สำหรับวิศวกรที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์วงจรที่ไม่ใช่ RF หรืองานแผงวงจรและเดสก์ท็อปจริง พารามิเตอร์สัญญาณหลักที่น่าสนใจคือแรงดันและกระแสที่จุดเฉพาะในการออกแบบ พารามิเตอร์เหล่านี้สามารถวัดได้โดยใช้โวลต์มิเตอร์ ออสซิลโลสโคป หรือตัวต้านทานตรวจจับกระแส
ในทางตรงกันข้าม ผู้ปฏิบัติงานในเขตข้อมูล RF แบบใช้สายและไร้สายมุ่งเน้นไปที่พลังงานเป็นวัตต์หรือมิลลิวัตต์ (mW) หรือเดซิเบล (dB) โดยอิงจาก 1 mW (dBm) อย่างไรก็ตาม การวัดกำลัง RF ไม่ใช่เรื่องง่าย เนื่องจากไม่มีแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าธรรมดาที่จะรบกวนจุดรับสัญญาณการส่งกำลัง ในทางตรงกันข้าม ควรใช้เครื่องส่งและโครงร่างสัญญาณเฉพาะเพื่อประเมินระดับพลังงาน RF
Directional Coupler เป็นหนึ่งในวิธีการที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด ซึ่งเป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟที่สามารถ "รับ" สัญญาณ RF ด้วยระดับการเชื่อมต่อที่ระบุ และให้การแยกสัญญาณในระดับสูงระหว่างสัญญาณและพอร์ตการสุ่มตัวอย่าง
นี่เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการตรวจสอบอย่างสมบูรณ์ซึ่งช่วยให้เราเข้าใจหลักการทำงานของข้อต่อแบบกำหนดทิศทางได้ จากนั้น เราจะสำรวจว่าความก้าวหน้าของวัสดุสามารถขับเคลื่อนการพัฒนาข้อต่อได้อย่างไร โดยลดอุปกรณ์ดังกล่าวลงเหลือเพียงอุปกรณ์เทคโนโลยีการยึดพื้นผิวขนาดเล็ก (SMT) ที่เหมาะสำหรับวงจรพลังงานต่ำ
หลักการทำงานของไดเรคชั่นคัปเปลอร์
ข้อต่อสี่พอร์ตสากลมีฟังก์ชัน RF แบบพาสซีฟ รวมถึงพอร์ตเชื่อมต่อ (ไปข้างหน้า) และพอร์ตแยก (ย้อนกลับหรือสะท้อน) (รูปที่ 1 รูปด้านบน) Directional Coupler เป็นโครงสร้างพอร์ตสามพอร์ตที่ไม่ต้องใช้พอร์ตแยก การกำหนดค่านี้ใช้สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการเอาต์พุตคัปปลิ้งไปข้างหน้า (ทิศทาง) เดียวเท่านั้น (รูปที่ 1 รูปด้านล่าง)
หน้าที่ของไดเรกชันคัปเปลอร์คือการสุ่มตัวอย่างกำลังในสายส่งสัญญาณโดยไม่ต้องเปลี่ยนลักษณะของสาย ซึ่งค่อนข้างคล้ายกับการใช้โวลต์มิเตอร์ความต้านทานสูงเพื่อหลีกเลี่ยงการเพิ่มโหลดให้กับแหล่งจ่ายไฟบนสายทดสอบ
ด้วยเทคโนโลยีการเชื่อมต่อทิศทางนี้ สามารถใช้เครื่องตรวจจับระดับต่ำหรือเครื่องวัดความแรงของสนามและอุปกรณ์วัดกำลังเพื่อวัดกำลังของสัญญาณได้ ส่วนเล็กๆ ของกำลังอินพุตคงที่จะตกกระทบจากพอร์ตอินพุต P1 ไปยังพอร์ตเชื่อมต่อ P3 เพื่อวัตถุประสงค์ในการวัด กำลังไฟฟ้าเข้าที่เหลืออยู่จะถูกส่ง (เรียกว่าผ่านหรือเอาท์พุท) ไปยังพอร์ตส่งสัญญาณ P2
ข้อได้เปรียบที่สำคัญประการหนึ่งของไดเรชันนัลคัปปลิ้งคือคุณลักษณะของคัปปลิ้งกำลังแบบทิศทางเดียว การเชื่อมต่อกำลังส่งแบบทิศทางเดียวเท่านั้น พลังงานที่ไม่คาดคิดใดๆ ที่เข้าสู่พอร์ตเอาท์พุตจะถูกควบคู่กับพอร์ตแยกขั้วต่อเทอร์มินัลที่ไม่ได้ใช้ P4 แทนที่จะเป็นพอร์ต P3 แต่สถานการณ์นี้จะไม่รบกวนการไหลของทิศทางของตัวเชื่อมต่อทิศทาง
รูปที่ 1: ตัวเชื่อมต่อทิศทางเป็นอุปกรณ์ RF แบบพาสซีฟสามพอร์ตที่สามารถถ่ายโอนพลังงานตกกระทบบางส่วนบน P1 ไปยังพอร์ตเชื่อมต่อ P3 เพื่อการวัดโดยไม่ส่งผลกระทบต่อเส้นทางหลักเดียวจากพอร์ตอินพุต P1 ไปยังพอร์ตการส่ง (เอาต์พุต) P2; Directional Coupler เป็นอุปกรณ์ย่อยทิศทางเดียวของ Coupler แบบสองทิศทางสี่พอร์ต (แหล่งรูปภาพ: วิกิพีเดีย)
