RF 방향성 커플러 기본사항 및 효율적인 사용 방법

자동차 레이더, 5G 셀룰러, IoT 등 무선 주파수(RF) 응용 분야에서 전자 시스템에 사용되는 RF 소스의 수가 증가하고 있습니다. 이러한 모든 소스에서는 변속기 라인 및 부하 손실 없이 RF 전력 레벨을 모니터링하고 제어할 수 있는 방법이 필요합니다. 또한 일부 응용 분야에서는 고전력 송신기 출력이 필요하므로 설계자는 높은 신호 레벨에 의해 손상될 수 있는 민감한 계측 기기를 직접 연결하지 않고 출력 신호를 모니터링할 수 있는 방법을 잘 알고 있어야 합니다.

높은 반사파 및 증폭기 손상을 방지하기 위해 송신기가 송신 중인 상태에서 부하 변화와 정재파비를 모니터링하는 방법, RF 부하의 특성(폭넓은 주파수 범위에서 작동하는 안테나)을 결정하는 방법 등 해결해야 할 다른 과제가 있습니다.

이러한 요구 사항 및 과제에 대한 솔루션은 변속기 라인에 삽입되는 방향성 커플러에 있습니다. 이를 통해 전력 레벨을 알려진 고정량만큼 축소하면서 라인의 RF 에너지 흐름을 세부적으로 모니터링할 수 있습니다. 방향성 커플러는 샘플링 공정에서 주 라인 신호의 교란을 최소화합니다. 또한 순방향 전력과 반사 전력을 차별화하고 송신 중 부하 변화에 대한 피드백을 제공하여 반사 손실 또는 정재파비를 모니터링할 수 있습니다.

이 기사에서는 방향성 커플러의 작동을 설명하고 Anaren, M/A-Com 및 Analog Devices의 세 가지 토폴로지를 소개하고 적절한 예를 제공합니다. 그런 다음 방향성 커플러의 일반적인 특성을 살펴보고 효과적으로 사용하는 방법을 보여줍니다.

방향성 커플러란?

방향성 커플러는 RF 소스(예; 신호 발생기, 벡터 네트워크 분석기, 송신기)와 부하 사이의 변속기 라인에 삽입되는 측정 장치이며, 소스부터 부하까지 RF 전력(순방향 부품)과 부하에서 소스로 다시 반사되는 전력(반사 부품)을 모두 측정합니다. 순방향 부품과 반사 부품을 알고 있으면 부하의 총 전력, 반사 손실 및 정재파비를 계산할 수 있습니다.

방향성 커플러는 3단자 또는 4단자 장치로 구성되는 4포트 회로입니다(그림 1).

그림 1: 3포트(왼쪽) 및 4포트(오른쪽) 방향성 커플러의 회로도 기호 (이미지 출처: DigiKey)

소스는 일반적으로 커플러의 입력 포트에 연결되고 부하는 출력 또는 전송 포트에 연결됩니다. 결합 포트 출력은 순방향 신호가 감소된 버전입니다. 3포트 예제와 같이 감쇠 값을 나타낼 수 있습니다. 3포트 버전에서 내부적으로 종단되는 분리 포트가 4포트 버전에서는 작동하며 출력은 반사 신호에 비례합니다. 회로도 기호에서 화살표는 부품 경로를 나타냅니다. 예를 들어 4포트 구성에서 입력 포트는 결합 포트에 연결되어 순방향 부품을 수신하고, 출력 포트는 분리 포트에 연결되어 반사 신호를 판독합니다. 포트 번호는 표준화되지 않아 제조업체마다 다릅니다. 포트 명명 규칙은 제조업체 간에 일관됩니다.

커플러는 대칭 장치이므로 반대로 연결될 수 있습니다. 3포트 장치의 경우 입력 포트와 출력 포트를 반전하면 포트 3이 분리 포트가 됩니다. 4포트 장치에서는 입력 포트와 출력 포트를 반전하면 결합 포트와 분리 포트가 교체됩니다.

