ההתקן +ZACS242-100W של הוא מפצל/מסכם , קואקסיאלי, להספק גבוה, ויכול לטפל כמפצל בהספק כניסה בת”ר (RF) שמגיע עד 100 ואט. היכולת הזו שיש להתקן, הופכת את הדגם הזה לאבן בנייה שימושית עבור חלוקת אותות במערכות של הספק גבוה, הפועלות בטווח תדירויות שבין 500 מגה הרץ ל-2400 מגה הרץ. עם זאת, בתדירויות שמעל 2400 מגה הרץ, ביצועי הפסדי המעבר (insertion loss) של הרכיב יורדים ופוגמים ביכולת להשתמש במפצל ביישומים הפועלים בתדירויות גבוהות יותר.
במאמר זה, נציג שינוי בתכנון שנעשה ב-ZACS242-100W אשר השיג גידול ברוחב הפס של 50%, על ידי הקטנת הפסדי האות הנגרמים בגלל הקיבול של נגדי השבב במעגל. השינוי יוצג בדגם חדש, , אשר ידגים יכולת טיפול בהספק שהיא שוות ערך לזו של קודמו, אבל עם הפסדי מעבר נמוכים, עד ל-3600 מגה הרץ. אותה טכניקה שימשה על מנת להרחיב את טווח התדירויות של דגמי מפצלים אחרים להספק גבוה של קו המוצרים של Mini-Circuits, על מנת לתמוך ביישומים הפועלים בהספק גבוה בתדירויות גבוהות יותר.
מגבלת רוחב פס: טיפול בהספק לעומת קיבול של נגד
היכולת לטפל בהספקים של מפצל הספק נקבעת בעיקרה על ידי הטיפול בהספק בנגדים הפנימיים. טיפול בהספק של נגד יהיה יחסי לגודל של הנגד, ככל שההספק גבוה, הנגד יהיה בעל ממדים גדולים יותר. אי לכך, הנגדים המשמשים במפצל/מסכם ל- 100 ואט יהיו גדולים באופן יחסי. חשוב מאוד לקחת זאת בחשבון בהקשר להשפעה שיש לקיבול הנגד על הפסדי המעבר.
הדגם +ZACS242-100W משתמש בארבעה נגדי שבב של 100 ואט, בתצורה שנראית באיור 1. החלק המתכתי המוליך שבתחתית כל נגד יוצרת קיבול אל המעגל המודפס (PCB) שאותה אפשר לבטא בעזרת המשוואה עבור קיבול שמתקיים בין שני לוחות מקבילים:
כאשר:
= החדירות (פרמביליות) של החומר בין שני הלוחות
A = האזור של משטח החפיפה בין שני הלוחות
= המרחק בין שני הלוחות
במילים אחרות, אם נניח שהערך של קבוע והערך של קבוע, ככל שגדול יותר יהיה השטח של החומר המוליך הנמצא בתחתית הנגד שחופף את המעגל המודפס, כך הקיבול הנגזר ממבנה הנגד יהיה גדול יותר. הקיבול הנגזר ממבנה הנגדים שנראים באיור 1 מוסיף להפסדי המעבר הכוללים של המעגל, במיוחד בתדירויות העליונות, וזה בעיקרו של דבר, מה שמגביל את רוחב הפס בדגם +ZACS242-100W.
