Die Grundlagen von HF-Leistungsteilern und -Leistungskombinierern

Die steigenden Anforderungen drahtloser Verbindungen für Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT), Mobiltelefone und Automobilelektronik führen zu Systemen, in denen zunehmend HF-Signale, -Komponenten und -Subsysteme zum Einsatz kommen. Häufig müssen die Entwickler diese Signale an mehrere Ziele leiten oder mehrere Signale kombinieren. Das Kombinieren oder Aufteilen von Signalen kann jedoch problematisch sein, da die Entwickler eine Signalführung ohne Verschlechterung des Signals durch Impedanzfehlanpassungen oder Lastimpedanzen gewährleisten müssen, ohne dabei gegen wichtige Größen- und Kostenanforderungen zu verstoßen.

HF-Leistungsteiler oder -Leistungskombinierer sind für das Aufteilen oder Kombinieren von Signalen bestens geeignet. Diese nützlichen Komponenten übernehmen diese Aufgaben, halten dabei die passenden Lastimpedanzen für alle Quellen aufrecht und bieten die entsprechende Isolierung.

Dieser Artikel behandelt die Grundlagen dreier häufig verwendeter Typen dieser HF-Leistungsteiler/-Leistungskombinierer: resistive, hybride und Wilkinson-Teiler/-Kombinerer. Hierfür werden Beispiele von Susumu, Anaren, MACOM und Analog Devices verwendet. Er geht auf ihre Spezifikationen und gängige Anwendungen ein, sodass Entwickler bei der Komponentenwahl die richtige Entscheidung treffen können, auch hinsichtlich der Implementierung.

Leistungsteiler

Ein Leistungsteiler verfügt über ein Eingangssignal und zwei oder mehrere Ausgangssignale. Die Ausgangssignale haben einen Leistungspegel, der 1/N des Eingangspegels ist, wobei N für die Anzahl der Ausgänge des Leistungsteilers steht. Die Signale an den Ausgängen sind bei der gängigsten Form des Leistungsteilers phasengleich. Es gibt spezielle Leistungsteiler, die gesteuerte Phasenverschiebungen zwischen den Ausgängen bieten. In gängigen Anwendungen für Leistungsteiler wird, wie bereits erwähnt, eine gemeinsame HF-Quelle mit mehreren Komponenten verbunden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Leistungsteiler werden verwendet, um ein gemeinsames HF-Signal auf mehrere Komponenten aufzuteilen, wie etwa in einem phasengesteuerten Gruppenantennensystem oder in einem Quadratur-Demodulator. (Bildquelle: DigiKey)

Das erste Beispiel ist eine phasengesteuerte Gruppenantenne, bei der die HF-Quelle auf zwei Antennenelemente aufgeteilt wird. Antennen dieses Typs verfügen üblicherweise über zwei bis acht oder mehr Elemente, von denen jedes einzelne über den Ausgang eines Leistungsteilers angesteuert wird. Phasenschieber befinden sich in der Regel außerhalb des Teilers, um eine elektronische Steuerung des Feldmusters der Antenne zu ermöglichen.

Das zweite Beispiel ist ein Quadratur-Demodulator, bei dem ein lokales Oszillatorsignal an zwei Mischer geleitet wird, die das HF-Trägersignal in eine Inphase- (I) und eine Quadratur-Komponente (Q) demodulieren. Die zur Demodulation des Q-Signals erforderliche 90°-Phasenverschiebung kann wie gezeigt extern erfolgen oder aber intern im Leistungsteiler. In beiden Fällen sind die Signalpegel gleich.

Der Leistungsteiler kann „rückwärts“ betrieben werden, sodass mehrere Eingänge zu einem einzelnen Ausgang werden, wodurch er zu einem Leistungskombinierer wird. Als Kombinierer können diese Komponenten Vektoradditionen oder -subtraktionen für Signale basierend auf ihren Amplituden und Phasenwerten durchführen.

