표면 실장 방향성 커플러를 사용하여 RF 전력 모니터링 장치 축소

비 RF 회로 분석 또는 실습 기판 및 벤치 작업에 참여하는 엔지니어가 주로 관심을 가지는 주요 신호 파라미터는 설계의 특정 지점에서의 전압 및 전류입니다. 해당 값은 전압계, 오실로스코프 또는 전류 감지 저항기를 사용하여 측정할 수 있습니다.

반면에, 유무선 RF 영역에서 일하는 엔지니어는 와트 또는 밀리와트(mW) 또는 1mW에 상응하는 dB(dBm) 단위로 측정되는 전력에 집중합니다. 그러나 전력 흐름을 방해하지 않는 단순한 전압 또는 전류 신호 선택 지점에 상응하는 요소가 없기 때문에 RF 전력을 측정하는 것은 쉽지 않습니다. 대신 고유한 신호 트랜스듀서 및 방식을 사용하여 RF 전력 레벨을 평가합니다.

가장 일반적인 접근 방식 중 하나는 신호와 샘플링된 포트 사이에 높은 격리 기능을 제공하면서 정의된 수준의 결합으로 RF 신호를 '선택'하는 수동 소자 배열인 방향성 커플러를 사용하는 것입니다.

입증된 기술인 방향성 커플러의 작동 방식을 살펴보겠습니다. 그런 다음 저전력 회로에 적합한 미니어처 표면 실장 기술(SMT) 장치로 축소하는 데 소재의 발전이 어떤 도움이 되었는지를 살펴보겠습니다.

방향성 커플러의 작동 방식

일반 4포트 커플러는 결합(순방향) 및 분리(역방향 또는 반사) 포트를 포함하는 수동 소자 RF 기능입니다(그림 1, 상단). 방향성 커플러는 분리 포트를 사용하지 않는 3포트 구조이며, 이 구성은 단일 순방향 결합(방향성) 출력만 필요한 응용 분야에 사용됩니다(그림 1, 하단).

방향성 커플러의 역할은 회선 특성을 변경하지 않고 신호 전송 라인에서 전력을 샘플링하는 것입니다. 이 방식은 측정 중인 라인의 소스에 부하가 걸리지 않도록 고임피던스 전압계를 사용하는 것과 다소 유사합니다.

이 방향성 커플링을 사용하면 간단한 저레벨 검출기나 전계 강도 계측기 및 전력 측정 장비를 사용하여 신호 전력을 측정할 수 있습니다. 입력 포트 P1에 입사되는 전력 중 소량의 고정된 부분이 측정용으로 결합된 포트 P3에 나타납니다. 나머지 입력 전력은 전송(스루 또는 출력) 포트 P2로 전달됩니다.

방향성 커플러의 중요한 이점은 한 방향으로만 흐르는 전력을 결합한다는 것입니다. 실수로 출력 포트에 들어오는 모든 전력은 P3이 아닌 사용되지 않는 종단 분리 포트 P4에 결합되지만, 커플러의 방향성 흐름에는 문제가 되지 않습니다.

그림 1: 방향성 커플러는 입력 포트 P1에서 전송(출력) 포트 P2까지의 기본 단일 경로에 영향을 주지 않고 측정할 수 있는 P1의 입사 전력 일부를 결합된 포트 P3으로 전환하는 3포트 수동 RF 기능으로, 4포트 양방향 커플러의 단방향 하위 집합입니다. (이미지 출처: Wikipedia)

다음은 방향성 커플러를 지정하는 데 사용되는 최상위 파라미터입니다.

• 결합 계수: 결합 포트(P3)로 전달되는 입력 전력(P1에서)의 비율입니다.
• 지향성: 커플러가 순방향으로 전파되는 파장과 역방향으로 전파되는 파장을 분리하는 능력의 척도로, 결합 포트(P3)와 분리 포트(P4)에서 관찰됩니다.
• 격리: 결합되지 않은 부하(P4)에 전달되는 전력량입니다.
• 삽입 손실: 전송된 포트에 전달되는 입력 전력의 감소를 말하며, 결합 포트와 분리 포트로 전환되는 전력을 고려한 값입니다.
• 반사 손실: 임피던스 불일치로 인해 P1에 다시 반사되는 전력의 양을 측정합니다.

첨단 소재를 사용한 방향성 커플러 축소

방향성 커플러는 여러 방법으로 구현할 수 있습니다. 과거에는 도파관이나 동축 케이블로 연결했으며, 고전력 응용 분야에서는 여전히 이 방식을 요구합니다. 그러나 기지국과 같은 최신 저레벨 RF 회로에는 훨씬 작은 커플러가 필요합니다. 이는 투과율이 높은 세라믹 기판의 스트립 라인 또는 마이크로 스트립 공정을 사용하여 구현할 수 있습니다.

