如何使用 SMD 功率分配器和定向耦合器實作 SWaP-C 衛星通訊天線陣列

地球周圍的太空正迅速佈滿著眾多衛星，未來十年內還會再發射數千顆新衛星。這為衛星通訊設計人員帶來兩方面的壓力。首先，傳統 L、C 和 X 波段的衛星通訊可用頻寬正在迅速消耗。其次，商業衛星廠商希望其產品更輕、發射成本更低。

衛星通訊設計人員透過將通訊從傳統衛星波段移至 Ku 等更高頻率的 RF 波段 (12 至 18 GHz)，以應對 RF 頻寬不足的問題。Ku 波段的吞吐量可能更大，壅塞程度也更低。對於最小尺寸、重量、功率和成本 (「SWaP-C」) 的需求，設計人員則使用先進的封裝表面黏著元件 (SMD) 來建構衛星的關鍵元件，如天線陣列。

本文將概述 SMD 功率分頻器和定向耦合器的優勢，它們都是 Ku 波段衛星通訊天線陣列中使用的關鍵被動元件。此外還將舉例介紹 Knowles Dielectric Labs 的產品，說明這些元件如何滿足當今的低 SWaP 要求，以及設計人員如何使用這些重要元件的關鍵效能特性將天線陣列效能最佳化。

天線陣列的進展

近來衛星和地面站天線的發展，已從單天線碟形接收器發展為天線陣列。天線陣列整合兩個或更多個元件，每個元件基本上都可作為迷你天線。比起傳統天線，將天線陣列用於衛星通訊應用可提供以下優點：

• 增益更高
• 訊噪比 (SNR) 更高
• 傳輸光束可轉向，對特定方向傳入的訊號的靈敏度更高
• 分集接收更出色 (有助於克服訊號衰減)
• 天線輻射場形中的旁瓣更小

傳統的陣列結構採用 3D 磚狀配置，其電子組件並排放置並以多個連接器及纜線連接。相較於單天線碟形接收器，這增加了天線陣列的體積和複雜性。

若想解決此類體積和複雜性問題，便需要注意低 SWaP-C，因為其並無晶片與電線或混合製造技術而產生的磚狀結構。新型設計則以多個微帶 2D 平面元件構成，這些元件以採用 SMD 封裝的電路板基板為基礎。這種平面配置省去許多連接器和纜線，可提升 SWaP，同時提高可靠性並簡化製程 (圖 1)。

圖 1：與傳統 3D 磚狀組件 (左) 相比，使用低 SWaP-C SMD 元件 (右) 可減少衛星通訊天線陣列的體積。(圖片來源：Knowles DLI)

SMD 不僅大幅減少了天線陣列的體積，還可以使用單一自動化組裝線，比起傳統的晶片與電線或混合方法，可大幅降低生產成本。此外，SMD 組件也有助於加快上市。

之所以能夠取得這些進步，全仰賴了新一代的 SMD 元件，這類元件可在太空中以高頻率穩定運作。這類器件具有創新的介電質、嚴格的容差並採用薄膜製造和新式微帶線拓撲，可提供出色的效能／覆蓋區比。

關鍵天線陣列元件：功率分配器

功率分配器是天線陣列中非常重要的被動 SMD。各功率分配器會將傳入的訊號分成兩個或更多個訊號，分佈於構成該陣列的天線元件。最簡易型的功率分配器會將輸入功率 (去掉一些電路損耗) 平均分佈於每個輸出分支，但其他形式的功率分配器則會按比例將輸入功率分擔於各個輸出分支。

功率分配器具有多種配置，但對於高頻率應用，功率分配器通常採用微帶線 Wilkinson 設計 (圖 2)。在其基本型中，分配器將在每個分支測量四分之一波長的 RF 傳入訊號。例如，傳入訊號的中心頻率若為 15 GHz，每個分支的長度將是 5 mm。各分支將用作四分之一波長阻抗變壓器。

它採用了隔離電阻來匹配輸出埠，而由於輸出埠之間電位勢為零，電流不會通過該電阻，因此不會導致電阻損耗。即使是將此裝置反過來用作功率合成器，該電阻也可提供極佳的隔離性，進而限制各個通道之間的串音。