Topologie eines Leistungsteilers

Beim Versuch, ein Signal in zwei reduzierte Amplitudenkomponenten aufzuteilen, sollte der Entwickler die Verwendung einer einfachen T-Verbindung in Erwägung ziehen, indem zwei Lasten mit einer gemeinsamen Quelle verbunden werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Eine einfache T-Verbindung kann zur Aufteilung eines Signals in zwei Komponenten mit gleichen Amplituden und gleicher Phase verwendet werden, weist aber mehrere Einschränkungen auf. (Bildquelle: DigiKey)

Die Konfiguration funktioniert zwar, unterliegt aber einigen Einschränkungen. Die offensichtlichste davon ist die Impedanz-Fehlanpassung. Wenn beide Ausgänge (Ports 2 und 3) 50 Ω einspeisen, sieht der Eingangsport (Port 1) eine Last von 25 Ω. Dies stellt ein Lastimpedanzproblem dar, falls es sich bei der Eingangsquelle um ein 50-Ω-Gerät handelt. Das zweite Problem ist die fehlende Isolierung. Wenn beispielsweise einer der Ausgänge kurzgeschlossen wurde, wird der andere Port ebenfalls kurzgeschlossen.

Es gibt drei Hauptschaltkreistopologien für Leistungsteiler, die mit den Einschränkungen einer T-Verbindung aufräumen. Hierbei handelt es sich um resistive, hybride und Wilkinson-Leistungsteiler (Abbildung 3). Die Wilkinson- und die hybriden Leistungsteiler fallen in die Klasse der reaktiven Teiler.

Abbildung 3: Diese Abbildung zeigt vereinfachte Schaltbilder der drei gängigen Topologien für Leistungsteiler: resistiv, Wilkinson und hybrid. (Bildquelle: DigiKey)

Resistive Teiler

Die gängigste Implementierung eines Leistungsteilers, die resistive, nutzt drei gleichwertige Widerstände, und zwar am häufigsten in einer Sternkonfiguration. Aufgrund der Symmetrie der Komponente gibt es keinen fest vorgegebenen Eingangsport – jeder Port kann als Eingang verwendet werden. Die Widerstandswerte betragen ein Drittel der charakteristischen Impedanz, mit der der Leistungsteiler verwendet wird. Bei einem 50-W-System beträgt der Wert 16,67 Ω und bei einem 75-W-System 25 Ω. Als Gruppe weisen die resistiven Leistungsteiler im Allgemeinen die größte Frequenzbandbreite auf, da ihr Design keine frequenzabhängigen reaktiven Komponenten enthält.

Der Hauptvorteil des resistiven Teilers ist seine Einfachheit; er lässt sich bei minimalem Kostenaufwand problemlos implementieren. Außerdem handelt es sich um die kleinste Komponente. Sein größter Nachteil ist die Verlustleistung über die in Reihe geschalteten Widerstände zwischen den Ausgangsports. Für diese Komponenten ist eine Nennleistung angegeben. In den meisten Anwendungen für den resistiven Leistungsteiler werden relativ niedrige Leistungen verwenden. Die Isolierung durch die Widerstände zwischen den Ports ist im Vergleich zur T-Verbindung besser.

Die Signalamplituden an den Ausgangsports eines resistiven Teilers sind halb so hoch wie die des Eingangssignalpegels (Abbildung 4).

Abbildung 4: Vergleich zwischen dem Eingang und den Ausgängen eines resistiven Teilers. Das Eingangssignal ist ein Sinus-Burst mit 50 Megahertz (MHz) und einem Effektivwert (rms) mit einer Amplitude von 179,5 Millivolt (mV) (Kurve oben links). Die Ausgänge (Verläufe mittig und unten links) haben rms-Pegel von 91,7 mB (–5,8 dB) und 88,7 mV (–6,1 dB). Beachten Sie, dass wie erwartet alle Signale in Phase sind. (Bildquelle: DigiKey)

Der Verlauf im oberen linken Raster ist das Eingangssignal, ein 50-MHz-Sinus-Burst mit einem rms-Pegel von 179,5 mV. Die Ausgangspegel in den linken Rastern in der Mitte und unten sind die Ausgangssignale mit rms-Pegeln von 91,7 mV bzw. 88,7 mV. Diese liegen –5,8 dB und –6,1 dB unter dem Eingangssignal. Die drei Verläufe auf der rechten Seite sind horizontal erweiterte und vergrößerte Verläufe, die eine detaillierte Ansicht bieten. Beachten Sie, dass wie erwartet alle Signale in Phase sind.

