Đối với các kỹ sư tham gia phân tích mạch không phải RF hoặc làm việc trên bảng mạch và máy tính để bàn thực tế, các thông số tín hiệu chính mà họ quan tâm là điện áp và dòng điện tại các điểm cụ thể trong thiết kế. Các thông số này có thể được đo bằng vôn kế, máy hiện sóng hoặc điện trở cảm biến dòng điện.
Ngược lại, công nhân trong lĩnh vực RF có dây và không dây tập trung vào công suất tính bằng watt hoặc miliwatt (mW) hoặc decibel (dB) dựa trên 1 mW (dBm). Tuy nhiên, đo công suất RF không phải là một nhiệm vụ dễ dàng vì không có điện áp hoặc dòng điện đơn giản nào có thể gây trở ngại cho điểm nhận tín hiệu truyền tải điện. Ngược lại, nên sử dụng các sơ đồ và bộ phát tín hiệu riêng để đánh giá mức công suất RF.
Bộ ghép hướng là một trong những phương pháp phổ biến nhất, là một thiết bị thụ động có thể vừa "thu" tín hiệu RF với mức độ ghép được chỉ định, vừa cung cấp khả năng cách ly cao giữa tín hiệu và cổng lấy mẫu.
Đây là một công nghệ được xác nhận đầy đủ cho phép chúng tôi hiểu nguyên lý làm việc của bộ ghép định hướng. Sau đó, chúng ta sẽ khám phá những tiến bộ trong vật liệu có thể thúc đẩy sự phát triển của các bộ ghép, biến chúng thành các thiết bị công nghệ gắn trên bề mặt vi mô (SMT) phù hợp với các mạch điện năng thấp.
Nguyên lý làm việc của khớp nối định hướng
Bộ ghép bốn cổng đa năng có chức năng RF thụ động, bao gồm cổng ghép nối (chuyển tiếp) và cổng cách ly (đảo ngược hoặc phản xạ) (Hình 1, hình trên cùng). Bộ ghép hướng là cấu trúc ba cổng không yêu cầu sử dụng các cổng cách ly; Cấu hình này được sử dụng cho các ứng dụng chỉ yêu cầu một đầu ra ghép thuận (định hướng) duy nhất (Hình 1, hình bên dưới).
Chức năng của bộ ghép định hướng là thực hiện lấy mẫu công suất trong đường truyền tín hiệu mà không làm thay đổi đặc tính của đường truyền. Điều này hơi giống với việc sử dụng vôn kế có trở kháng cao để tránh thêm tải vào nguồn điện trên đường dây thử nghiệm.
Với công nghệ ghép định hướng này, có thể sử dụng các máy dò mức thấp đơn giản hoặc máy đo cường độ trường và thiết bị đo công suất để đo công suất tín hiệu. Một phần nhỏ công suất đầu vào cố định sẽ được cấp từ cổng đầu vào P1 đến cổng ghép nối P3 cho mục đích đo lường. Công suất đầu vào còn lại được truyền (gọi là pass hoặc đầu ra) đến cổng truyền P2.
Một ưu điểm quan trọng của bộ ghép định hướng là đặc tính ghép nguồn một chiều của chúng; Chỉ ghép công suất truyền tải một chiều; Bất kỳ nguồn điện không mong muốn nào đi vào cổng đầu ra sẽ được ghép nối với cổng cách ly đầu cuối không sử dụng P4 thay vì cổng P3, nhưng tình huống này sẽ không cản trở luồng định hướng của bộ ghép định hướng.
Hình 1: Bộ ghép định hướng là một thiết bị chức năng RF thụ động ba cổng có thể truyền một phần công suất sự cố trên P1 sang cổng ghép P3 để đo mà không ảnh hưởng đến đường dẫn chính từ cổng đầu vào P1 đến cổng truyền (đầu ra) P2; Bộ ghép định hướng là một thiết bị phụ một chiều của bộ ghép hai chiều bốn cổng. (Nguồn hình ảnh: Wikipedia)
Các tham số cấp cao nhất này được sử dụng để chỉ định các bộ ghép hướng:
Mức độ ghép: Tỷ lệ công suất đầu vào (tại P1) truyền đến cổng ghép (P3).
Tính định hướng: Tham số này thể hiện khả năng của bộ ghép để phân biệt giữa sự truyền sóng tiến và lùi, có thể được quan sát từ cổng ghép (P3) và cổng cách ly (P4).
Cách ly: Công suất được cung cấp cho các tải không ghép đôi (P4).
Suy hao chèn: đề cập đến sự suy giảm công suất đầu vào tại cổng truyền, bao gồm cả thành phần nguồn được chuyển hướng đến cổng ghép và cổng cách ly.
Suy hao phản hồi: Tham số này thể hiện công suất phản xạ trở lại cổng P1 do trở kháng không khớp.
Việc sử dụng vật liệu tiên tiến có thể làm giảm khối lượng của bộ ghép định hướng
Có nhiều phương pháp để xây dựng bộ ghép định hướng. Từ góc độ lịch sử, các bộ ghép định hướng đã đạt được thông qua ống dẫn sóng hoặc cáp đồng trục, những thứ vẫn cần thiết cho các ứng dụng công suất cao hơn. Tuy nhiên, các mạch RF cấp thấp hiện đại, chẳng hạn như các mạch ở trạm gốc, yêu cầu các bộ ghép nhỏ hơn nhiều. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các đường dải hoặc quy trình vi dải trên nền gốm có hằng số điện môi cao.
Đường dây vi dải là công nghệ đường truyền phẳng sử dụng dải dẫn điện cách ly với mặt đất bằng chất nền điện môi. Các thiết bị hoàn chỉnh, chẳng hạn như ăng-ten, bộ ghép, bộ lọc và bộ chia công suất, được hình thành bởi các cấu trúc hoa văn kim loại hóa trên đế và có các đặc tính kích thước có độ chính xác cao. So với các công nghệ đường truyền khác, các thiết bị nhỏ được chế tạo bằng công nghệ đường truyền vi dải nhẹ hơn, gọn hơn và thường rẻ hơn. Loại thiết bị này có thể xử lý công suất ở mức trung bình khoảng 10 watt.
Sử dụng vật liệu K cao làm chất nền có thể rút ngắn bước sóng của tín hiệu RF và giảm kích thước tổng thể của thiết bị. Xin lưu ý rằng tài liệu học thuật đôi khi sử dụng chữ 'k' thường, được gọi là 'kappa' trong các tài liệu trang trọng hơn.
Bằng cách sử dụng các bộ ghép định hướng làm bằng vật liệu K cao và công nghệ xử lý vi dải màng mỏng có độ chính xác cao của Knowles, các nhà thiết kế RF có thể giảm kích thước, trọng lượng và công suất (SWaP) của mạch RF trong khi vẫn duy trì dung sai hiệu suất nghiêm ngặt.
Ưu điểm và tác dụng của các vật liệu K cao này là rất đáng kể, như trong Hình 2: hằng số điện môi và bước sóng tương ứng của ba vật liệu điện môi phổ biến (PTFE, FR-4 và alumina) và ba chất nền tùy chỉnh được phát triển bởi Knowles (PG, CF và CG) ở tốc độ 25 gigahertz (GHz). Chất nền CF của chúng có hằng số điện môi là 25, trong khi hằng số điện môi của vật liệu FR-4 là 4,8. Do đó, các thiết bị làm bằng vật liệu CF có bước sóng rút ngắn xuống còn 2/5 so với thiết bị vật liệu FR-4, giúp giảm đáng kể kích thước thiết bị.