พารามิเตอร์ระดับบนสุดเหล่านี้ใช้เพื่อระบุข้อต่อทิศทาง:
ระดับการเชื่อมต่อ: สัดส่วนของกำลังอินพุต (ที่ P1) ที่ส่งไปยังพอร์ตการเชื่อมต่อ (P3)
ทิศทาง: พารามิเตอร์นี้แสดงถึงความสามารถของตัวเชื่อมต่อในการแยกแยะระหว่างการแพร่กระจายคลื่นไปข้างหน้าและข้างหลัง ซึ่งสามารถสังเกตได้จากพอร์ตคัปปลิ้ง (P3) และพอร์ตแยก (P4)
การแยก: กำลังที่ส่งไปยังโหลดแบบไม่ต่อพ่วง (P4)
การสูญเสียการแทรก: หมายถึงการลดทอนของกำลังอินพุตที่พอร์ตการส่ง รวมถึงส่วนประกอบกำลังที่เปลี่ยนเส้นทางไปยังพอร์ตคัปปลิ้งและพอร์ตแยก
การสูญเสียการส่งคืน: พารามิเตอร์นี้แสดงถึงกำลังที่สะท้อนกลับไปยังพอร์ต P1 เนื่องจากอิมพีแดนซ์ไม่ตรงกัน
การใช้วัสดุขั้นสูงสามารถลดปริมาตรของข้อต่อทิศทางได้
มีหลายวิธีในการสร้างข้อต่อทิศทาง จากมุมมองในอดีต ข้อต่อทิศทางทำได้ผ่านท่อนำคลื่นหรือสายโคแอกเชียล ซึ่งยังคงจำเป็นสำหรับการใช้งานที่มีกำลังสูง อย่างไรก็ตาม วงจร RF โลว์เอนด์สมัยใหม่ เช่น วงจรในสถานีฐาน ต้องใช้ตัวเชื่อมต่อที่เล็กกว่ามาก ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้เส้นแถบหรือกระบวนการไมโครสตริปบนพื้นผิวเซรามิกที่มีค่าความเป็นฉนวนสูง
สายไมโครสตริปเป็นเทคโนโลยีสายส่งแบบระนาบที่ใช้แถบนำไฟฟ้าที่แยกได้จากระนาบกราวด์ด้วยสารตั้งต้นอิเล็กทริก อุปกรณ์ที่สมบูรณ์ เช่น เสาอากาศ ข้อต่อ ตัวกรอง และตัวแบ่งกำลัง ถูกสร้างขึ้นจากโครงสร้างลวดลายโลหะบนพื้นผิว และมีลักษณะมิติที่มีความแม่นยำสูง เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีสายส่งอื่นๆ อุปกรณ์ขนาดเล็กที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีสายไมโครสตริปจะเบากว่า กะทัดรัดกว่า และโดยทั่วไปราคาถูกกว่า อุปกรณ์ประเภทนี้สามารถรองรับกำลังไฟระดับกลางได้ประมาณสิบวัตต์
การใช้วัสดุที่มี K สูงเป็นพื้นผิวสามารถลดความยาวคลื่นของสัญญาณ RF และลดขนาดโดยรวมของอุปกรณ์ได้ โปรดทราบว่าวรรณกรรมเชิงวิชาการบางครั้งใช้ตัวพิมพ์เล็ก 'k' ซึ่งเรียกว่า 'คัปปา' ในสื่อที่เป็นทางการมากขึ้น
ด้วยการใช้ตัวเชื่อมต่อทิศทางที่ทำจากวัสดุ K สูงและเทคโนโลยีกระบวนการไมโครสตริปฟิล์มบางที่มีความแม่นยำสูงของ Knowles ผู้ออกแบบ RF สามารถลดขนาด น้ำหนัก และกำลัง (SWaP) ของวงจร RF ขณะเดียวกันก็รักษาความทนทานต่อประสิทธิภาพที่เข้มงวด
ข้อดีและผลกระทบของวัสดุที่มี K สูงเหล่านี้มีความสำคัญมาก ดังแสดงในรูปที่ 2: ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกและความยาวคลื่นที่สอดคล้องกันของวัสดุอิเล็กทริกทั่วไปสามชนิด (PTFE, FR-4 และอลูมินา) และซับสเตรตแบบกำหนดเองสามชนิดที่พัฒนาโดย Knowles (PG, CF และ CG) ที่ 25 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) สารตั้งต้น CF มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเท่ากับ 25 ในขณะที่ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุ FR-4 คือ 4.8 ดังนั้น อุปกรณ์ที่ทำจากวัสดุ CF จึงมีความยาวคลื่นสั้นลงเหลือ 2/5 ของอุปกรณ์วัสดุ FR-4 ซึ่งทำให้ขนาดอุปกรณ์ลดลงอย่างเห็นได้ชัด