יסודות מחלקי ומצרפי הספק RF

התוצאה של העלייה בדרישות החיבוריות האלחוטית עבור יישומים כגון אינטרנט-של-דברים (IoT), סלולר ואלקטרוניקה בכלי-רכב היא מערכות המשתמשות יותר ויותר באותות, רכיבים ותתי-מערכות RF. לעתים קרובות המתכננים צריכים להפנות אותות אלה ליותר מיעד אחד או לצרף מספר אותות. עם זאת, צירוף או פיצול אותות יכול להיות בעייתי מאחר והמתכננים צריכים להבטיח ניתוב אותות ללא דגרדציה עקב אי-תאום עכבות או העמסה, והכל תוך שמירה על דרישות גודל ועלות קריטיים.

צורך זה לחלק או לצרף אותות בין כניסות או יציאות רבות נענה על ידי מחלק או מצרף הספק RF. התקנים שימושיים אלה מבצעים משימות אלה תוך שמירה על עכבות העומס הנכונות לכל המקורות כמו גם הענקת בידוד.

מאמר זה מספק את היסודות של שלושה סוגים נפוצים של מחלקים/מצרפים של הספק RF: התנגדותי, היברידי ו- Wilkinson, תוך שימוש בדוגמאות מ- Susumu‏, Anaren‏, MACOM‏ ו- Analog Devices. הוא דן במפרטים וביישומים הנפוצים שלהם המאפשרים למתכננים לבצע בחירת התקנים חכמה, כולל שיקולי המימוש.

מחלקי הספק

למחלק הספק יש אות כניסה אחד ושתיים או יותר אותות יציאה. לאותות הכניסה יש רמת הספק של N‏/1 של רמת הספק הכניסה כאשר N הוא מספר היציאות במחלק. האותות ביציאות, בצורה הנפוצה ביותר של מחלק הספק, הם באותה פאזה. ישנם מחלקי הספק המוסיפים הזזות פאזה מבוקרות בין היציאות. יישומי RF נפוצים עבור מחלקי הספק, כמוזכר לעיל, מכוונים מקור RF משותף למספר התקנים (איור 1).

איור 1: מחלקי הספק משמשים לפיצול אות RF משותף למספר התקנים כגון במערכות אנטנות Phased Array או ב- Quadrature Demodulator. (מקור התמונה: DigiKey)

הדוגמה הראשונה היא אנטנת Phased Array בה מקור ה- RF מפוצל בין שני אלמנטי האנטנה. אנטנות מסוג זה כוללות באופן קלאסי שניים עד שמונה אלמנטים או יותר, כשכל אחד מהם נדחף מנקודת יציאה של מחלק הספק. מזיזי פאזה הם בדרך כלל חיצוניים למחלק כדי לאפשר בקרה אלקטרונית להטיית תבנית שדה האנטנה.

הדוגמה השנייה היא דה-מודולטור רביעוני (Quadrature) הדורש מתנד מקומי המוזן לשני מיקסרים המבצעים דה-מודולציה של גל-נושא RF לשני רכיבי מודולציה, אחד בפאזה (I) ואחד ברבע-פאזה (Q). הזזת הפאזה ב- 90° הדרושה לביצוע הדה-מודולציה של אות Q יכולה להיות חיצונית כפי שמוצג או פנימית בתוך מחלק ההספק. בשני המקרים רמות עוצמת האות שוות.

את מחלק ההספק ניתן להפעיל "לאחור" כך שניתן לצרף מספר כניסות לתוך יציאה אחת, פעולה ההופכת אותו למצרף הספק. באופן מצרף, התקנים אלו מסוגלים לבצע חיבור או חיסור וקטורים של אותות על בסיס ערכי האמפליטודה והפאזה שלהם.

טופולוגיית מחלק הספק

כאשר מנסים לפצל אות לשני רכיבי אמפליטודה מוקטנים, המתכנן עשוי לשקול פשוט להשתמש בחיבור "T" על ידי מיקום שני עומסים על מקור משותף (איור 2).

