地球周圍的空間正在迅速填滿，未來十年內(nèi)還將發(fā)射數(shù)千顆新衛(wèi)星。這給衛(wèi)星通訊設(shè)計人員帶來了兩方面的壓力。首先，傳統(tǒng)的 L、C 和 X 頻帶衛(wèi)星通訊可用帶寬正在迅速消耗。其次，商用衛(wèi)星制造商希望他們的產(chǎn)品更輕、發(fā)射成本更低。

    衛(wèi)星通訊設(shè)計人員正在應(yīng)對射頻帶寬的不足，將通訊從傳統(tǒng)的衛(wèi)星頻帶轉(zhuǎn)移到更高頻率的射頻頻帶，如 Ku（12 至 18 GHz）。Ku 頻帶的吞吐率可能更大，而且不易造成擁堵。針對尺寸、重量、功率和成本 (“SWaP-C”) 要求，設(shè)計人員正在使用先進(jìn)的封裝表面貼裝器件 (SMD) 構(gòu)建衛(wèi)星的關(guān)鍵元件，如天線陣列。

    本文概述了 SMD 功率分配器和定向耦合器的優(yōu)點，它們是用于 Ku 頻帶衛(wèi)星通訊天線陣列的關(guān)鍵無源元件。文中以 Knowles Dielectric Labs 器件為例，描述了這些元器件如何滿足當(dāng)今的低 SWaP 要求，以及設(shè)計人員如何利用這些重要元器件的關(guān)鍵性能特征來優(yōu)化天線陣列性能。

    天線陣列的發(fā)展

    近年，衛(wèi)星和地面基站天線已經(jīng)從單碟形天線發(fā)展為天線陣列。天線陣列包含兩個或更多元件，每個元件本質(zhì)上是微型天線。相比傳統(tǒng)天線，衛(wèi)星通訊應(yīng)用中采用天線陣列的益處在于：

    · 更高增益

    · 更高信噪比 (SNR)

    · 傳輸光束可轉(zhuǎn)向，對特定方向輸入的信號的靈敏度增強(qiáng)

    · 更好的分集接收（有助于克服信號衰減）

    · 天線輻射模式中的旁瓣更小

    傳統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)采用 3D 磚配置，該配置包含諸多并排布置的電子組件，其中使用多個連接器和電纜連接。由此，與單碟形天線相比，天線陣列的體積和復(fù)雜性都得以增加。

    關(guān)注低 SWaP-C 后，體積和復(fù)雜性的問題得以解決，因為沒有采用芯片-導(dǎo)線或混合制造技術(shù)構(gòu)建的磚結(jié)構(gòu)。新型設(shè)計由多個微帶線 2D 平面元件組成，基于使用 SMD 封裝的 PC 板基底。這種平面配置無需大量連接器和電纜，改善了 SWaP，同時提高了可靠性并簡化了制造。

   使用低 SWaP-C 的 SMD 元器件（右）與傳統(tǒng)的 3D 磚組件（左）相比，可以減少衛(wèi)星通訊天線陣列的體積。（圖片 DLI）

    SMD 不僅大大減小了天線陣列的體積，而且還能使用單一自動裝配線，與傳統(tǒng)的芯片-導(dǎo)線或混合方法相比，大大降低了生產(chǎn)成本。SMD 組件也有助于加速產(chǎn)品上市。

    這些進(jìn)展得益于新一代的 SMD 元器件，后者能在太空中以高頻率可靠地工作。這些器件采用創(chuàng)新的電介質(zhì)、緊公差、薄膜制造和新穎的微帶線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提供高性能/封裝比。

    關(guān)鍵天線陣列元器件：功率分配器

    天線陣列中一個關(guān)鍵的無源 SMD 是功率分配器。單獨的功率分配器將輸入信號分成兩個或更多信號，分配到陣列中的天線元件上。簡單的功率分配器將輸入功率（除去電路損耗）均勻分配到每條輸出支路上，其他形式的功率分配器按比例將輸入功率分配到輸出支路。

    功率分配器有多種配置，但對于高頻應(yīng)用，功率分配器通常采取微帶線型威爾金森設(shè)計（圖 2）。基礎(chǔ)型分配器的每條支路測量輸入射頻信號的四分之一波長。例如，對于中心頻率為 15 GHz 的輸入信號，每條支路的長度為 5 mm。支路作用相當(dāng)于四分之一波長阻抗變壓器。

    隔離電阻器可用于匹配輸出端口；由于輸出端口之間的電位為零，電流不會流過電阻器，所以不會造成電阻損耗。此外，即使反向使用器件（作為功率組合器），電阻器也可提供出色隔離能力，從而限制各通道之間的串?dāng)_。

