SMD 전력 분배기 및 방향성 커플러를 사용하여 SWaP-C 위성 통신 안테나 어레이를 구현하는 방법

우주에서 지구 주변에 많은 위성으로 채워지고 있으며, 수천 개의 새로운 위성이 향후 10년간 발사될 예정입니다. 이는 두 가지 측면에서 위성 통신(satcom) 설계자에게 부담을 주고 있습니다. 첫째, 기존 L, C 및 X 대역에서 위성 통신에 사용 가능한 대역폭이 빠르게 소진되고 있습니다. 둘째, 상업용 위성 제작자는 제품을 더 가볍게 만들고 더 저렴하게 발사하기를 원합니다.

위성 통신 설계자는 기존 위성 대역에서 Ku(12GHz ~ 18GHz)와 같은 고주파 RF 대역으로 통신을 이동하여 부족한 RF 대역폭에 대응하고 있습니다. Ku 대역은 잠재적으로 훨씬 우수한 처리량을 제공하고 정체가 훨씬 적습니다. 최소 크기, 무게, 전력 및 비용('SWaP-C') 요구 사항에 따라 설계자는 고급 패키지 표면 실장 장치(SMD)를 사용하여 안테나 어레이와 같은 주요 위성 요소를 제작하는 방식으로 대응합니다.

이 기사에서는 Ku 대역 위성 통신 안테나 어레이에 사용되는 주요 수동 소자인 SMD 전력 분배기와 방향성 커플러의 이점을 요약합니다. 그런 다음 Knowles Dielectric Labs의 장치를 예시로 소개하고, 이러한 부품이 오늘날의 낮은 SWaP 요구 사항을 충족하는 방식과 설계자가 이러한 핵심 부품의 주요 성능 특성을 이용하여 안테나 어레이 성능을 최적화하는 방법을 설명합니다.

안테나 어레이의 발전

최근에 위성 및 접지 스테이션 안테나의 개발로 단일 접시형 안테나에서 안테나 어레이로 진화했습니다. 안테나 어레이는 두 개 이상의 소자를 결합하며, 각 소자는 기본적으로 미니 안테나 역할을 합니다. 위성 통신 응용 분야에 사용되는 기존 안테나에 비해 안테나 어레이는 다음과 같은 이점이 있습니다.

• 높은 이득
• 증가한 신호대 잡음비(SNR)
• 조정 가능한 전송 빔 및 특정 방향에서 들어오는 수신 신호에 대한 향상된 감도
• 향상된 다이버시티 수신(신호 페이딩 해결 지원)
• 안테나 방사 패턴의 작은 측면 돌출 모양

기존 어레이 구조는 전자 조립품을 나란히 배치하고 여러 커넥터와 케이블로 연결한 3D 브릭 구성으로 되어 있습니다. 따라서 단일 접시형 안테나에 비해 안테나 어레이의 크기와 복잡성이 증가합니다.

낮은 SWaP-C에 초점을 맞추고 칩과 전선 또는 하이브리드 제조 기술에서 기인하는 브릭형 구조를 제거함으로써 크기 및 복잡성 문제를 해결했습니다. 최신 설계는 SMD 패키징을 사용하여 PC 기판에 기반하는 여러 마이크로스트립 2D 평면 소자로 구성됩니다. 이 평편 구성에서는 많은 커넥터와 케이블이 필요하지 않아서 신뢰성을 개선하고 제조를 단순화하면서 SWaP를 향상시킵니다(그림 1).

그림 1: 낮은 SWaP-C SMD 부품(오른쪽)을 사용하면 기존 3D 브릭 조립품(왼쪽)에 비해 위성 통신 안테나 어레이의 크기를 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Knowles DLI)

SMD를 사용하면 안테나 어레이의 크기를 크게 줄이면서 단일의 자동화된 조립 라인을 활용하여 기존 칩과 전선 또는 하이브리드 접근 방식에 비해 생산 비용을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 또한 SMD 조립품은 출시 시간을 단축할 수 있습니다.

우주에서 높은 운영 주파수로 안정적으로 작동할 수 있는 차세대 SMD 부품으로 인해 이러한 발전이 가능했습니다. 이 장치는 혁신적인 유전체, 엄격한 허용 오차 범위, 박막 제조, 새로운 마이크로스트립 라인 토폴로지를 지원하여 실장 면적 대비 우수한 성능을 제공합니다.