마이크로 스트립은 유전체 기판으로 접지면과 분리된 전도성 스트립을 사용하는 평면형 전송선 기술입니다. 안테나, 커플러, 필터, 전력 분배기와 같은 전체 부품은 고정밀 치수 정확도로 기판의 금속 패턴에서 형성됩니다. 마이크로 스트립 기술을 사용하여 제작되는 소형 부품은 대체 송전선 기술보다 가볍고 콤팩트하며 일반적으로 더 저렴합니다. 약 10W의 적당한 전력을 처리할 수 있습니다.

기판에 high-K 소재를 사용하게 되면서 RF 신호 파장이 짧아지고 부품 크기가 전반적으로 작아졌습니다. 학술 문헌에서는 소문자 k, 즉, 공식 명칭 κ(그리스어 카파)를 사용하기도 합니다.

RF 설계자는 Knowles high-K 소재와 고정밀 박막 마이크로 스트립 공정 기술로 제작된 방향성 커플러를 사용하여, 성능 허용 오차 범위를 엄격하게 유지하면서 RF 회로의 크기, 무게, 전력(SWaP)을 줄일 수 있습니다.

일반적인 세 가지 유전체 소재(PTFE, FR-4, 알루미나)와 Knowles에서 개발한 세 가지 맞춤형 기판(PG, CF, CG)에 대한 25GHz에서의 유전체 상수와 파장을 비교(그림 2)한 결과에서 볼 수 있듯이 이러한 high-K 소재의 이점은 매우 큽니다. FR-4 소재의 유전체 상수는 4.8인데 비해 CF 기판의 유전체 상수는 25입니다. 따라서 CF 소재를 사용한 장치의 파장이 FR-4를 이용하는 장치보다 2.5배 더 작아서 장치 크기를 훨씬 줄일 수 있습니다.

그림 2: 박막 마이크로 스트립 방향성 커플러(왼쪽)는 높은 수준의 high-K 유전체 기판을 활용하여 크기와 무게를 크게 줄인 장치(오른쪽)를 활성화합니다. (이미지 출처: Knowles)

SMT 방향성 커플러 성능의 예

마이크로 스트립 기술과 high-K 유전체 기판을 기반으로 하는 방향성 커플러의 성능과 크기는 기가헤르츠 스펙트럼 내에서 각각 다른 범위와 대역폭을 지원하는 Knowles FPC06073 및 FPC07182 커플러에서 확인할 수 있습니다(그림 3, 각각 상단 및 하단).

그림 3: FPC06073(위) 및 FPC07182(아래) 커플러는 반사 손실, 삽입 손실, 결합 계수, 격리 등 네 가지 최상위 파라미터에 대해 각 대역에서 우수한 성능을 발휘합니다. (이미지 출처: Knowles Precision Devices)

FPC06073 50Ω SMT 방향성 커플러는 10dB 결합 계수와 20dB 지향성으로 4GHz ~ 8GHz를 포괄합니다. 약 4.3mm × 2.0mm × 0.38mm(0.170인치 × 0.080인치 × 0.015인치)의 작은 크기로 콤팩트한 설계에 잘 어울립니다. 이 장치는 25W(연속) 정격입니다. 그림 3에 표시된 네 가지 지표, 특히 결합 손실과 삽입 손실에 대한 성능은 작동 온도와 보관 온도가 모두 -55˚C ~ 125˚C로 지정된 전체 대역에 걸쳐 비교적 평탄합니다.

더 높은 주파수로 이동하는 FPC07182 SMT 커플러는 20GHz ~ 40GHz에 맞게 설계되었습니다. FPC060073과 마찬가지로 10dB 결합이지만 지향성은 10dB입니다. 크기가 1.65mm × 1.270mm × 0.254mm(0.065인치 × 0.050인치 × 0.010인치)에 불과한 이 50Ω 장치는 최대 14W를 처리하며 전체 20GHz 대역폭에서 매우 평탄한 결합 및 삽입 손실을 보여줍니다.

결론

고투과율 세라믹 기판과 마이크로 스트립 기술을 기반으로 하는 지향성 커플러는 이제 잘 보이지 않을 정도로 작은 SMT 소자로 RF 기능을 제공하며, 지정된 기가헤르츠 대역에서 뛰어난 성능과 전력 처리 능력을 제공합니다.

관련 내용

1: Knowles Precision Devices, "Reduce RF Circuit SWaP with High K Materials and Precision Thin-Film Microstrip Technology(영문)

https://info.knowlescapacitors.com/hubfs/White%20Papers/Device_Minaturization_WP_V7.pdf

2: DigiKey, "RF 방향성 커플러 기본사항 및 효율적인 사용 방법"

https://www.digikey.com/en/articles/the-fundamentals-of-rf-directional-couplers-and-how-to-use-them-effectively

3: DigiKey, “RF 전력 탐지 과제 해결”(Analog Devices 인용)

https://www.digikey.com/en/articles/solving-the-rf-power-detection-challenge

4: DigiKey, “콤팩트 RF 응용 분야의 수요를 충족하는 방향성 커플러”

https://www.digikey.com/en/articles/tiny-directional-couplers-meet-demands-of-compact-rf-applications