Ako navrhnúť rozdeľovač výkonu?

Navrhovanie výkonového deliča je kľúčovou úlohou v oblasti RF a mikrovlnného inžinierstva. Ako dodávateľ výkonových rozdeľovačov som získal bohaté skúsenosti v tejto oblasti. V tomto blogovom príspevku sa podelím o niektoré kľúčové aspekty návrhu rozdeľovača výkonu vrátane základných princípov, rôznych typov a dôležitých aspektov návrhu.

Základné princípy rozdeľovačov výkonu

Delič výkonu je pasívne zariadenie, ktoré rozdeľuje vstupný signál na dva alebo viac výstupných signálov. Základným princípom deliča výkonu je rovnomerné rozloženie výkonu vstupného signálu medzi výstupné porty pri zachovaní určitých elektrických charakteristík, ako je impedančné prispôsobenie a izolácia medzi portami.

Najbežnejším typom deliča výkonu je Wilkinson výkonový delič, ktorý ako prvý navrhol Ernest J. Wilkinson v roku 1960. Wilkinsonov výkonový delič využíva štvrťvlnové transformátory a odpor na dosiahnutie rozdelenia výkonu a izolácie medzi výstupnými portami. Štvrťvlnové transformátory sa používajú na prispôsobenie impedancie vstupných a výstupných portov a rezistor sa používa na izoláciu medzi výstupnými portami.

Ďalším dôležitým princípom je zachovanie sily. Podľa zákona o zachovaní energie by sa súčet výkonov na výstupných portoch výkonového deliča mal rovnať výkonu na vstupnom porte, pričom by sa mali zanedbať straty v zariadení. Matematicky, ak (P_{in}) je vstupný výkon a (P_{out1},P_{out2},\cdots,P_{outn}) sú výstupné výkony (n)-cestného deliča výkonu, potom (P_{in}=\sum_{i = 1}^{n}P_{outi}).

Rôzne typy rozdeľovačov výkonu

Dvojcestné rozdeľovače výkonu

Dvojcestné rozdeľovače výkonu sú najjednoduchšou formou rozdeľovačov výkonu. Rozdeľujú vstupný signál na dva rovnaké výkonové výstupné signály. Wilkinson obojsmerný výkonový delič je široko používaný kvôli jeho dobrej izolácii medzi výstupnými portami a relatívne nízkej vložnej strate.

Viaccestné rozdeľovače výkonu

Pre aplikácie, ktoré vyžadujú viac ako dva výstupné signály, sa používajú viaccestné deliče výkonu. napr.3-cestné rozdeľovače výkonudokáže rozdeliť vstupný signál na tri výstupné signály,6-cestné rozdeľovače výkonudo šiestich a8-cestné rozdeľovače výkonudo ôsmich. Tieto viaccestné rozdeľovače výkonu môžu byť navrhnuté kaskádovými dvojcestnými rozdeľovačmi výkonu alebo použitím zložitejších obvodových topológií.

Nerovnomerné rozdeľovače výkonu

V niektorých prípadoch je potrebné rozdeliť výkon medzi výstupné porty nerovnomerne. Nerovnaké rozdeľovače výkonu možno navrhnúť úpravou hodnôt impedancie prenosových vedení a hodnôt odporu v obvode. Napríklad delič výkonu s pomerom delenia výkonu 2:1 môže byť navrhnutý tak, aby poskytoval viac energie jednému výstupnému portu ako druhému.

Úvahy o dizajne

Impedančné prispôsobenie

Impedančné prispôsobenie je jedným z najdôležitejších aspektov návrhu rozdeľovačov výkonu. Vstupné a výstupné porty výkonového deliča by mali byť prispôsobené charakteristickej impedancii systému, typicky 50 ohmov v RF a mikrovlnných aplikáciách. Neprispôsobená impedancia môže viesť k odrazom, ktoré zvyšujú vložný útlm a znižujú účinnosť deliča výkonu.

Na dosiahnutie impedančného prispôsobenia sa bežne používajú štvrťvlnové transformátory. Charakteristická impedancia štvrťvlnného transformátora je vypočítaná na základe vstupnej a výstupnej impedancie výkonového deliča. Pre Wilkinsonov výkonový delič je charakteristická impedancia štvrťvlnového transformátora (Z_{01}) daná vzťahom (Z_{01}=\sqrt{2}Z_{0}), kde (Z_{0}) je impedancia systému.