איור 2: חיבור "T" בסיסי היכול לפצל אות לשני רכיבים עם אמפליטודות שוות ואותה פאזה אך עם מספר מגבלות. (מקור התמונה: DigiKey)

התצורה תעבוד אך היא כפופה למספר מגבלות. הברורה ביותר הוא אי-תיאום עכבות. אם שתי היציאות (יציאות 2 ו -3) מוזנות לתוך עומס של 50 אוהם (Ω), אזי נקודת הכניסה (נקודה 1) עומדת בפני עומס של ‎25 Ω. אם מקור הכניסה הוא התקן של Ω‏ 50, אזי זה גורם לבעיית העמסה. הבעיה השנייה היא היעדר בידוד. אם לדוגמה אחת מהיציאות מקוצרת, גם היציאה השנייה מתקצרת.

ישנן שלוש טופולוגיות מעגלים עיקריות למחלקי הספק המונעות את המגבלות של חיבור "T". שלוש הטופולוגיות הן התנגדותית, היברידית ו- Wilkinson (איור 3). מחלקי Wilkinson והיברידי הם קטגוריה של מחלקים הנקראים מחלקים ראקטיביים.

איור 3: סכמות מפושטות של שלושת הטופולוגיות הנפוצות של מחלקי הספק: התנגדותית, היברידית ו- Wilkinson. (מקור התמונה: DigiKey)

מחלקים התנגדותיים

המימוש הנפוץ ביותר של מחלק הספק, ההתנגדותי, משתמש בשלושה נגדים עם ערך שווה, בדרך כלל בתצורת כוכב.  הודות לסימטריה של ההתקן, אין נקודת כניסה ייעודית - כל נקודה יכולה לשמש ככניסה. ערכי הנגדים הם שליש מהעכבה האופיינית איתה משמש מחלק ההספק. במקרה של מערכת Ω‏ 50 הערך הוא Ω‏ 16.67; עבור מערכת Ω‏ 75 ערך ההתנגדות הוא Ω‏ 25. כקטגוריה, למחלקי הספק התנגדותיים יש בדרך כלל את רוחב-פס התדרים הרחב ביותר מאחר ואין בתכן שלהם אף רכיבי ראקטיבי התלוי בתדר.

היתרון העיקרי של המחלק ההתנגדותי הוא הפשטות שלו; הוא קל למימוש ובעלות מינימלית. הוא גם ההתקן הקטן ביותר. החיסרון העיקרי שלו הוא הפסדי ההספק דרך הנגדים הטוריים בין נקודות היציאה. להתקנים אלו יש מפרט הספק נומינלי. מרבית היישומים של מחלק הספק התנגדותי משתמשים בהספק נמוך יחסית. הבידוד המסופק על ידי הנגדים בין נקודות -החיבור הוא משופר בהשוואה לתצורת "T".

אמפליטודות האותות בנקודות היציאה של מחלק התנגדותי יהיו חצי מאלו של רמת אותות הכניסה (איור 4).

איור 4: השוואת הכניסה והיציאות של מחלק התנגדותי. אות הכניסה הוא פרץ (Burst) של סינוס בתדר 50 מגה-הרץ (MHz) עם אמפליטודת שורש ממוצע הריבועים (RMS) של 179.5 מילי-וולט (mV) (הגרף השמאלי העליון). ליציאות (הגרפים בצד שמאל במרכז ובתחתית) יש רמות RMS של mV‏ 91.7‏ (dB‏ 5.8-) ו- mV‏ 88.7‏ (dB‏ 6.1-). שימו לב שכל האותות הם באותה פאזה, כצפוי. (מקור התמונה: DigiKey)

הגרף השמאלי העליון הוא אות הכניסה, פרץ (Burst) של סינוס בתדר ‎50 MHz עם רמת RMS של ‎179.5 mV. הגרפים בצד שמאל במרכז ובתחתית הם של אותות היציאה עם רמות RMS של mV‏ 91.7 ו- mV‏ 88.7, בהתאמה. אלו הן dB‏ 5.8- ו- dB‏ 6.1- מתחת לאותות הכניסה. שלושת הגרפים בצד ימין הם גרפים בזום מורחב אופקית בתצוגה מפורטת יותר. שימו לב שכל האותות הם באותה פאזה, כצפוי.

