentes da matriz de antenas: acoplador direcional

O acoplador direcional é outro componente que desempenha um papel importante nas matrizes de antenas, medindo consistentemente a potência de transmissão e recepção dos elementos da matriz. O acoplador direcional é um dispositivo passivo que une uma quantidade conhecida de transmissão ou recebe energia através de outra porta de onde ela pode ser medida. O acoplamento é normalmente obtido pelo posicionamento de dois condutores próximos um do outro de forma que a energia que passa por uma linha seja acoplada à ouftra.

O dispositivo tem quatro portas: entrada, transmitida, acoplada e isolada. A linha de transmissão principal está situada entre as Portas 1 e 2. A porta isolada é terminada com uma carga interna ou externa casada (normalmente 50 Ω), enquanto a porta acoplada (3) é usada para aproveitar a energia acoplada. A porta acoplada normalmente fornece uma fração da energia da linha principal e, frequentemente, apresenta um conector menor para distingui-la das Portas 1 e 2 da linha principal. A porta acoplada pode ser usada para obter informações de nível de potência do sinal e frequência sem interromper o fluxo principal de potência no sistema. A energia que entra na porta transmitida flui para a porta isolada e não afeta a saída da porta acoplada (Figura 5).

Figura 5: A porta acoplada (P3) de um divisor de potência passa em alguma fração da potência entregue à porta de entrada (P1), com o restante passando pela porta transmitida (P2). A porta isolada (P4) é terminada com uma carga interna ou externa casada. (Fonte da imagem: Spinningspark na Wikipedia)

A característica principal de um acoplador é o fator de acoplamento.

Isto é definido como:

A forma mais simples de acoplador apresenta uma topologia em ângulo reto onde as linhas acopladas correm adjacentes para um quarto do comprimento de onda do sinal de entrada (por exemplo, 5 mm para um sinal de 15 GHz). Este tipo de acoplador normalmente produz metade da potência de entrada na porta 3 (ou seja, tem um fator de acoplamento de 3 dB), com a potência na porta transmitida também reduzida em 3 dB. (Figura 6).

Figura 6: A forma mais simples de acoplador direcional apresenta linhas de acoplamento adjacentes para um quarto de comprimento de onda da frequência do sinal de entrada. (Fonte da imagem: Spinningspark na Wikipedia)

Como no caso do divisor de potência, há algumas características principais do acoplador direcional que impactam o desempenho da matriz de antenas. Estas características incluem o seguinte:

• A perda da linha principal deve ser minimizada para melhorar o ganho da matriz de antenas. Esta perda é devida ao aquecimento resistivo da linha principal e é separada da perda do acoplamento. A perda total da linha principal é a combinação da perda do aquecimento resistivo mais a perda do acoplamento.
• A perda do acoplamento é a redução na potência devido à energia transferida para as portas acopladas e isoladas. Assumindo uma diretividade razoável, a potência transferida não intencionalmente para a porta isolada deve ser insignificante em comparação com aquela transferida intencionalmente para a porta acoplada.
• A perda de retorno deve ser minimizada. Esta é uma medida da quantidade do sinal que é devolvido ou refletido pelo acoplador direcional.
• A perda de inserção também deve ser minimizada. Esta é a relação de um nível de sinal em uma configuração de teste sem a presença do acoplador direcional, em comparação com aquela quando o componente está presente.
• A isolação deve ser maximizada. Esta é a diferença de nível de potência entre a porta de entrada e a porta isolada.
• A diretividade deve ser maximizada. Esta é a diferença de nível de potência entre a porta 3 e a porta 4 do acoplador direcional e está relacionada à isolação. É uma medida da independência das portas acopladas e isoladas.

Embora os acopladores direcionais de RF podem ser implementados utilizando uma variedade de técnicas, o tipo microtira de linha é preferido em aplicações satcom de baixo SWaP-C por causa do tamanho pequeno. Um exemplo é o acoplador direcional FPC06078 da Knowles. Ele é um dispositivo SMD de linha em microtira que mede 2,5 x 2,0 x 0,4 mm. Tem uma faixa de temperatura operacional de -55°C a +125°C e uma impedância característica de 50 Ω.

Embora o fator de acoplamento seja dependente da frequência, um acoplador direcional de alta qualidade exibirá uma resposta de frequência de acoplamento relativamente plana. A partir da Figura 7 abaixo, pode-se ver que o dispositivo Knowles apresenta um fator de acoplamento nominal de 20 dB, que varia apenas 2 dB em uma faixa operacional de 12 a 18 GHz. O acoplador direcional FPC06078 apresenta uma perda de inserção de 0,3 dB e uma perda mínima de retorno de 15 dB. A diretividade do dispositivo é de 14 dB (Figura 8).

Figura 7: É mostrada a resposta de frequência do acoplador direcional FPC06078. O dispositivo apresenta um fator de acoplamento nominal de -20 dB e uma baixa perda de inserção de 0,3 dB. (Fonte da imagem: Knowles DLI)

Figura 8: É mostrado um gráfico da diretividade do acoplador direcional FPC06078. Para um maior desempenho da matria de antenas, a diretividade, que está relacionada à isolação, deve ser maximizada. (Fonte da imagem: Knowles DLI)

Conclusão

Os projetistas estão respondendo à demanda por baixo SWaP-C em aplicações de satcom, empregando componentes SMD passivos e compactos. Exemplos incluem os divisores de potência e acopladores direcionais usados na fabricação de matrizes de antenas dos satélites.

Ao selecionar dispositivos SMD passivos e compactos de boa qualidade — que prometem desempenho superior através da construção de linhas em microtiras e materiais cerâmicos com alta capacidade dielétrica — os projetistas podem tirar vantagem das bandas de RF de maior frequência para aplicações satcom. Além disso, esta nova geração de divisores de potência SMD e acopladores direcionais permite que os projetistas criem matrizes de antenas menores e mais leves, ao mesmo tempo em que aumentam o ganho das antenas e a capacidade de formação de feixes.