Izolácia

Ďalším kritickým faktorom je izolácia medzi výstupnými portami. Dobrá izolácia zaisťuje, že signály na výstupných portoch sa navzájom nerušia. Vo Wilkinsonovom deliči výkonu poskytuje izoláciu odpor medzi výstupnými portami. Hodnota odporu je zvolená tak, aby optimalizovala izolačný výkon. Pre dvojcestný Wilkinsonov výkonový delič so systémovou impedanciou (Z_{0}) je hodnota odporu (R = 2Z_{0}).

Šírka pásma

Šírka pásma výkonového deliča sa vzťahuje na rozsah frekvencií, v ktorých môže výkonový delič efektívne fungovať. Šírka pásma je ovplyvnená faktormi, ako je typ použitých prenosových vedení, impedančná prispôsobená sieť a izolačný obvod. Všeobecne platí, že rozdeľovače výkonu so širšími šírkami pásma sa ťažšie navrhujú a môžu mať vyššie straty pri vkladaní.

Strata vloženia

Vložená strata je strata výkonu, ku ktorej dochádza, keď signál prechádza cez delič výkonu. Je to spôsobené najmä faktormi, ako sú straty vodičov, dielektrické straty a straty vyžarovaním. Nízka vložná strata je žiaduca v dizajne deliča výkonu, aby sa zabezpečil účinný prenos energie.

Kroky návrhu

Krok 1: Definujte špecifikácie

Prvým krokom pri navrhovaní výkonového deliča je definovať špecifikácie, vrátane počtu výstupných portov, pomeru delenia výkonu, rozsahu prevádzkovej frekvencie, impedancie systému a požadovanej izolácie a vložného útlmu.

Krok 2: Vyberte topológiu

Na základe špecifikácií vyberte vhodnú topológiu rozdeľovača výkonu. Napríklad, ak sa vyžaduje dobrá izolácia a nízka vložená strata, môže byť dobrou voľbou Wilkinsonov delič výkonu.

Krok 3: Vypočítajte hodnoty komponentov

Po zvolení topológie vypočítajte hodnoty komponentov, ako je charakteristická impedancia prenosových vedení a hodnoty odporu. Použite príslušné vzorce a rovnice návrhu pre zvolenú topológiu.

Krok 4: Simulujte dizajn

Na simuláciu návrhu použite softvér na elektromagnetickú simuláciu, ako je ADS (Advanced Design System) alebo HFSS (High - Frequency Structure Simulator). Výsledky simulácie môžu pomôcť overiť výkon deliča výkonu a identifikovať prípadné problémy.

Krok 5: Vyrobte a otestujte

Keď sú výsledky simulácie uspokojivé, vyrobte rozdeľovač výkonu pomocou vhodných výrobných procesov, ako je výroba dosky plošných spojov (PCB) alebo mikrovýroba. Potom otestujte vyrobený delič výkonu pomocou sieťových analyzátorov a iných testovacích zariadení, aby ste sa uistili, že spĺňa špecifikácie.

Záver

Navrhovanie rozdeľovača výkonu vyžaduje dobré pochopenie základných princípov, rôznych typov a dôležitých konštrukčných úvah. Ako dodávateľ výkonových rozdeľovačov sme odhodlaní poskytovať vysokokvalitné výkonové rozdeľovače, ktoré spĺňajú rôznorodé potreby našich zákazníkov. Či už potrebujete jednoduchý dvojcestný rozdeľovač výkonu alebo zložitý viaccestný rozdeľovač výkonu, máme odborné znalosti a technológiu na navrhnutie a výrobu správneho produktu pre vás.

Ak máte záujem o naše rozdeľovače výkonu alebo máte akékoľvek otázky týkajúce sa dizajnu rozdeľovača výkonu, neváhajte nás kontaktovať pre obstarávanie a ďalšie diskusie.

Referencie

1. Požár, DM (2011). Mikrovlnné inžinierstvo (4. vydanie). Wiley.
2. Wilkinson, EJ (1960). N-cestný hybridný rozdeľovač výkonu. IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 8(1), 116 - 118.