커플러의 출력은 RF 신호입니다. 결합 포트와 분리 포트의 출력은 일반적으로 피크 또는 RMS 감지기에 연결되며, 순방향 및 반사 전력 레벨과 관련한 기저대역 신호를 생성합니다. 방향성 커플러 및 연결된 감지기 조합을 반사계라고 합니다.

두 방향성 커플러가 백 투 백 연결되어 이중 방향성 커플러를 형성하는 경우도 있습니다. 이렇게 하면 결합 포트와 분리 포트 사이의 유출을 최소화할 수 있습니다.

방향성 커플러 사양

방향성 커플러는 대역폭, 정격 입력 전력, 삽입 손실, 주파수 평탄도, 결합 계수, 방향성, 분리, 잔류 전압 정재파비(VSWR) 등 다양한 주요 특성에 의해 지정됩니다.

대역폭: 커플러의 대역폭은 커플러가 사양 내에서 작동하도록 설계된 주파수 범위(Hz)를 나타냅니다.

정격 입력 전력: 커플러는 지속파(CW)와 펄스 입력 신호 모두에 대한 최대 입력 전력 등급(W)이 있습니다. 이 등급은 장치에서 성능 저하 또는 물리적 손상 없이 처리할 수 있는 최대 전력 레벨입니다.

삽입 손실: 기본 전송 경로에 장치를 삽입하여 발생하는 전력 손실(dB)을 설명합니다.

주파수 평탄도: 주파수 평탄도는 장치에 지정된 대역폭에 대한 기본 전송 경로의 진폭 응답 차이(dB)를 입력 신호 주파수 차이의 함수로 지정합니다.

결합 계수 또는 결합 인자: 결합 계수는 모든 포트에서 커플러가 올바르게 종단된 상태에서 입력 전력과 결합 포트 전력의 비율(dB)입니다. 이 계수는 방향성 커플러의 중요 특성 중 하나입니다. 결합 포트의 출력은 입력부터 출력까지 직접 경로의 전력 레벨에 이 계수를 곱한 값에 비례합니다. 기기 과부하 위험 없이 결합된 출력을 다른 계측 기기(예: 오실로스코프)에 연결할 수 있습니다.

분리: 모든 포트가 올바로 종단된 상태에서 입력 포트 전력과 분리 포트 전력의 비율(dB)입니다.

방향성: 모든 포트가 올바로 종단된 상태에서 결합 포트 전력과 분리 포트 전력의 비율(dB)입니다. 3포트 커플러의 경우 일반 순방향으로 한 번, 입력 포트와 출력 포트를 반전하여 한 번, 총 두 번 전력을 측정합니다. 이 사양은 순방향 부품과 반사 부품을 분리하여 측정한 값이며, 일반적으로 방향성이 클수록 커플러의 성능이 더 우수합니다. 방향성은 직접 측정할 수 없으며, 분리 측정과 역분리 측정을 기반으로 계산합니다.

잔류 VSWR: 모든 포트에서 커플러를 올바르게 종단한 상태에서 측정한 정재파비입니다. 이 값은 커플러의 고유한 임피던스 일치를 측정한 값입니다.

방향성 커플러 토폴로지

방향성 커플러를 다양한 방법으로 설계할 수 있습니다. 가장 일반적인 세 토폴로지는 RF 변압기, 저항 브리지, 결합형 변속기 라인입니다. RF 변압기 기반 토폴로지에서는 두 RF 변압기를 사용합니다(그림 2). 여기서 변압기 T₁은 입력과 부하 사이의 주 라인 전류를 감지합니다. 두 번째 변압기 T₂는 접지를 기준으로 주 라인의 전압을 감지합니다. 결합 인자는 변압기 권선비(N)에 의해 제어됩니다.

