マイクロ波技術 - 高周波デバイスの電力分配器と結合器のPCBを選択する方法

高周波デバイスの電力分配器と結合器のPCBを選択する方法

パワー分配器とコンバイナは最も一般的な/最も一般的な高周波デバイスであり、方向性結合器などの結合器も同様である。これらのデバイスは、アンテナまたはシステムの高周波エネルギーの電力分配、組み合わせ、結合に使用され、損失と漏洩は小さい。PCBボードの選択は、これらのデバイスが期待される性能を実現するための重要な要素である。パワーディスペンサ/コンバイナ/カプラを設計して処理する際には、PCB材料の特性がこれらのデバイスの最終的な性能にどのように影響するかを理解することが役立ちます。制限には、周波数範囲、動作帯域幅、電力容量が含まれます。

電力分配器（コンバイナとも呼ばれる）と結合器を設計するために多くの異なる回路が使用されており、これらにはさまざまな形式があります。パワー分配器には、システムの実際のニーズに応じて、単純な2チャネルパワーポイントと複雑なNチャネルパワーポイントがあります。近年、ウィルキンソンと抵抗電力分配器、ランガー結合器、直交ハイブリッド省エネブリッジを含む多くの異なる方向性結合器と他のタイプの結合器も開発されている。それらにはいろいろな形と大きさがあります。これらの回路設計で適切なPCB材料を選択することは、最適な性能を実現するのに役立ちます。

これらの異なる回路タイプは設計の構造と性能に影響を与え、設計者が異なるアプリケーションのために回路基板を選択するのを支援します。ウィルキンソン二重電力分配器は、振幅と位相が等しい二重出力信号を提供するために単一の入力信号を使用する。実際には、元の信号より3 dB（または言い換えれば）低い信号を提供することを目的とした「ロスレス」回路である。は、元の信号の半分の出力信号（電力分配器の各ポートの出力電力は、出力ポート数が増加するにつれて減少する）である。対照的に、抵抗式二重電力分配器は、元の信号より6 dB小さい出力信号を提供する。抵抗式パワー分配器における各分岐の追加インピーダンスは損失を増加させるが、2つの信号間の分離も増加させる。

多くの回路設計と同様に、誘電率（Dk）は通常、異なるPCB材料を選択するための起点であり、電力分配器／電力結合器の設計者は、低誘電率材料よりも小さい回路で有効な電磁結合を提供できるため、高誘電率の回路材料を使用する傾向がある。高誘電率回路には、基板中の誘電率が異方性であるか、基板の誘電率値がx、y、z方向に異なるという問題がある。誘電率が同一方向に大きく変化すると、インピーダンスが均一な伝送路を得ることも困難である。

パワー分配器／複合器の特性を実現するには、インピーダンスの不変性を維持することが重要である。誘電率（インピーダンス）の変化は、電磁エネルギーと電力の不均一分布を引き起こす。幸いなことに、TMM 10 i回路材料のようなこれらの回路には、優れた等方性を有する商用PCB材料が使用できる。これらの材料は比較的高い誘電率9.8を有し、3つの座標軸方向において9.8＋／−0.245のレベル（10 GHzで測定）に維持されている。これはまた、電力分配器/結合器と結合器の伝送路において、均一なインピーダンス特性は、装置中の電磁エネルギー分布を一定にし、測定可能にすることができると理解される。より高い誘電率を持つPCB材料では、TMM 13 i積層板の誘電率は12.85であり、3軸の変化は+/-0.35（10 GHz）以内である。

もちろん、電力分配器/電力結合器と結合器を設計する場合、一定の誘電率とインピーダンス特性は考慮すべきPCB材料パラメータの1つにすぎない。電力分配器／結合器または結合器回路を設計する場合、挿入損失を最小化することは通常重要な目標である。理想的には、デュアルウィルキンソン電力分配器は2つの出力ポート−3 dBまたは半分の入力電磁エネルギーを提供することができる。実際には、各電力分配器／結合器（および結合器）回路には一定の挿入損失があり、これは通常周波数に依存する（周波数が増加すると損失も増加する）ため、電力分配器／結合器にとって、設計の面では、PCB材料の選択は回路の挿入損失を最小化するためにどのように制御するかを考慮する必要がある。

電力分配器/結合器や結合器などの受動高周波デバイスでは、挿入損失は実際には誘電損失、導体損失、放射損失、漏洩損失を含む多くの損失の総和である。これらの損失のいくつかは、注意深い回路設計によって制御することができます。それらはPCB材料の特性にも依存する可能性があり、PCB材料を合理的に選択することで最小化することができる。インピーダンス不整合（すなわち定在波比損失）は損失をもたらすが、一定の誘電率を有するPCB材料を選択することで損失を低減することができる。

高出力では、損失が熱に変換され、デバイスやPCB材料に消散するが、熱は材料の誘電特性に影響するため、高出力電力分配器/結合器と結合器の設計では、損失を最大限に減らすことが非常に重要である。一定値（およびインピーダンス値）には影響があります。

要するに、高周波電力分配器/結合器と結合器を設計、加工する際、PCB材料の選択は誘電率の値、材料仲介電気定数の連続性及び温度などの環境要素を含む多くの異なる重要な材料特性に基づくべきである。材料損失の減少には誘電損失、導体損失と電力容量が含まれる。特定の用途のためにPCB材料を選択することは、成功を収めるために高周波電力分配器/結合器または結合器を設計するのに役立ちます。