주요 안테나 어레이 부품: 전력 분배기

안테나 어레이의 필수 수동 소자 SMD는 전력 분배기입니다. 개별 전력 분배기는 수신 신호를 두 개 이상의 신호로 분할하여 어레이를 구성하는 안테나 소자로 분배합니다. 가장 간단한 형태의 전력 분배기는 각 출력 레그에서 입력 전력을 균등하게 분할하지만(약간의 회로 손실 발생), 다른 형태의 전력 분배기를 사용하면 출력 레그 간에 입력 전력을 비례하여 공유할 수 있습니다.

몇 가지 전력 분배기 구성이 있지만 고주파 응용 분야의 전력 분배기는 일반적으로 마이크로스트립 라인 윌킨슨 설계 형태를 따릅니다(그림 2). 기본 형태에서 각 분배기 레그의 크기는 수신 RF 신호 파장의 1/4입니다. 예를 들어, 수신 신호의 중심 주파수가 15GHz인 경우 각 레그의 길이는 5mm입니다. 레그는 1/4 파장 임피던스 변압기로 작동합니다.

분리 저항기는 출력 포트를 연력하는 데 사용됩니다. 출력 포트 사이에 전위가 존재하지 않아서 저항기를 통해 전류가 흐르지 않으므로 저항 손실이 발생하지 않습니다. 또한 저항기는 장치가 역방향으로 사용되더라도(전력 결합기로 사용) 개별 채널 사이의 누화를 제한하여 우수한 분리 성능을 제공합니다.

그림 2: 기본 윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기는 1/4 파장 임피던스 변압기 2개와 분리 저항기 1개를 사용하여 출력 포트를 연결합니다. 포트 2와 포트 3은 각각 포트 1 입력 전력의 1/2을 공급합니다. (이미지 출처: Knowles DLI)

전력을 분할하는 동안 손실을 제한하려면 전력 분배기의 두 출력 포트를 각각 임피던스 2 Zo로 표시해야 합니다. 병렬로 연결된 2 Zo가 전체 임피던스를 제공합니다.

R = 2 Z_o인 동일한 전력 분배의 경우:

여기서,

R = 두 포트 사이에 연결된 종단 저항기의 값

Z_o = 전체 시스템의 특성 임피던스

Z_match = 전력 분배기 레그에서 1/4 파장 변압기의 임피던스

산란 행렬(S 행렬)은 윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기와 같은 RF 선형 네트워크의 전기 임피던스를 설명하는 데 사용되는 산란 파라미터를 포함합니다. 그림 3은 그림 2에 표시된 간단한 형태의 전력 분배기에 대한 S 행렬을 보여줍니다.

그림 3: 그림 2에 표시된 윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기에 대한 산란 행렬(S 행렬) (이미지 출처: Steven Keeping)

S 행렬의 주요 특성은 다음과 같습니다.

• S_ij = S_ji(윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기가 결합기로도 사용되는 것을 알 수 있음)
• 단자가 일치함(S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0).
• 출력 단자가 분리되어 있음(S₂₃, S₃₂ = 0).
• 전력이 균등하게 분할됨(S₂₁ = S₃₁).

포트 2 및 포트 3의 신호가 같은 위상에 있고 진폭이 동일할 때 손실이 최소화됩니다. 이상적인 윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기는 S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3dB(즉, 각 출력 포트에서 입력 전력의 1/2)을 제공합니다.

마이크로스트립 라인 윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기는 낮은 SWaP-C 안테나 어레이 응용 분야에 적합한 솔루션입니다. Ku 대역을 위한 상업용 옵션에는 Knowles Dielectric Labs의 PDW06401 16GHz 양방향 윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기가 있습니다. Knowles 유전체 및 박막 제조 노하우를 활용하여 Ku 대역 위성 통신 안테나 어레이 서비스를 위한 저손실 콤팩트 SMD를 제조할 수 있습니다.

