I principi fondamentali dei ripartitori e combinatori di potenza RF

L'aumento dei requisiti di connettività wireless per applicazioni come Internet delle cose (IoT), cellulari ed elettronica automotive sta portando a sistemi che utilizzano sempre più spesso segnali, componenti e sottosistemi RF. Ai progettisti capita spesso di dover indirizzare questi segnali a più di una destinazione oppure di doverli combinare. Combinare o sdoppiare i segnali può essere però problematico perché occorre garantire che il loro instradamento non si deteriori a causa di disallineamenti di impedenza o del carico, rispettando al contempo le dimensioni critiche e i requisiti di costo.

Il ripartitore o il combinatore di potenza RF soddisfa questa esigenza di ripartire o combinare i segnali tra più ingressi o uscite. Questi utili dispositivi eseguono tali compiti mantenendo le corrette impedenze di carico a tutte le sorgenti, oltre a garantire l'isolamento.

Questo articolo illustra i principi fondamentali di tre tipi di ripartitori/combinatori di potenza RF di uso comune - resistivo, ibrido e Wilkinson - servendosi di esempi tratti da Susumu, Anaren, MACOM e Analog Devices. Ne presenta le specifiche e le applicazioni comuni per consentire ai progettisti di operare una scelta intelligente. Infine condivide alcune considerazioni di implementazione.

Ripartitori di potenza

Un ripartitore di potenza ha un singolo segnale di ingresso e due o più segnali di uscita. I segnali di uscita hanno un livello di potenza che è 1/N quello della potenza in ingresso, dove N è il numero di uscite nel ripartitore. I segnali sulle uscite, nella forma più comune del ripartitore di potenza, sono in fase. Speciali ripartitori di potenza forniscono variazioni di fase controllate tra le uscite. Come ricordato sopra, le applicazioni RF comuni per i ripartitori di potenza indirizzano una sorgente RF comune a più dispositivi (Figura 1).

Figura 1: I ripartitori di potenza sono usati per ripartire un segnale RF comune fra più dispositivi, come in un sistema con array di antenne in fase o in un demodulatore in quadratura. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il primo esempio è quello di un array di antenne in fase in cui la sorgente RF è ripartita tra i due elementi dell'antenna. Le antenne di questo tipo in genere hanno da due a otto elementi o più, ognuno dei quali è pilotato da una porta di uscita del ripartitore di potenza. I variatori di fase normalmente sono esterni al ripartitore per consentire al controllo elettronico di orientare l'antenna del pattern di campo.

Il secondo esempio è un demodulatore in quadratura che richiede l'invio di un oscillatore locale a due miscelatori che demodulano la portante RF nelle componenti di modulazione in fase (I) e in quadratura (Q). La variazione di fase a 90° richiesta per demodulare il segnale Q può essere esterna, come mostrato, oppure può essere interna al ripartitore di potenza. In entrambi i casi, i livelli di potenza dei segnali sono identici.

Il ripartitore di potenza può essere utilizzato "al rovescio" così da poter combinare più ingressi in un'unica uscita, facendone un combinatore di potenza. In modalità combinatore questi dispositivi sono in grado di eseguire l'addizione o la sottrazione vettoriale dei segnali in base alla loro ampiezza e ai valori di fase.

Topologia del ripartitore di potenza

Quando si tenta di ripartire un segnale in due componenti ad ampiezza ridotta, il progettista potrebbe pensare semplicemente di utilizzare una connessione a "T", mettendo due carichi su una sorgente comune (Figura 2).

Figura 2: Una connessione a T di base può ripartire un segnale tra due componenti con la stessa ampiezza e la stessa fase, ma presenta diverse limitazioni. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La configurazione funzionerà ma è soggetta a un paio di limitazioni. La più ovvia è la non corrispondenza dell'impedenza. Se entrambe le uscite (porte 2 e 3) immettono su 50 Ω, alla porta di ingresso (porta 1) viene presentato un carico di 25 Ω. Se la sorgente di ingresso è un dispositivo a 50 Ω, si ha un problema di carico. Il secondo problema è la mancanza di isolamento. Se, ad esempio, una delle uscite è andata in cortocircuito, anche l'altra porta va in cortocircuito.

Ci sono tre topologie di circuiti principali per i ripartitori di potenza che eliminano le limitazioni di un collegamento a T. Le tre topologie sono: resistivi, ibridi e Wilkinson (Figura 3). I ripartitori Wilkinson e ibridi appartengono a una classe di ripartitori detti reattivi.