    圖 2：基礎(chǔ)型威爾金森功率分配器使用兩個四分之一波長阻抗變壓器和一個隔離電阻器來匹配輸出端口。端口 2 和 3 各為端口 1 提供一半的輸入功率。（圖片 DLI）

    為了限制功率分配時的損耗，功率分配器的兩個輸出端口必須各自提供 2 Zo 的阻抗。（2 個 Zo 并聯(lián)將提供 Zo 的全部阻抗）。

    有關(guān) R = 2 Zo 時的平均功率分布：

    其中：

    R = 兩個端口之間連接的端接電阻器的數(shù)值

    Zo = 整個系統(tǒng)的特征阻抗

    Zmatch = 功率分配器支路中四分之一波長變壓器的阻抗

    散射矩陣（S 矩陣）包含散射參數(shù)，這些參數(shù)用于描述射頻線性網(wǎng)絡(luò)（如威爾金森功率分配器）的電氣性能。圖 3 展示了圖 2 中簡單功率分配器的 S 矩陣。

    圖 3：圖 2 中威爾金森功率分配器的散射矩陣（S 矩陣）。（圖片 Keeping）

    S 矩陣的主要特征包括：

    · Sij = Sji（表明威爾金森功率分配器也可用作組合器）

    · 端子匹配（S11、S22、S33 = 0）

    · 輸出端子已隔離（S23、S32 = 0）

    · 功率平均分配（S21=S31）

    當(dāng)端口 2 和 3 的信號同相且幅度相等時，損耗。理想的威爾金森功率分配器提供 S21 = S31 = 20 log10(1/√2) = (-)3 分貝 (dB)（即每個輸出端口提供一半輸入功率）。

    微帶線威爾金森功率分配器是低 SWaP-C 天線陣列應(yīng)用的理想解決方案。Ku 頻帶的商用選擇包括 Knowles Dielectric Labs 的 PDW06401 16 GHz 雙向威爾金森功率分配器。Knowles 擁有電介質(zhì)和薄膜制造專有知識，能夠制造出低損的緊湊型 SMD，用于 Ku 頻帶衛(wèi)星通訊天線陣列。

    PDW06401 尺寸為 3 x 3 x 0.4 mm，使用低損耗材料，溫度范圍廣，可地減少性能變化。該封裝的特征阻抗 (Z0) 符合 50 歐姆 (Ω) 的要求，以地降低電壓駐波比 (VWSR)，從而地減少高頻射頻系統(tǒng)的回波損耗。該器件的標(biāo)稱相移為零，振幅平衡為 ±0.25 dB，相位平衡為 ±5°。過度插入損耗為 0.5 dB。圖 4 展示了 PDW06401 功率分配器的頻率響應(yīng)。

    圖 4：PDW06401 功率分配器頻率響應(yīng)。RL 代表端子匹配（S11、S22 等），Iso 是輸出端口之間的隔離（S23、S32），IL 是輸出功率（S21、S31）。（圖片 DLI）

    功率分配器的回波損耗、隔離、振幅平衡和相位平衡特征對天線陣列的性能至關(guān)重要，體現(xiàn)在以下方面：

    · 產(chǎn)品的回波損耗要低，因為損耗較大會直接影響傳輸/接收的光束能量。

    · 產(chǎn)品隔離性要高，因為這會影響天線陣列中信號路徑之間的隔離，并提高其增益。

    · 器件的振幅平衡應(yīng)接近 0 dB，它會影響天線的振幅性能和有效全向輻射功率 (EIRP)。

    · 器件的相位平衡應(yīng)接近 0° 相差，這樣可促進(jìn)功率傳輸，并確保整個網(wǎng)絡(luò)的所有分支達(dá)到預(yù)期相長。相位不平衡過大會降低 EIRP，并可能改變波束形成天線陣列的輻射模式。

    關(guān)鍵天線陣列元器件：定向耦合器

    定向耦合器是天線陣列中另一種發(fā)揮重要作用的元器件，它能持續(xù)測量陣列元件的發(fā)射和接收功率。定向耦合器是無源器件，將已知的發(fā)射或接收功率耦合到另一個端口，以便進(jìn)行測量。耦合時通常將兩根導(dǎo)線相互靠近，從而使得經(jīng)過一條線的能量耦合到另一條線。

    該器件有四個端口：輸入、傳輸、耦合和隔離。主傳輸線位于端口 1 和 2 之間。隔離端口端接有內(nèi)部或外部匹配的負(fù)載（通常為 50 Ω），而耦合端口 (3) 用于分接耦合能量。耦合端口通常只提供主線的一小部分能量，并且通常配有一個較小的連接器，以區(qū)別于主線端口 1 和 2。耦合端口可用于獲取信號功率水平和頻率信息，而不中斷系統(tǒng)中的主要功率流。進(jìn)入傳輸端口的功率流向隔離端口，不影響耦合端口的輸出（圖 5）。