圖 2：基本型 Wilkinson 功率分配器採用兩個四分之一波長阻抗變壓器和一個隔離電阻來匹配輸出埠。埠 2 和埠 3 各分流埠 1 一半的輸入功率。(圖片來源：Knowles DLI)

若想在功率分配時限制損耗，功率分配器的兩個輸出埠阻抗均須為「2 Zo」。(2 Zo 並聯將提供 Zo 所有阻抗。)

對於 R = 2 Z_o 的等幅功率分配：

其中：

R = 連端兩埠的端接電阻值

Z_o = 整體系統的特性阻抗

Z_match = 功率分配器支路四分之一波變壓器的阻抗

散射矩陣 (S 矩陣) 包含用於描述 RF 線性網路 (如 Wilkinson 功率分配器) 的電氣效能的散射參數。圖 3 顯示了圖 2 所示簡易型功率分配器的 S 矩陣。

圖 3：圖 2 所示 Wilkinson 功率分配器的散射矩陣 (S 矩陣)。(圖片來源：Steven Keeping)

S 矩陣的主要特徵包括：

• S_ij = S_ji (表明 Wilkinson 功率分配器也可用作合成器)
• 端子已匹配 (S₁₁、S₂₂、S₃₃ = 0)
• 輸出端子已隔離 (S₂₃、S₃₂₌₀)
• 功率為均分 (S₂₁₌ S₃₁)

當埠 2 和埠 3 的訊號同相且等幅時，損耗會降至最低。理想的 Wilkinson 功率分配器應為 S₂₁₌ S₃₁₌₂₀ log₁₀(1/√2) = (-)3 dB (即每個輸出埠分流一半的輸入功率)。

對於低 SWaP-C 天線陣列應用，微帶線 Wilkinson 功率分配器是個不錯的解決方案。Ku 波段的商用分配器可選用 Knowles Dielectric Labs 的 PDW06401 16 GHz 雙向 Wilkinson 功率分配器。Knowles 的介電質和薄膜製造技術，可讓其製造出低損耗而不失緊湊的表面黏著元件 (SMD)，以用於 Ku 波段衛星通訊天線陣列。

PDW06401 的尺寸為 3 x 3 x 0.4 mm，使用低損耗材料，溫度範圍寬，可最大限度地減少效能變化。其封裝的特性阻抗 (Z₀₎ 符合 50 Ω 要求，可將電壓駐波比 (VWSR) 降到最低，繼而將高頻率 RF 系統中的回波損耗降到最低。該裝置的標稱移相為零，振幅平衡為 ±0.25 dB，相位平衡為 ±5°。額外插入損耗為 0.5 dB。圖 4 顯示了 PDW06401 功率分配器的頻率響應。

圖 4：PDW06401 功率分配器的頻率響應。RL 代表端子匹配 (S₁₁、S₂₂ 等)，Iso 代表輸出埠之間隔離 (S₂₃、S₃₂)，IL 代表輸出功率 (S₂₁、S₃₁)。(圖片來源：Knowles DLI)

功率分配器的回波損耗、隔離度、振幅平衡和相位平衡特性，對天線陣列的效能相當重要，實際表現在以下方面：

• 產品的回波損耗應極低，因為較大的損耗會直接影響光束的最大收發能量。
• 產品應具備高隔離性，因為這會影響天線陣列中訊號路徑之間的隔離度，並增強其增益。
• 產品的振幅平衡應接近 0 dB，因為它會影響天線的振幅效能和有效全向輻射功率 (EIRP)。
• 產品的相位平衡應接近 0° 差值，因為這可促進最大功率傳輸，並確保網路所有分支達到預期的相位長度。相位過於失衡會降低 EIRP，並可能改變波束成形天線陣列的輻射場形。

關鍵天線陣列元件：定向耦合器

定向耦合器會持續測量陣列元件的收發功率，在天線陣列中也發揮了重要的作用。定向耦合器是一種被動式裝置，可將已知量的收發功率耦合至另一個連接埠進行測量。耦合的方式通常是將兩個導體鄰近放置，讓通過一條線路的能量可耦合至另一條。