PDW06401은 크기가 3mm x 3mm x 0.4mm이고 폭넓은 온도 범위에서 성능 변화를 최소화하는 저손실 소재를 사용합니다. 이 패키지의 특성 임피던스(Z₀)는 전압 정재파비(VWSR)를 최소화하여 고주파 RF 시스템에서 반사 손실을 최소화하는 데 필요한 50Ω 요구 사항을 충족합니다. 이 장치는 공칭 위상 변이가 0이고, 진폭 균형이 ±0.25dB이고 위상 균형이 ±5°입니다. 초과 삽입 손실은 0.5dB입니다. 그림 4는 PDW06401 전력 분배기의 주파수 응답을 보여줍니다.

그림 4: PDW06401의 전력 분배기 주파수 응답. RL은 단자 매칭(S₁₁, S₂₂ 등)을 나타내고, Iso는 출력 포트(S₂₃, S₃₂) 사이의 분리를 나타내고, IL은 출력 전력(S₂₁, S₃₁)입니다. (이미지 출처: Knowles DLI)

전력 분배기의 반사 손실, 분리, 진폭 균형 및 위상 균형 특성은 안테나 어레이의 성능에서 다음과 같은 중요한 역할을 합니다.

• 반사 손실이 클 경우 전송되거나 수신되는 최대 빔 에너지가 직접적으로 훼손되므로 제품의 반사 손실이 작아야 합니다.
• 제품 분리는 안테나 어레이의 신호 경로 간 분리에 영향을 미치고 이득을 개선하므로 제품 분리가 높아야 합니다.
• 장치의 진폭 균형은 안테나의 진폭 성능과 유효 등방성 복사 전력(EIRP)에 영향을 주므로 0dB에 접근해야 합니다.
• 장치의 위상 균형은 최대 전력 전송을 촉진하고 네트워크의 모든 분기에 대해 의도된 위상 길이를 보장하므로 차이가 0°에 접근해야 합니다. 위상 임피던스가 크면 EIRP가 저하되어 빔 형성 안테나 어레이의 방사 패턴이 변경될 수 있습니다.

주요 안테나 어레이 부품: 방향성 커플러

방향성 커플러는 어레이 소자의 전송 전력과 수신 전력을 지속적으로 측정하여 안테나 어레이에서 중요한 역할을 하는 또 다른 부품입니다. 방향성 커플러는 알려진 양의 전송 또는 수신 전력을 측정 가능한 위치의 다른 포트에 연결(결합)하는 수동 소자입니다. 한 라인을 통과하는 에너지가 다른 라인에 연결되도록 두 컨덕터를 서로 가깝게 배치하면 일반적으로 결합이 실현됩니다.

이 장치에는 네 개의 포트(입력, 전송, 결합, 분리)가 있습니다. 주 전송 라인은 포트 1과 포트 2 사이에 배치됩니다. 분리된 포트는 내부 또는 외부 정합 부하(일반적으로 50Ω)로 종단 처리되고, 결합된 포트(3)는 결합된 에너지를 탭하는 데 사용됩니다. 결합된 포트는 일반적으로 일반적으로 주 회선보다 훨씬 적은 에너지를 제공하며 주 회선의 포트 1 및 포트 2와 구별하기 위해 소형 커넥터를 탑재하는 경우도 있습니다. 결합된 포트를 사용하면 시스템에서 주 전력 흐름을 중단하지 않고 신호 전력 레벨 및 주파수 정보를 수집할 수 있습니다. 전송된 포트를 통과한 전력은 분리된 포트로 흐르므로 결합된 포트의 출력에 영향을 주지 않습니다(그림 5).

그림 5: 전력 분배기의 결합된 포트(P3)는 입력 포트(P1)에 전달되는 전력 중 일부만 통과시키고, 나머지는 전송 포트(P2)를 통과하여 흐릅니다. 분리된 포트(P4)는 내부 또는 외부 정합 부하로 종단 처리됩니다. (이미지 출처: Spinningspark at Wikipedia)

커플러의 주요 특성은 결합 계수이며,

다음과 같이 정의됩니다.

가장 간단한 형태의 커플러는 직각 토폴로지를 제공하고, 결합된 라인은 입력 신호의 1/4 파장(예: 15GHz 신호의 경우 5mm)에 근접한 길이로 연결됩니다. 이 유형의 커플러는 일반적으로 전송된 포트에서 3dB 낮은 전력으로 포트 3에서 1/2의 입력 전력(즉, 결합 계수 = 3dB)을 생성합니다. (그림 6).