Figura 3: Schemi semplificati delle tre topologie comuni di ripartitori di potenza: resistivi, Wilkinson e ibridi. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Ripartitori resistivi

L'implementazione più comune di un ripartitore di potenza, quella resistiva, utilizza tre resistori di pari valore, più comunemente in configurazione a stella. Data la simmetria del dispositivo non esiste una porta di ingresso designata - qualsiasi porta può essere utilizzata come ingresso. I valori dei resistori sono un terzo dell'impedenza caratteristica con cui è utilizzato il ripartitore di potenza. Nel caso di un sistema da 50 Ω, il valore è di 16,67 Ω, mentre per un sistema da 75 Ω il valore della resistenza è di 25 Ω. Come gruppo, i ripartitori di potenza resistivi hanno in genere la larghezza di banda della frequenza più ampia perché nella loro progettazione non ci sono componenti reattivi che dipendono dalla frequenza.

Il principale vantaggio del ripartitore resistivo è la sua semplicità; è facile da implementare e costa poco. È anche il dispositivo più piccolo. Il suo principale svantaggio è la perdita di potenza attraverso i resistori in serie tra le porte di uscita. Questi dispositivi hanno una specifica di potenza nominale. La maggior parte delle applicazioni per i ripartitori di potenza resistivi utilizzano una potenza relativamente bassa. L'isolamento fornito dai resistori tra le porte è migliore rispetto alla configurazione a T.

Le ampiezze dei segnali alle porte di uscita di un ripartitore resistivo saranno la metà di quelle del livello dei segnali di ingresso (Figura 4).

Figura 4: Confronto tra l'ingresso e le uscite di un ripartitore resistivo. Il segnale in ingresso è un burst sinusoidale a 50 MHz con un'ampiezza del valore quadratico medio (rms) di 179,5 mV (traccia in alto a sinistra). Le uscite (tracce al centro e in basso a sinistra) hanno livelli rms di 91,7 mV (-5,8 dB) e 88,7 mV (-6,1 dB). Tenere presente che i segnali sono tutti in fase, come previsto. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La traccia nella griglia in alto a sinistra è il segnale di ingresso, un burst sinusoidale a 50 MHz con un livello rms di 179,5 mV. I livelli di uscita nelle griglie al centro e in basso a sinistra sono i segnali di uscita con rispettivamente livelli rms di 91,7 mV e 88,7 mV. Sono a -5,8 dB e -6,1 dB al di sotto del segnale di ingresso. Le tre tracce a destra sono tracce di ingrandimento espanse orizzontalmente che permettono una vista dettagliata. Tenere presente che i segnali sono tutti in fase, come previsto.

Un esempio di ripartitore di potenza resistivo è PS2012GT2-R50-T1 di Susumu, un dispositivo a due porte da 50 Ω con una larghezza di banda di 20 GHz. Ha una dissipazione di potenza nominale di 125 mW e una perdita di inserzione di 6 ±0,5 dB, 3 dB dei quali sono dovuti alla potenza dissipata nei resistori interni. Il dispositivo è alloggiato in un contenitore a montaggio superficiale di 2 x 1,25 x 0,4 mm.

Ripartitori di potenza Wilkinson

Il ripartitore di potenza Wilkinson è un ripartitore reattivo che utilizza due trasformatori della linea di trasmissione paralleli, disaccoppiati, con lunghezza di un quarto d'onda. L'utilizzo di linee di trasmissione semplifica l'implementazione del ripartitore Wilkinson utilizzando linee di trasmissione a circuito stampato standard. La lunghezza delle linee di trasmissione limita in genere il campo di frequenza del ripartitore Wilkinson a frequenze superiori a 500 MHz. Il resistore tra le porte di uscita permette loro di avere impedenze corrispondenti, continuando a fornire l'isolamento. Dato che le porte di uscita contengono segnali della stessa ampiezza e fase, non c'è tensione attraverso il resistore, quindi non scorre corrente e il resistore non dissipa alcuna potenza.

PD3150J5050S2HF di Anaren è un ripartitore di potenza Wilkinson da 50 Ω e a due porte che copre un campo di frequenza tra 3,1 e 5 GHz con una potenza nominale massima di 2 Ω. Ha una perdita di inserzione, esclusa la riduzione di potenza di 3 dB, di 1 dB (tipica) e un isolamento superiore a 15 dB (tipico). Misura 2,0 x 1,29 x 0,53 mm.