דוגמה למחלק הספק התנגדותי הוא ה- PS2012GT2-R50-T1 מבית Susumu, מחלק הספק התנגדותי Ω 50 עם שתי נקודות יציאה ורוחב-פס של 20 גיגה-הרץ (GHz). פיזור ההספק הנומינלי שלו הוא 125 מילי-וואט (mW) והפסדי התחיבה שלו הם 0.5%‏± 6 דציבלים (dB), מהם ‏dB‏ 3 עקב ההספק המתפזר בנגדים הפנימיים. ההתקן נתון במארז הרכבה משטחית בממדים של ‎ 2 x 1.25 x 0.4מילימטרים (מ"מ).

מחלקי הספק Wilkinson

מחלק ההספק Wilkinson הוא מחלק ראקטיבי המשתמש בשני שנאי קווי תמסורת רבע-אורך-גל לא-מצומדים מקביליים. השימוש בקווי תמסורת מקל על מימוש מחלק Wilkinson באמצעות קווי תמסורת סטנדרטיים על מעגלים מודפסים. אורך קווי התמסורת מגביל בדרך כלל את תחום התדרים של מחלק Wilkinson לתדרים למעל MHz‏ 500. הנגד בין נקודות היציאה מאפשר להם עכבות מתואמות ועדיין לספק בידוד. מאחר ובנקודות היציאה יש אותות עם אותן אמפליטודה ופאזה, אין מפל מתח על פני הנגד, כך שאין זרימת זרם והנגד אינו מפזר כל הספק.

מחלק ההספק Ω‏ 50 מסוג Wilkinson עם שתי נקודות יציאה PD3150J5050S2HF מבית Anaren מכסה תחום תדרים של GHz‏ 3.1 עד GHz‏ 5‏ עם הספק מקסימלי נומינלי של 2 וואט (Ω). יש לו הפסדי תחיבה, לא כולל הפחתת ההספק של dB‏ 3, של dB‏ 1 (טיפוסי) ובידוד הגדול מ- dB‏ 15 (טיפוסי). יש לו ממדים של 0.53 × 1.29 × 2.0 מ"מ.

מחלקי הספק היברידיים

מחלק ההספק ההיברידי המוצג באיור 3 מבוסס על שימוש בשנאים. שנאי T2 עם הסעף המרכזי יוצר שנאי-עצמי עם יחס ליפופים של 2:1. העכבה על פני צד היציאה המלאה הוא פי ארבע מהעכבה של הסעף המרכזי להארקה. אם העכבה בכל נקודת יציאה (נקודה 2 ונקודה 3) היא Ω‏ 50 אזי עכבת העומס הכוללת היא Ω‏ 100. זה משתקף חזרה דרך השנאי כ- Ω‏ 25 בסעף המרכזי של T2. תיאום עומס זה לכניסה (נקודה 1) דורש שנאי T1, שהוא שנאי תיאום עכבות Ω‏ 25 ל- Ω‏ 50.

כאשר מפעילים כניסה בנקודה 1, כאשר נקודת 2 ו- 3 הן עם סיומות עם עומס של Ω‏ 50, זה גורם לזרם המושרה בנקודות 2 ו- 3 עם הפרש פאזה של 180°. הזרמים דרך נגד R, השווה לסכום העכבות של נקודה 2 ונקודה 3‏ - Ω‏ 100 במקרה זה - יהיו שווים עם פאזות הפוכות ולכן יתבטלו. אין מתח בנקודה 2 מהאות בנקודה 3 ולהיפך. תיאורטית יש בידוד אינסופי. חצי מהספק הכניסה יופיע בכל אחת מנקודות היציאה.