-
- איור 3: השוואה של הפסדי מעבר לעומת תדירות בתכנון ישן ובתכנון חדש של מפצל/מסכם. על ידי כיוון הנגדים בצורה אנכית ביחס למעגל המודפס מקבלים גידול של 50% ברוחב הפס המוגדר לפעולה
-
- איור 2: נגד שבב של 100 ואט מוכוון כאשר המשטח המוליך ניצב במאונך ללוח המעגל
-
- איור 1: מערך המעגל של הדגם +ZACS242-100W עם 4 נגדי שבב של 100 ואט
הרחבת רוחב פס על ידי הקטנת קיבול הנגד עד למינימום
על מנת לתמוך בדרישות של הספק גבוה בתדירויות גבוהות יותר, יעד התכנון שהוגדר היה להרחיב את טווח התדירויות של +ZACS242-100W תוך כדי שמירה על הפסדי מעבר נמוכים וביצועים כוללים שווי ערך. אחת הדרכים להשיג את המטרה הזו הייתה יכולה להיות הקטנה של הקיבול הנובע מהנגדים. אנו יודעים שקיבול הוא פונקציה של שטח החפיפה בין המשטחים המוליכים הנמצאים בתחתית הנגד לבין המעגל המודפס. ראוי לשים לב שהנגדים באיור 1 מונחים כשהם פונים כלפי מטה, כאשר המשטח המוליך כולו פרוש אל מול המעגל המודפס. אמנם אין אנו יכולים להקטין את הגודל של הנגד או את השטח של המשטח המוליך עצמו, אך אנו יכולים להניח אחרת את הנגד מול המעגל המודפס, על מנת להקטין עד למינימום את השטח החופף שבין הלוחות המקבילים.
לכן, המפצל/מסכם נבנה מחדש עם נגדים שמונחים ב-90 מעלות אל המעגל המודפס, כפי שניתן לראות באיור 2. ההנחה של הנגדים בדרך זו, מקטינה במידה יעילה את הקיבול של הנגד ביותר מאשר פי עשרה, עובדה שמקטינה באופן משמעותי את הפסדי המעבר הכוללים בתדירויות הגבוהות יותר.
נתוני הבדיקה של הפסדי המעבר במעבר על פני טווח התדירויות (sweep) מאשרים את השיפור שחל בין הדגם , אשר בו הנגדים מונחים בצורה פרושה מול המעגל המודפס, לבין הדגם , אשר בו הנגדים מונחים בצורה אנכית, כשהם נמצאים בזווית ישרה ביחס למעגל המודפס. איור 3 מציג השוואה של הפסדי מעבר לעומת התדירות, כפי שהם באים לידי ביטוי בתכנון הישן ובתכנון החדש.
בעוד הפסדי המעבר של +ZACS242-100Wעולים בתדירויות שמעל 2400 מגה הרץ, התכנון שעבר שינוי ב-+ZACS362-100W הגיע להפסדי מעבר נמוכים עד לתדירות של 3600 מגה הרץ, והגיע להרחבה של 50% ברוחב הפס המתאים לפעולה. שני הדגמים מספקים יכולת טיפול בהספק של 100 ואט כמפצלים, אך לעומת הדגם שטיפל בהספק של עד 40 ואט כמסכם בת”ר, הדגם החדש יכול היה לטפל ב-5 ואט לכל היותר כמסכם. בכל מובן אחר, הדגם +ZACS362-100W מספק ביצועים שווי ערך לאלו של הדגם +ZACS242-100W עד לתדירות של 3600 מגה הרץ עם בידוד גבוה למדי (22dB אופייני), וחוסר איזון קטן במופע (פאזה) ובמשרעת (אמפליטודה) (1O ו-0.15dB, בהתאמה).
מסקנה
טכניקת התכנון המוצגת במאמר זה מנצלת עקרון בסיסי של קיבול של לוחות מקבילים על מנת להקטין למינימום את הקיבול של הנגדים במעגל מפצל/מסכם, ובכך לשפר במידה ניכרת את ביצועי הפסדי המעבר בתדירויות גבוהות יותר. אותה טכניקה שימשה על מנת להרחיב את טווח התדירויות של תכנונים אחרים של מפצלים/מסכמים להספק גבוה בקו המוצרים של Mini-Circuits ובתכנונים חדשים שנמצאים בימים אלו בשלב הפיתוח, על מנת להציע יכולת טיפול דומה של הספק גבוה, בתדירויות שמגיעות עד 6 ג’יגה הרץ.