Ein Beispiel für einen resistiven Leistungsteiler ist der PS2012GT2-R50-T1 von Susumu, ein resistiver 50-W-Leistungsteiler mit zwei Ports und einer Bandbreite von 20 Gigahertz (GHz). Seine Nennverlustleistung beträgt 125 Milliwatt (mW) und die Einfügedämpfung beläuft sich auf 6 ±0,5 Dezibel (dB), wobei 3 dB auf die Verlustleistung in den internen Widerständen zurückzuführen sind. Die Komponente ist in einem oberflächenmontierten Gehäuse mit Abmessungen von 2 x 1,25 x 0,4 Millimeter (mm) untergebracht.

Wilkinson-Leistungsteiler

Der Wilkinson-Leistungsteiler ist ein reaktiver Teiler, in dem zwei parallele, entkoppelte Viertelwellen-Übertragungsleitungstransformatoren zum Einsatz kommen. Durch die Verwendung von Übertragungsleitungen lässt sich der Wilkinson-Leistungsteiler über herkömmliche Leiterbahnen auf einer Platine leicht implementieren. Die Länge der Übertragungsleitungen beschränkt den Frequenzbereich des Wilkinson-Leistungsteilers im Allgemeinen auf Frequenzen über 500 MHz. Der Widerstand zwischen den Ausgangsports ermöglicht übereinstimmende Impedanzen, wobei auch weiterhin für eine Isolierung gesorgt ist. Da die Signale an den Ausgangsport in Amplitude und Phase identisch sind, liegt am Widerstand keine Spannung an. Somit fließt kein Strom und am Widerstand wird keine Leistung abgeführt.

Der PD3150J5050S2HF von Anaren ist ein 50-Ω-Wilkinson-Leistungsteiler mit zwei Ports, der mit einer maximalen Nennleistung von 2 Ω einen Frequenzbereich von 3,1 GHz bis 5 GHz abdeckt. Er weist – ohne die Leistungsreduzierung von 3 dB – eine Einfügedämpfung von 1 dB (typisch) sowie eine Isolierung von über 15 dB (typisch) auf. Seine Abmessungen belaufen sich auf 2,0 x 1,29 x 0,53 mm.

Hybride Leistungsteiler

Der hybride Leistungsteiler in Abbildung 3 basiert auf der Verwendung von Transformatoren. Der Transformator T2 ist ein Autotransformator mit Mittelanzapfung und einem Wicklungsverhältnis von 2:1. Die Impedanz auf der gesamten Ausgangsseite beträgt das Vierfache der Impedanz von der Mittelanzapfung zur Masse. Bei Impedanzen von je 50 Ω an jedem Ausgangsport (Port 2 und Port 3) beträgt die gesamte Lastimpedanz 100 Ω. Diese reflektiert durch den Transformator zurück und ergibt an der Mittelanzapfung von T2 einen Wert von 25 Ω. Die Anpassung dieser Last an den Eingang (Port 1) erfordert den Transformator T1, bei dem es sich um einen Transformator zur Anpassung von 25 Ω an 50 W handelt.

Bei einem Eingangssignal an Port 1 und einer Terminierung der Ports 2 und 3 mit Lasten von jeweils 50 Ω wird an den Ports 2 und 3 ein um 180° phasenverschobener Strom induziert. Die Ströme durch den Widerstand R, der gleich der Summe der Impedanzen von Port 2 und Port 3 – in diesem Fall 100 Ω – ist, sind identisch und heben sich aufgrund der zueinander entgegengesetzten Phasenlage auf. An Port 2 liegt keine Spannung aufgrund des Signals an Port 3 an und umgekehrt. Die Isolierung ist theoretisch unendlich. An jedem der Ausgangsports fällt die Hälfte der Eingangsleistung an.