그림 2: RF 변압기 기반 방향성 커플러 토폴로지는 두 RF 변압기를 사용하여 주 라인에서 순방향 부품과 반사 부품을 모두 감지합니다. (이미지 출처: DigiKey)

각 변압기에 의해 결합 라인에 개별적으로 유도되는 전압을 결합한 후 결과를 추가하여 이 방향성 커플러 유형의 이론적 작동을 분석할 수 있습니다(그림 3). V_in은 순방향 전압이고 V_L은 반사 전압입니다.

그림 3: 결합 라인에 대한 두 변압기의 전압 기여를 개별적으로 분석하여 변압기 기반 커플러 분석 (이미지 출처: DigiKey)

결합(V_F’) 포트와 분리 포트(V_R’)의 결합 라인에 대한 전류 감지 변압기의 기여는 구성도에서 전압 감지 변압기를 제거한 상단 구성도에서 계산합니다. 마찬가지로 전류 감지 변압기를 제거한 전압 감지 변압기의 포트에 대한 기여는 하단 구성도에서 V_F” 및 V_R”로 계산됩니다. 결합 포트의 전압 V_F는 V_F’와 V_F”를 더하여 구합니다.

방정식 1

결합 포트의 결과 전압은 입력 전압을 변압기 권선비로 나눈 값입니다.

마찬가지로 VR’과 VR”을 결합하여 분리 포트의 전압을 구합니다.

방정식 2

분리 포트의 결과 전압은 반사 전압을 변압기 권선비로 나눈 값입니다. 음수 기호는 반사 전압과 순방향 전압의 위상차가 180°임을 나타냅니다.

이 방향성 커플러 유형의 성능은 M/A-Com MACP-011045에 표시된 대로 폭넓은 주파수 범위에 적합하며, 5MHz ~ 1225MHz 사이의 대역폭 확장이 있습니다. 이 변압기 기반 커플러의 결합 인자는 23dB이고 정격 전력은 10W입니다. 분리는 45dB(30MHz 이하 주파수)부터 27dB(1GHz 이상 주파수)까지 달라지는 주파수입니다. 6.35mm x 7.11mm x 4.1mm 크기의 표면 실장 패키지를 사용하여 대부분의 무선 응용 제품과 호환됩니다.

결합형 변속기 라인 기반 커플러는 동축 케이블 또는 인쇄 회로 변속기 라인을 기반으로 합니다. 이 메커니즘에서는 두 개 이상의 변속기 라인을 일반적으로 방형파 길이로 근접하게 배치하여 제어된 소량의 신호 전력이 주 라인에서 하나 이상의 결합 라인으로 누출되도록 합니다(그림 4).

그림 4: 결합형 변속기 라인을 사용하는 이중 방향성 커플러의 예 라인은 일반적으로 설계된 중앙 주파수에서 방형파 섹션입니다. (이미지 출처: DigiKey)

입력은 포트 1에 적용되고 대부분의 전력은 포트 2의 부하에 제공됩니다. 소량의 전력이 포트 3 및 포트 4에 연결된 보조 라인에 결합합니다. 포트 3은 결합 포트입니다. 전력 레벨은 적용된 전력의 고정 비율입니다. 결합 계수는 결합 라인 기하 구조의 함수이며 결합 포트의 전력을 설명합니다. 반사 전력은 분리 포트인 포트 4에 결합합니다.

Anaren 11302-20은 최대 100W를 처리할 수 있는 190MHz ~ 400MHz 주파수 범위를 포괄하는 일반적인 결합형 변속기 라인 방향성 커플러입니다. 이 커플러는 0.3dB의 삽입 손실에서 20dB의 공칭 결합 인자를 제공합니다. 또한 16.51mm x 12.19mm x 3.58mm 표면 실장 패키지에 포함되고 중전력 송신기의 전력 레벨과 VSWR 측정을 모니터링하는 데 사용됩니다. 이 커플러 유형의 크기는 주파수 범위와 관련이 있습니다. 작동 주파수가 감소하면 길이는 커져야 합니다. 일반적으로 크기가 작아도 되는 UHF 및 고주파수에 사용됩니다.