    圖 5：功率分配器的耦合端口 (P3) 向輸入端口 (P1) 傳遞部分功率，其余部分傳遞至傳輸端口 (P2)。隔離端口 (P4) 端接有內(nèi)部或外部匹配的負(fù)載。（圖片 Spinningspark）

    耦合器的關(guān)鍵特征是耦合系數(shù)。

    耦合系數(shù)定義為：

    簡單的耦合器采用直角拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即耦合線在輸入信號的四分之一波長時相鄰運(yùn)行（例如，15 GHz 信號為 5 mm）。這類耦合器通常在端口 3 產(chǎn)生一半的輸入功率（即耦合系數(shù)為 3 dB），在傳輸端口的功率也減少 3 dB。（圖 6）。

    圖 6：簡單的定向耦合器的耦合線在輸入信號頻率的四分之一波長時相鄰運(yùn)行。

    （圖片 Spinningspark）

    與功率分配器一樣，定向耦合器的有些關(guān)鍵特征會影響天線陣列性能。這些特征包括：

    · 應(yīng)盡量減少主線損耗以提高天線陣列增益。這種損耗是由于主線的電阻加熱造成的，與耦合損耗無關(guān)。主線總損耗為電阻加熱損耗加耦合損耗。

    · 耦合損耗是由于能量轉(zhuǎn)移到耦合端口和隔離端口而導(dǎo)致的功率下降。假設(shè)有合理的指向性，相比有意轉(zhuǎn)移到耦合端口的功率，無意轉(zhuǎn)移到隔離端口的功率應(yīng)該可以忽略不計。

    · 應(yīng)當(dāng)?shù)販p少回波損耗。回波損耗是對定向耦合器返回或反射的信號量的度量。

    · 應(yīng)當(dāng)?shù)販p少插入損耗。插入損耗是無定向耦合器的測試配置中信號電平與含該元器件時的信號電平的比率。

    · 應(yīng)當(dāng)?shù)卦黾痈綦x性。隔離是輸入端口和隔離端口之間的功率水平差。

    · 應(yīng)當(dāng)?shù)靥岣咧赶蛐浴Ｖ赶蛐允嵌ㄏ蝰詈掀鞫丝?3 和端口 4 之間的功率水平差，與隔離有關(guān)。指向性是對耦合端口與隔離端口的獨立性的度量。

    雖然射頻定向耦合器可以用各種技術(shù)實現(xiàn)，但微帶線類型因體積小巧而在低 SWaP-C 衛(wèi)星通訊應(yīng)用中備受青睞。例如 Knowles 的 FPC06078 定向耦合器。這是一個 SMD 微帶線器件，尺寸為 2.5 x 2.0 x 0.4 mm。工作溫度范圍為 -55°C 至 +125°C，特征阻抗為 50 Ω。

    雖然耦合系數(shù)與頻率有關(guān)，但優(yōu)質(zhì)定向耦合器的耦合頻率響應(yīng)相對平坦。下圖 7 中，Knowles 器件的標(biāo)稱耦合系數(shù)為 20 dB，在 12 至 18 GHz 的工作范圍內(nèi)僅變化 2 dB。FPC06078 定向耦合器的插入損耗為 0.3 dB，回波損耗為 15 dB。該器件的指向性為 14 dB（圖 8）。

    圖 7：所示為 FPC06078 定向耦合器的頻率響應(yīng)。該器件的標(biāo)稱耦合系數(shù)為 -20 dB，插入損耗低至 0.3 dB。（圖片 DLI）

    圖 8：所示為 FPC06078 定向耦合器的指向性圖。為了提高天線陣列性能，應(yīng)地提高與隔離有關(guān)的指向性。（圖片 DLI）

    總結(jié)

    設(shè)計人員目前采用緊湊型 SMD 無源元器件，來響應(yīng)衛(wèi)星通訊應(yīng)用中對低 SWaP-C 的需求。例如用于制造衛(wèi)星天線陣列的功率分配器和定向耦合器。

    設(shè)計人員通過選擇優(yōu)質(zhì)的緊湊型 SMD 無源器件，可以為衛(wèi)星通訊應(yīng)用實現(xiàn)更高頻率的射頻頻帶。此類器件采用微帶線結(jié)構(gòu)和具有高介電能力的陶瓷材料，因此能夠提供優(yōu)異的性能。此外，全新一代 SMD 功率分配器和定向耦合器使設(shè)計人員能夠設(shè)計出更小、更輕的天線陣列，同時提高天線的增益并增強(qiáng)波束形成能力。