그림 6: 가장 간단한 형태의 방향성 커플러는 입력 신호 주파수의 1/4 파장에 인접한 간격으로 결합 라인을 연결합니다. (이미지 출처: Spinningspark at Wikipedia)

전력 분배기의 경우와 마찬가지로 방향성 커플러에는 안테나 어레이의 성능에 영향을 미치는 몇 가지 핵심적인 특성이 있습니다. 이러한 특성은 다음과 같습니다.

• 안테나 어레이 이득을 개선하려면 주 회선 손실을 최소화해야 합니다. 이 손실은 주 회선의 저항 가열 때문이며 결합 손실과 관련이 없습니다. 총 주 회선 손실은 저항 가열 손실에 결합 손실을 더한 값입니다.
• 결합 손실은 결합된 포트와 분리된 포트에 전송되는 에너지로 인한 전력 감소입니다. 합리적인 방향성을 간주할 때 분리된 포트에 의도치 않게 전송되는 전력은 결합된 포트에 의도적으로 전송되는 전력에 비해 무시해도 될 정도여야 합니다.
• 반사 손실을 최소화해야 합니다. 반사 손실은 방향성 커플러에 의해 반환되거나 반사되는 신호의 양입니다.
• 또한 삽입 손실을 최소화해야 합니다. 삽입 손실은 방향성 커플러가 없는 테스트 구성의 신호 레벨을 방향성 커플러가 있는 구성의 신호 레벨과 비교하는 비율입니다.
• 분리를 최대화해야 합니다. 분리는 입력 포트와 분리된 포트 사이의 전력 레벨 차이입니다.
• 방향성을 최대화해야 합니다. 방향성은 방향성 커플러의 포트 3과 포트 4 사이의 전력 레벨 차이이며 분리와 관련이 있습니다. 방향성은 결합된 포트와 분리된 포트의 독립성 지표입니다.

RF 방향성 커플러는 다양한 기술로 구현될 수 있지만, 작은 크기로 인해 낮은 SWaP-C 통신 위성 응용 분야에 적합한 아이크로스트립 라인 유형입니다. 한 가지 예로 Knowles의 FPC06078 방향성 커플러가 있습니다. 이 장치는 크기가 2.5mm x 2.0mm x 0.4mm에 불과한 SMD 마이크로스트립 라인 소자입니다. 이 장치의 작동 온도 범위는 -55°C ~ +125°C이고 특성 임피던스는 50Ω입니다.

결합 계수는 주파수와 상관이 없지만 고품질 방향성 커플러는 상대적으로 평평한 결합 주파수 응답을 나타냅니다. 아래 그림 7에서 Knowles 장치의 공칭 결합 계수는 20dB이고, 12GHz ~ 18GHz 작동 범위에 걸쳐 단 2dB의 차이를 보입니다. FPC06078 방향성 커플러의 삽입 손실은 0.3dB이고 최소 반사 손실은 15dB입니다. 이 장치의 방향성은 14dB입니다(그림 8).

그림 8: FPC06078 방향성 커플러의 주파수 응답을 보여줍니다. 이 장치는 -20dB(공칭)의 결합 계수와 0.3dB의 낮은 삽입 손실을 나타냅니다. (이미지 출처: Knowles DLI)

그림 8: FPC06078 방향성 커플러의 지향성 그래프를 보여줍니다. 우수한 안테나 어레이 성능을 위해 방향성(분리와 관련 있음)을 최대화해야 합니다. (이미지 출처: Knowles DLI)

결론

설계자는 위성 통신 응용 분야의 낮은 SWaP-C 요구 사항을 충족하기 위해 콤팩트 SMD 수동 소자를 채택하여 대응합니다. 예를 들면, 위성 안테나 어레이 제조에 사용되는 전력 분배기 및 방향성 커플러가 있습니다.

설계자는 유전체 성능이 우수한 마이크로스트립 라인 구조와 세라믹 소재를 통해 우수한 성능을 보장하는 우수한 품질의 콤팩트 SMD 수동 소자를 선택하여 위성 통신 응용 분야에서 고주파 RF 대역을 활용할 수 있습니다. 또한 이 차세대 SMD 전력 분배기와 방향성 커플러를 사용하여 작고 가벼운 안테나 어레이를 충족하는 동시에 안테나의 이득 및 빔 형성 기능을 개선할 수 있습니다.