마지막 방향성 커플러 토폴로지는 일반 휘트스톤 브리지 관련 회로인 방향성 브리지입니다. 이 토폴로지는 Analog Devices ADL5920 RMS 및 VSWR 감지기에 사용됩니다(그림 5).

그림 5: Analog Devices ADL5920 RMS 및 VSWR 감지기에 사용되는 양방향성 브리지의 간소화된 회로도 표시된 계산에서는 적절히 종단된 조건 분석에 기반하여 33dB의 방향성을 도출합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADL5920에서는 저항 브리지를 사용하여 변속기 라인에서 순방향 전압과 반사 전압을 분리합니다. 표시된 계산에서는 정격 종단된 저주파수에서 장치의 이론적 방향성을 계산합니다. 결과는 33dB의 방향성입니다. 브리지의 V_REV 및 V_FWD 출력은 작동 범위 60dB의 RMS 감지기 단계에 공급됩니다. 감지기 출력은 선형적으로 표시됩니다(dB). 순방향 출력과 반사 출력의 차이에서 도출되는 세 번째 출력은 반사 손실(dB)에 비례하는 전압을 생성합니다. 브리지 기반 커플러는 50Ω 정합 부하에서 33dBm(2W)의 정격 전력과 9kHz ~ 7GHz의 주파수 범위를 포괄합니다. 삽입 손실은 0.9dB(10MHz) ~ 2dB(7GHz)입니다. 장치는 두께 0.75mm의 5mm x 5mm 표면 실장 패키지로 제공됩니다.

Analog Devices는 ADL5920용 평가 기판인 ADL5920-EVALZ를 공급합니다. 이 평가 기판은 완전히 채워져 있고 5V, 200mA 전원이 필요합니다. 기본 출력과 마찬가지로 입력과 출력은 2.92mm 커넥터를 통해 제공됩니다. 회로도에서는 ADL5920에 필요한 일반적인 연결을 보여줍니다(그림 6). 이는 최소한의 노력으로 ADL5920을 사용하는 데 적합한 도구입니다.

그림 6: ADL5920-EALZ 평가 기판의 회로도는 Analog Devices ADL5920 양방향 RMS 및 VSWR 감지기에 필요한 일반적인 연결을 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

방향성 커플러의 저항 브리지 구현은 직류(DC)와 흡사하여 가장 광범위한 주파수 범위를 제공합니다. 변압기 및 변속기 라인 버전은 대역폭이 더 제한적이지만 전력 한계가 더 높습니다.

이러한 장치를 사용하여 신호 모니터링 회로에 사용할 입력 전력을 샘플링할 수 있습니다. 결과 샘플을 측정하여 오실로스코프, 스펙트럼 분석기와 같은 기존 기기로 전력 레벨, 주파수, 변조를 확인할 수 있습니다. 또한 출력을 원하는 한도 내에서 유지하도록 조정하는 피드백 루프의 일부로 데이터를 통합할 수 있습니다.

부하 조건은 전압 정재파비(VSWR)로 표시됩니다. 출력 포트의 부하 VSWR은 각각 순방향 전압과 반사 전압을 나타내는 결합 포트 출력과 분리 포트 출력을 모두 사용하여 계산할 수 있습니다.

방정식 3

VSWR에서 반사 손실을 계산할 수 있습니다.

방정식 4

결론

방향성 커플러는 RF 시스템 설계자에게 유용한 측정 장치입니다. 또한 RF 전력 레벨을 진폭 크기별로 보여주고 순방향 신호 부품과 반사 신호 부품을 구분하여 부하를 특정할 수 있도록 도와줍니다. 그림과 같이 일반적으로 사용되는 세 커플러 토폴로지는 무선 장치와 호환되는 작은 패키지에서 이러한 출력을 제공합니다.