ה- MAPD-009278-5T1000 מבית MACOM הוא מחלק הספק היברידי המכסה תחום תדרים בין MHz‏ 5 עד GHz‏ 1. התצורה שלו היא של מחלק עם שתי נקודות ואפס-מעלות. הפסדי התחיבה, לא כולל את ה- dB‏ 3 של הפחתת ההספק, הם פחות מ- dB‏ 1.4. הבידוד מוגדר כ- dB‏ 20 טיפוסי. מחלק זה יכול לטפל ברמת הספק מקסימלית של mW‏ 250, והממדים הפיזיים שלו הם 3‏ x‏ 4.22‏ x‏ 4.45 מ"מ.

מחלקי הספק אקטיביים

יישומים הדורשים חלוקת אותות ללא-הפסדים יכולים להשתמש במחלקי הספק אקטיביים כדוגמת ה- ADA4304-3ACPZ-R7 מבית Analog Devices. זהו מפצל הספק Ω‏ 75‏ 3:1 עם מגבר מובנה היכול לספק הגבר של dB‏ 3. יש לו רוחב-פס של MHz‏ 2,400 המיועד לשימוש בתחום התדרים של MHz‏ 54 עד MHz‏ 865. בידוד יציאה-ליציאה הוא טוב יותר מ- dB‏ 25. העכבה של Ω‏ 75 ותחום התדרים מציינים כי מחלק זה מיועד עבור יישומי טלוויזיה, כולל ממירי טלוויזיה רבי-טיונרים וטלוויזיות מוכנות-לכבלים.

מבין ההתקנים שתוארו, המחלקים ההתנגדותיים הם הפשוטים ביותר ויש להם את רוחב-הפס הרחב ביותר האפשרי ובדרך כלל את הגודל הקטן ביותר, אך יש להם הפסדי תחיבה גבוהים יותר ובידוד נמוך יותר. מחלקי ההספק Wilkinson מציעים הפסדי תחיבה נמוכים יותר ובידוד גדול יותר אך רוחב-הפס שלהם מוגבל יותר. גודלם הפיזי ישתנה עם תחום התדרים הספציפי הנדרש. המחלקים ההיברידיים מציעים הפסדי תחיבה נמוכים ובידוד טוב אך הגודל הפיזי שלהם גדול יותר. מפצלי הספק אקטיביים מונעים את הפסדי התחיבה אך הם נוטים להיות יקרים יותר.

שיקולי מימוש

בעוד שמצרפי הספק הם פשוטים מאד, הם עדיין יכולים לגרום לבעיות אם לא מממשים אותם בצורה נכונה. לדוגמה, יש להיזהר מהיסטי (Offset‏) DC בכניסה. משלבים היברידיים, המשתמשים בשנאים, אינם מעבירים DC.

במחלקים התנגדותיים נוכחות DC יכולה להפחית את ההספק הנומינלי. לכל מחלקי ההספק הפסיביים יש טופולוגיות סימטריות והמתכננים חייבים לשמור סימטריה זו כאשר הם מיישמים אותם. העומסים חייבים להיות מתואמים ומאוזנים. השימוש בעכבות עומס לא-מתואמות יגרום לרמות יציאה לא-שוות.

ביישומים הדורשים הפרשי פאזה קבועים, כגון הזנת מתנד מקומי למודולטור או דה-מודולטור רביעוני (Quadrature), מסלולי היציאה חייבים להיות באורך שווה כדי למנוע אי-תאום פאזה במיקסרים.

סיכום

הצורך לפצל או לצרף אותות הוא חיוני בתכן RF מודרני במגוון של יישומים כולל IoT, תקשורת דיגיטלית ומערכות סיוע לנהג בכלי-רכב. מחלקי/מצרפי הספק משרתים פונקציה זו. האפשרויות עבור מתכננים הצריכים להשתמש במחלקי הספק הן של אחת משלוש הטופולוגיות של מחלק הספק, שלכל אחת מהן יש פשרות משלה. ידע בסיסי במאפייני כל טופולוגיה יעזור למתכננים לבחור את מחלק ההספק המתאים.