Ripartitori di potenza ibridi

Il ripartitore di potenza ibrido mostrato nella Figura 3 si basa sull'uso di trasformatori. Il trasformatore T2 ha una presa centrale che ne fa un autotrasformatore con un rapporto spire di 2:1. L'impedenza su tutto il lato di uscita è quattro volte quella della presa centrale alla massa. Se l'impedenza su ogni porta di uscita (porta 2 e porta 3) è di 50 Ω, l'impedenza di carico totale è di 100 Ω. Riflessa indietro attraverso il trasformatore è di 25 Ω sulla presa centrale del T2. Per accoppiare questo carico con l'ingresso (porta 1) serve il trasformatore T1, che è un trasformatore di adattamento d'impedenza da 25 a 50 Ω.

Quando un ingresso viene applicato alla porta 1, e le porte 2 e 3 sono terminate con carichi di 50 Ω, la corrente viene indotta sulle porte 2 e 3 con una variazione di fase di 180°. Le correnti che attraversano il resistore R, che sono pari alla somma delle impedenze della porta 2 e della porta 3 - in questo caso 100 Ω - saranno uguali con fasi opposte e si annulleranno. Non vi è tensione sulla porta 2 dal segnale sulla porta 3 e viceversa. In teoria l'isolamento è infinito. Metà della potenza in ingresso apparirà su ognuna delle porte di uscita.

MAPD-009278-5T1000 di MACOM è un ripartitore di potenza ibrido che copre un campo di frequenza tra 5 MHz e 1 GHz. È configurato come un ripartitore a due porte a zero gradi. La sua perdita di inserzione, esclusa la riduzione di potenza di 3 dB, è inferiore a 1,4 dB. L'isolamento tipico specificato è di 20 dB. Questo ripartitore può gestire una potenza massima di 250 mW e misura 4,45 x 4,22 x 3 mm.

Ripartitori di potenza attivi

Le applicazioni che richiedono una ripartizione del segnale senza perdite possono utilizzare ripartitori di potenza attivi come ADA4304-3ACPZ-R7 di Analog Devices. Si tratta di uno sdoppiatore di potenza da 75 Ω, 3:1 con un amplificatore incorporato in grado di fornire un guadagno di 3 dB. Ha una larghezza di banda di 2400 MHz destinata per un campo di frequenza tra 54 e 865 MHz. L'isolamento da uscita a uscita è superiore a 25 dB. L'impedenza di 75 Ω e il campo di frequenza indicano che questo ripartitore è destinato ad applicazioni televisive, fra cui set top box a sintonizzatori multipli e televisioni predisposte per il collegamento via cavo.

Tra i dispositivi descritti, i ripartitori resistivi sono quelli più semplici e con la maggiore larghezza di banda possibile. In genere sono anche quelli con le dimensioni più piccole, ma hanno una maggiore perdita di inserzione e un minore isolamento. I ripartitori di potenza Wilkinson offrono una minore inserzione e un maggior isolamento, ma hanno una larghezza di banda più limitata. Le loro dimensioni fisiche varieranno in base allo specifico campo di frequenza richiesto. Il ripartitore ibrido offre una bassa perdita di inserzione e un buon isolamento ma ha dimensioni fisiche maggiori. Gli sdoppiatori di potenza attivi eliminano la perdita di inserzione, ma tendono a essere più costosi.

Considerazioni sull'implementazione

Anche se sono molto semplici, i combinatori di potenza possono causare comunque problemi, se non vengono applicati correttamente. Ad esempio, occorre fare attenzione agli offset c.c. in ingresso. I combinatori ibridi, che usano dei trasformatori, non creano c.c.

Nei ripartitori resistivi, la presenza di c.c. può ridurre la loro potenza nominale. Tutti i combinatori di potenza passivi hanno delle topologie simmetriche e i progettisti devono mantenere tale simmetria quando li applicano. I carichi devono corrispondere ed essere bilanciati. L'uso di impedenze di carico sbilanciato porterà a livelli di uscita disomogenei.

In applicazioni che richiedono differenze di fase fisse, come l'alimentazione di un oscillatore locale a un modulatore o demodulatore in quadratura, i percorsi di uscita devono avere la stessa lunghezza per evitare la non corrispondenza di fase ai miscelatori.

Conclusione

Nei moderni progetti RF destinati a una varietà di applicazioni, tra cui IoT, comunicazioni digitali e assistenza alla guida di veicoli, è fondamentale poter dividere o combinare i segnali. I ripartitori/combinatori di potenza assolvono a questa funzione. Le opzioni per i progettisti che devono utilizzare un ripartitore di potenza appartengono a tre topologie, ognuna delle quali comporta dei compromessi. I progettisti con una conoscenza di base delle caratteristiche di ogni topologia avranno meno problemi a scegliere il ripartitore di potenza appropriato.