使用表面黏著式定向耦合器縮小 RF 功率監測裝置的尺寸

對於參與非 RF 電路分析或是電路板和工作臺實作工作的工程師來說，他們首要關注的訊號參數是設計中特定點的電壓和電流。這些參數可透過伏特計、示波器或電流感測電阻進行測量。

相較之下，參與有線和無線 RF 領域工作的則關注在功率，會以 W 或 mW，或是 dBm 為測量單位。然而，測量 RF 功率並不容易，因為並沒有任何不會影響功率流動且又簡單的電壓或電流訊號拾取點。有鑑於此，會使用獨特的訊號傳感器和機制來評估 RF 功率位準。

最常見的作法之一是使用定向耦合器，這種被動式配置可「拾取」具有特定耦合程度的 RF 訊號，同時在訊號和採樣埠之間提供高隔離度。

這是一項已良好實證的技術，讓我們看看定向耦合器如何運作。接著會探討材料進步帶來的益處，瞭解其如何縮小尺寸成適用於低功率電路的微型表面黏著技術 (SMT) 裝置。

定向耦合器的運作原理

通用的四埠耦合器屬於被動 RF 功能，含有耦合(順向) 與隔離 (逆向或反射) 連接埠 (圖 1 頂端)。定向耦合器屬於三埠結構，無需使用隔離埠；這種配置可用於只需單一順向耦合 (定向) 輸出的應用 (圖 1 底部)。

定向耦合器的作用是在不改變線路特性的情況下，對訊號傳輸線的功率進行採樣。這有點類似於使用高阻抗伏特計，以免降低受測線路上的電源負載。

這種定向耦合可使用簡單的低位準偵測器或場強計和功率測量設備達到訊號功率測量。輸入埠 P1 上入射的一小部分固定功率，會出現在耦合埠 P3 處，可用於測量。其餘的輸入功率會傳送到發射 (稱為穿透或輸出) 連接埠 P2。

定向耦合器有個重要優點，就是只會耦合單一方向流動的功率；無意間進入輸出埠的任何功率則會耦合到未使用的端接隔離埠 P4，而非 P3，但這對耦合器的定向流來說並非問題。

圖 1：定向耦合器可提供三埠被動式 RF 功能，可將 P1 上的部分入射功率轉移到耦合埠 P3，就可在該處測量，而不會影響從輸入埠 P1 到發射 (輸出) 埠 P2 的主要單一通道；這屬於四埠雙向耦合器的單向子集。(圖片來源：Wikipedia))

這些頂層參數可用來指定定向耦合器：

• 耦合係數：傳送到耦合埠 (P3) 的部分輸入功率 (P1)。
• 方向性：衡量耦合器分離順向和逆向傳播波的能力，可在耦合 (P3) 和隔離 (P4) 埠處觀察到。
• 隔離：傳送到非耦合負載 (P4) 的功率量。
• 插入損耗：傳輸到發射埠的輸入功率減少量，且需將轉移到耦合和隔離埠的功率納入考量。
• 回波損耗：衡量礙於阻抗不匹配而反射回 P1 的功率量。

利用先進材料縮小定向耦合器尺寸

有幾種方式可打造定向耦合器。在以前，會使用波導或同軸纜線打造，因為高功率應用仍需要這些元件。然而，現代的較低位準 RF 電路 (例如基地台中的電路) 需要的耦合器小很多。可透過高介電常數陶瓷基板上的帶狀線或微帶製程來達成。

微帶是一種平面傳輸線技術，其採用的導電帶可由介電基板與接地層隔開。天線、耦合器、濾波器和功率分配器等整體元件，均可由基板上的金屬化圖案形成，具有高精度的尺寸準確性。使用微帶技術打造的微型元件比起其他傳輸線技術更輕、更緊湊，而且通常更便宜。可以處理 10 W 左右的適度功率。

可使用高 K 值材料當作基板，因此達到更短的 RF 訊號波長，並縮小元件整體尺寸。請注意，學術文獻有時會使用小寫的 k，但正式名稱為 κ (希臘語 kappa)。

透過高 K 值材料以及 Knowles 高精度薄膜微帶製程技術打造的定向耦合器，RF 設計人員就可縮小 RF 電路的尺寸、重量和功率 (SWaP)，同時維持嚴格的效能公差。

這些高 K 值材料有顯著的正面影響。從圖 2 的比較可看出，三種常見介電材料 (PTFE、FR-4 和氧化鋁) 以及 Knowles 開發的三種客製化基板 (PG、CF 和 CG) 在 25 GHz 時的介電常數和波長。其 CF 基板的介電常數為 25，相比之下，FR-4 材料的介電常數則為 4.8。因此，使用 CF 材料的裝置比起使用 FR-4 之裝置，波長短 2.5 倍，進而讓裝置尺寸明顯縮小。

圖 2：薄膜微帶定向耦合器 (左) 利用超高 K 值介電基板，能讓裝置尺寸和重量明顯縮小 (右)。(圖片來源：Knowles)

SMT 定向耦合器的效能範例

採用微帶技術和高 K 值介電基板的定向耦合器，其性能和尺寸優勢可透過 Knowles 的 FPC06073 和 FPC07182 耦合器展現，各可支援 GHz 頻譜內的不同範圍和頻寬 (圖 3，分別為頂端和底部)。

圖 3：FPC06073 (頂端) 和 FPC07182 (底部) 耦合器皆可在各自的頻段上針對四個頂層參數達到良好表現：回波損耗、插入損耗、耦合係數和隔離度。(圖片來源：Knowles Precision Devices)

FPC06073 50 Ω SMT 定向耦合器可涵蓋 4 至 8 GHz，耦合係數為 10 dB，指向性為 20 dB。尺寸約為 4.3 × 2.0 × 0.38 mm (0.170 × 0.080 × 0.015 in)，非常適合緊湊型設計。額定功率為 25 W (連續)。四個指標的效能如圖 3 所示，尤其是耦合和插入損耗，在整個頻段內相對平坦，工作和存放溫度均指定在 -55°C 至 125°C。

FPC07182 SMT 耦合器的頻率更高，設計頻率為 20 至 40 GHz。如同 FPC060073，一樣具有 10 dB 的耦合係數，但指向性為 10 dB。這款 50 Ω 裝置的尺寸更小，僅有 1.65 × 1.270 × 0.254 mm (0.065 × 0.050 × 0.010 in)，可處理高達 14 W，且在整個 20 GHz 頻寬內展現非常平坦的耦合和插入損耗。

結論

採用高介電常數陶瓷基板和微帶技術的定向耦合器，現在能以幾乎看不見的 SMT 裝置提供 RF 功能，並在其指定的 GHz 頻段內提供出色的效能和功率處理能力。

相關內容

1：Knowles Precision Devices，「使用高 K 值材料和精密薄膜微帶技術降低 RF 電路 SWaP」

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

2：DigiKey，「RF 定向耦合器的基礎知識與有效使用方法」

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

3：DigiKey，「克服 RF 功率偵測難題」(引用 Analog Devices)

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

4：DigiKey，「微型定向耦合器符合緊湊型 RF 應用的需求」

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