Der MAPD-009278-5T1000 von MACOM ist ein hybrider Leistungsteiler, der einen Frequenzbereich von 5 MHz bis 1 GHz abdeckt. Er ist als ein Null-Grad-Leistungsteiler mit zwei Ports konfiguriert. Seine Einfügedämpfung beträgt – ohne die Leistungsreduzierung von 3 dB – weniger als 1,4 dB. Die Isolierung wird mit einem typischen Wert von 20 dB angegeben. Dieser Teiler ist für einen maximalen Leistungspegel von 250 mW geeignet und misst 4,45 x 4,22 x 3,0 mm.

Aktive Leistungsteiler

Für Anwendungen, die eine verlustlose Signalaufteilung erfordern, kann auf aktive Leistungsteiler wie beispielsweise den ADA4304-3ACPZ-R7 von Analog Devices zurückgegriffen werden. Hierbei handelt es sich um einen 75-W-Leistungsteiler mit einem Wicklungsverhältnis von 3:1 und einem integrierten Verstärker, der eine Verstärkung von 3 dB bereitstellen kann. Er verfügt über eine Bandbreite von 2.400 MHz, die zur Verwendung über einen Frequenzbereich von 54 MHz bis 865 MHz vorgesehen ist. Die Ausgang-Ausgang-Isolierung übertrifft 25 dB. Die Impedanz von 75 Ω und der Frequenzbereich deuten darauf hin, dass dieser Teiler für Fernsehanwendungen einschließlich Multituner-Set-Top-Boxen und Fernseher mit integrierten Kabelreceivern geeignet ist.

Von den beschriebenen Komponenten sind die resistiven Teiler die einfachsten. Außerdem bieten sie die größtmögliche Bandbreite und in der Regel die kleinste Größe. Allerdings weisen sie eine höhere Einfügedämpfung und eine geringere Isolierung auf. Wilkinson-Leistungsteiler bieten eine geringere Einfügedämpfung und eine bessere Isolierung, dafür ist die Bandbreite stärker eingeschränkt. Ihre Größe variieren abhängig vom jeweils erforderlichen Frequenzbereich. Der hybride Leistungsteiler bietet zwar eine geringe Einfügungsdämpfung und eine gute Isolierung, ist dafür aber größer. Aktive Leistungsteiler weisen keine Einfügedämpfung auf, sind in der Regel jedoch kostspieliger.

Überlegungen zur Implementierung

Obwohl Leistungskombinierer sehr einfach gestrickt sind, können sie bei unsachgemäßer Verwendung dennoch zu Problemen führen. Beispielsweise ist auf DC-Offsets am Eingang zu achten. Hybride Kombinierer, in denen Transformatoren zum Einsatz kommen, verwenden keinen Gleichstrom.

Bei resistiven Teilern kann Gleichstrom die Nennleistung verringern. Alle passiven Leistungskombinierer weisen symmetrische Topologien auf und diese Symmetrie muss von den Entwicklern bei ihrer Anwendung aufrechterhalten werden. Lasten müssen angepasst und ausbalanciert werden. Nicht angepasste Lastimpedanzen führen zu ungleichen Ausgangspegeln.

In Anwendungen, für die feste Phasendifferenzen erforderlich sind (z. B. für das Einspeisen eines lokalen Oszillatorsignals in einen Quadratur-Modulator oder -Demodulator), müssen die Ausgangspfade gleich lang sein, um Phasenunterschiede an den Mischern zu vermeiden.

Fazit

Für moderne HF-Designs in einer Vielzahl von Anwendungen wie dem IoT, der digitalen Kommunikation und Fahrerassistenzsystemen ist das Aufteilen und Kombinieren von Signalen unerlässlich. Diese Aufgabe übernehmen Leistungsteiler/-kombinierer. Entwicklern, die einen Leistungsteiler verwenden müssen, stehen drei verschiedene Leistungsteiler-Topologien zur Verfügung, von denen jede ihre eigenen Vor- und Nachteile mit sich bringt. Eine grundlegende Kenntnis der Merkmale der einzelnen Topologien trägt dazu bei, dass die Entwickler den passenden Leistungsteiler auswählen können.