RF 以外の回路解析や実際の回路基板やデスクトップ作業に携わるエンジニアにとって、関心のある主な信号パラメータは、設計内の特定のポイントにおける電圧と電流です。これらのパラメータは、電圧計、オシロスコープ、または電流検出抵抗を使用して測定できます。
対照的に、有線および無線 RF 分野の作業者は、ワットまたはミリワット (mW)、または 1 mW (dBm) に基づくデシベル (dB) 単位の電力に注目します。ただし、電力伝送信号のピックアップポイントに干渉する単純な電圧や電流など存在しないため、RF電力の測定は簡単な作業ではありません。逆に、RF 電力レベルを評価するには、独自の信号送信機と方式を使用する必要があります。
方向性結合器は最も一般的な方法の 1 つで、指定された結合度で RF 信号を「拾い」、信号とサンプリング ポートの間に高い絶縁を提供できる受動デバイスです。
これは完全に検証された技術であり、方向性結合器の動作原理を理解することができます。次に、材料の進歩がどのようにカプラーの開発を促進し、カプラーを低電力回路に適したマイクロ表面実装技術 (SMT) デバイスに還元できるかを探っていきます。
方向性結合器の動作原理
ユニバーサル 4 ポート カプラには、結合ポート (順方向) と分離 (逆方向または反射) ポートを含むパッシブ RF 機能があります (図 1、上の図)。方向性結合器は、絶縁ポートを使用する必要のない 3 ポート構造です。この構成は、単一の順方向結合 (方向性) 出力のみを必要とするアプリケーションに使用されます (図 1、下の図)。
方向性結合器の機能は、信号伝送路の特性を変化させることなく電力サンプリングを実行することです。これは、テストラインの電源への負荷の追加を避けるために高インピーダンスの電圧計を使用するのと似ています。
この方向性結合技術を使用すると、単純な低レベル検出器または電界強度計および電力測定デバイスを使用して信号電力を測定できます。固定入力電力のごく一部が、測定目的で入力ポート P1 から結合ポート P3 に入射します。残りの入力電力は、送信ポートＰ２に送信（パスまたは出力と呼ばれる）される。
方向性結合器の重要な利点の 1 つは、その一方向性電力結合特性です。一方向の送信電力のみを結合します。出力ポートに入る予期せぬ電力は、ポート P3 ではなく未使用の終端絶縁ポート P4 に結合されますが、この状況は方向性結合器の方向性の流れに干渉しません。
図 1: 方向性結合器は、入力ポート P1 から送信 (出力) ポート P2 までのメインの単一パスに影響を与えることなく、P1 への入射電力の一部を測定のために結合ポート P3 に転送できる 3 ポートのパッシブ RF 機能デバイスです。方向性結合器は、4 ポート双方向性結合器の一方向性サブデバイスです。 （画像出典：ウィキペディア）
これらの最上位パラメータは、方向性結合器を指定するために使用されます。
結合度: 結合ポート (P3) に伝送される入力電力 (P1) の割合。
方向性: このパラメータは、前方波と後方波の伝播を区別するカプラの能力を表します。これは、結合 (P3) ポートと分離 (P4) ポートから観察できます。
絶縁: 非結合負荷 (P4) に供給される電力。
挿入損失: 結合ポートと絶縁ポートに分流される電力成分を含む、送信ポートでの入力電力の減衰を指します。
リターンロス: このパラメータは、インピーダンスの不一致により P1 ポートに反射される電力を表します。
先進的な材料の使用により、方向性結合器の体積を削減できます。
方向性結合器を構築するには多くの方法があります。歴史的な観点から見ると、方向性結合器は導波管または同軸ケーブルを通じて実現されてきましたが、これらは依然として高出力アプリケーションに必要です。ただし、基地局などの最新のローエンド RF 回路では、はるかに小型のカプラーが必要です。これは、高誘電率セラミック基板上でストリップラインまたはマイクロストリッププロセスを使用することによって実現できます。
マイクロストリップ線路は、誘電体基板によってグランドプレーンから絶縁された導電性ストリップを使用する平面伝送線路技術です。アンテナ、カプラ、フィルタ、電力分配器などの完全なデバイスは、基板上の金属化パターン構造によって形成され、高精度の寸法特性を備えています。他の伝送線技術と比較して、マイクロストリップ線技術を使用して構築された小型デバイスは軽量、よりコンパクトで、通常は安価です。このタイプのデバイスは、約 10 ワットの中レベルの電力を処理できます。
High-K 材料を基板として使用すると、RF 信号の波長を短縮し、デバイス全体のサイズを縮小できます。学術文献では小文字の「k」が使用されることがあります。これは、より正式な資料では「カッパ」と呼ばれます。
High-K 材料で作られた方向性結合器と Knowles の高精度薄膜マイクロストリップ プロセス技術を利用することで、RF 設計者は厳格な性能許容差を維持しながら、RF 回路のサイズ、重量、電力 (SWaP) を削減できます。
これらの High-K 材料の利点と効果は、図 2 に示すように非常に重要です。3 つの一般的な誘電体材料 (PTFE、FR-4、およびアルミナ) と、Knowles によって開発された 3 つのカスタマイズされた基板 (PG、CF、および CG) の 25 ギガヘルツ (GHz) における誘電率と対応する波長です。同社の CF 基板の誘電率は 25 ですが、FR-4 材料の誘電率は 4.8 です。このため、CF材を用いたデバイスはFR-4材のデバイスに比べて波長が2/5に短縮され、デバイスの大幅な小型化を実現します。