此裝置有四個埠：輸入埠、發射埠、耦合埠和隔離埠。主傳輸線位於埠 1 和埠 2 之間。隔離埠採用內部或外部匹配負載 (通常為 50 Ω) 端接，耦合埠 (3) 則用於分接耦合的能量。耦合埠通常耦合主線路的一小部分能量，常具有較小的連接器，以和主線路埠 1 及埠 2 做區分。耦合埠可用於取得訊號功率位準與頻率資訊，而無需中斷系統的主功率流。進入發射埠的功率會流向隔離埠，不會影響耦合埠的輸出 (圖 5)。

圖 5：功率分配器的耦合埠 (P3)，會將一部分功率傳遞到輸入埠 (P1)，其餘的功率則會通過發射埠 (P2)。隔離埠 (P4) 會與內部或外部匹配負載端接。(圖片來源：Spinningspark，Wikipedia)

耦合器的關鍵特性是耦合因數。

其定義如下：

最簡易型耦合器採用直角拓撲，其耦合線路相鄰運行，可傳遞四分之一波長的輸入訊號 (例如 15 GHz 訊號為 5 mm)。這種耦合器通常會在埠 3 產生一半的輸入功率 (即耦合因數為 3 dB)，同時會將發射埠的功率減少 3 dB。(圖 6)。

圖 6：最簡易型定向耦合器採用相鄰運行的耦合線路，可傳遞四分之一波長的輸入訊號頻率。(圖片來源：Spinningspark，Wikipedia)

和功率分配器一樣，定向耦合器有一些關鍵特性會影響天線陣列的效能。這些特性包括：

• 應儘量減少主線路損耗，以增強天線陣列增益。這類損耗是由主線路的電阻發熱引起，無關耦合損耗。主線路總損耗是電阻發熱損耗加上耦合損耗。
• 耦合損耗是能量傳輸至耦合埠和隔離埠而導致的功率降低。假設方向性是合理的，比起有意傳輸至耦合埠的功率，無意傳輸至隔離埠的功率應微乎其微。
• 應盡量減少回波損耗。回波損耗用於衡量定向耦合器回傳或反射的訊號量。
• 此外，還應盡量減少插入損耗。插入損耗是測試配置下相較於有定向耦合器時，無定向耦合器時的訊號位準比率。
• 應盡可能提高隔離度。隔離度是輸入埠和隔離埠之間的功率位準差值。
• 應盡可能提高方向性。方向性是定向耦合器埠 3 和埠 4 之間的功率位準差值，且與隔離度有關。其可衡量耦合和隔離埠的獨立性。

雖然 RF 定向耦合器可以使用多種技術實作，但微帶線型號因其尺寸較小，因此在低 SWaP-C 衛星通訊應用中備受青睞。Knowles 的 FPC06078 定向耦合器即為一例。該裝置是一款 2.5 x 2.0 x 0.4 mm 的 SMD 微帶線元件。其工作溫度範圍為 -55°C 至 +125°C，特徵阻抗為 50 Ω。

雖然耦合因數與頻率有關，但一款優質的定向耦合器會表現出相對平坦的耦合頻率響應。從下圖 7 可以看出，Knowles 裝置的標稱耦合因數為 20 dB，在 12 至 18 GHz 的工作範圍下，變化度只有 2 dB。FPC06078 定向耦合器的插入損耗為 0.3 dB，最小回波損耗為 15 dB。此裝置的方向性為 14 dB (圖 8)。

圖 7：此圖顯示了 FPC06078 定向耦合器的頻率響應。此裝置的標稱耦合因數為 -20 dB，其插入損耗較低，僅為 0.3 dB。(圖片來源：Knowles DLI)

圖 8：此圖顯示了 FPC06078 定向耦合器的方向性。方向性和隔離度有關，若想提升天線陣列效能，應盡可能提高方向性。(圖片來源：Knowles DLI)

結論

設計人員正在採用緊湊型 SMD 被動元件來因應衛星通訊應用中對低 SWaP-C 的需求。例如，在製造衛星天線陣列時使用功率分配器和定向耦合器等。

選擇優質的緊湊型 SMD 被動裝置，即透過微帶線結構和具有高介電質能力的陶瓷材料達到卓越的效能，設計人員可以利用更高頻率的 RF 波段實現衛星通訊應用。此外，新一代 SMD 功率分配器和定向耦合器可讓設計人員設計出更小更輕的天線陣列，同時增強天線的增益及波束成形能力。