Para engenheiros envolvidos em análises de circuitos que não sejam de RF ou em trabalhos reais de placas de circuito e desktops, os principais parâmetros de sinal de interesse para eles são a tensão e a corrente em pontos específicos do projeto. Esses parâmetros podem ser medidos usando um voltímetro, osciloscópio ou resistor sensor de corrente.
Em contraste, os trabalhadores nos campos de RF com e sem fio concentram-se na potência em watts ou miliwatts (mW), ou decibéis (dB) com base em 1 mW (dBm). No entanto, medir a potência de RF não é uma tarefa fácil, pois não existe uma tensão ou corrente simples que possa interferir no ponto de captação do sinal de transmissão de energia. Pelo contrário, devem ser utilizados esquemas e transmissores de sinais únicos para avaliar os níveis de potência de RF.
O acoplador direcional é um dos métodos mais comuns, que é um dispositivo passivo que pode "captar" sinais de RF com um grau de acoplamento especificado e fornecer alto isolamento entre o sinal e a porta de amostragem.
Esta é uma tecnologia totalmente validada que nos permite compreender o princípio de funcionamento dos acopladores direcionais. Em seguida, exploraremos como os avanços nos materiais podem impulsionar o desenvolvimento de acopladores, reduzindo-os a dispositivos com tecnologia de montagem em micro superfície (SMT) adequados para circuitos de baixa potência.
Princípio de funcionamento do acoplador direcional
O acoplador universal de quatro portas possui função de RF passiva, incluindo porta de acoplamento (direto) e porta de isolamento (reversa ou reflexão) (Figura 1, figura superior). O acoplador direcional é uma estrutura de três portas que não requer o uso de portas isoladas; Esta configuração é usada para aplicações que requerem apenas uma única saída de acoplamento direto (direcional) (Figura 1, figura abaixo).
A função de um acoplador direcional é realizar amostragem de potência na linha de transmissão de sinal sem alterar as características da linha. Isso é um pouco semelhante ao uso de um voltímetro de alta impedância para evitar adicionar carga à fonte de alimentação na linha de teste.
Com esta tecnologia de acoplamento direcional, detectores simples de baixo nível ou medidores de intensidade de campo e dispositivos de medição de potência podem ser usados para medir a potência do sinal. Uma pequena porção da potência de entrada fixa será incidente da porta de entrada P1 para a porta de acoplamento P3 para fins de medição. A potência de entrada restante é transmitida (referida como passagem ou saída) para a porta de transmissão P2.
Uma vantagem importante dos acopladores direcionais são suas características de acoplamento de potência unidirecional; Acoplando apenas potência de transmissão unidirecional; Qualquer energia inesperada que entre na porta de saída será acoplada à porta de isolamento de terminal não utilizada P4 em vez da porta P3, mas esta situação não interferirá no fluxo direcional do acoplador direcional.
Figura 1: Um acoplador direcional é um dispositivo funcional de RF passivo de três portas que pode transferir parte da potência incidente em P1 para a porta de acoplamento P3 para medição sem afetar o caminho único principal da porta de entrada P1 para a porta de transmissão (saída) P2; Um acoplador direcional é um subdispositivo unidirecional de um acoplador bidirecional de quatro portas. (Fonte da imagem: Wikipédia)
Estes parâmetros de nível superior são usados para especificar acopladores direcionais:
Grau de acoplamento: A proporção da potência de entrada (em P1) transmitida à porta de acoplamento (P3).
Direcionalidade: Este parâmetro representa a capacidade do acoplador de distinguir entre a propagação da onda para frente e para trás, que pode ser observada na porta de acoplamento (P3) e na porta de isolamento (P4).
Isolamento: A potência entregue às cargas não acopladas (P4).
Perda de inserção: refere-se à atenuação da potência de entrada na porta de transmissão, incluindo o componente de potência desviado para a porta de acoplamento e porta de isolamento.
Perda de retorno: Este parâmetro representa a potência refletida de volta para a porta P1 devido à incompatibilidade de impedância.
O uso de materiais avançados pode reduzir o volume dos acopladores direcionais
Existem muitos métodos para construir acopladores direcionais. Do ponto de vista histórico, os acopladores direcionais foram obtidos através de guias de ondas ou cabos coaxiais, que ainda são necessários para aplicações de maior potência. No entanto, os circuitos RF modernos de baixo custo, como os das estações base, requerem acopladores muito menores. Isto pode ser conseguido usando linhas de tira ou processos de microfita em substratos cerâmicos de alta constante dielétrica.
A linha Microstrip é uma tecnologia de linha de transmissão planar que utiliza uma tira condutora isolada do plano de aterramento por um substrato dielétrico. Os dispositivos completos, como antenas, acopladores, filtros e divisores de potência, são formados por estruturas de padrões metalizados no substrato e possuem características dimensionais de alta precisão. Em comparação com outras tecnologias de linha de transmissão, pequenos dispositivos construídos com tecnologia de linha microfita são mais leves, mais compactos e normalmente mais baratos. Este tipo de dispositivo pode suportar uma potência de nível médio de aproximadamente dez watts.
O uso de materiais de alto K como substratos pode encurtar o comprimento de onda dos sinais de RF e reduzir o tamanho geral do dispositivo. Observe que a literatura acadêmica às vezes usa 'k' minúsculo, que é referido como 'kappa' em materiais mais formais.
Ao utilizar acopladores direcionais feitos de materiais de alto K e a tecnologia de processo de microfita de filme fino de alta precisão da Knowles, os projetistas de RF podem reduzir o tamanho, o peso e a potência (SWaP) dos circuitos de RF, mantendo tolerâncias rígidas de desempenho.
As vantagens e efeitos desses materiais de alto K são muito significativos, como mostrado na Figura 2: as constantes dielétricas e comprimentos de onda correspondentes de três materiais dielétricos comuns (PTFE, FR-4 e alumina) e três substratos customizados desenvolvidos por Knowles (PG, CF e CG) a 25 gigahertz (GHz). Seu substrato CF tem uma constante dielétrica de 25, enquanto a constante dielétrica do material FR-4 é 4,8. Portanto, os dispositivos feitos de material CF têm um comprimento de onda encurtado para 2/5 dos dispositivos de material FR-4, conseguindo uma redução significativa no tamanho do dispositivo.