面実装型方向性結合器を使用したRF電力監視デバイスの小型化

RF以外の回路解析や基板やベンチの実作業に携わる技術者にとって、関心のある主な信号パラメータは、設計の特定ポイントにおける電圧と電流です。これらは、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。

これとは対照的に、有線および無線のRF領域では、ワットまたはミリワット（mW）、あるいは1mW（dBm）を基準とするデシベル（dB）で測定される電力に注目します。しかし、RF電力の測定は簡単ではありません。電力の流れを妨げない、単純な電圧または電流の信号ピックオフポイントに相当するものが存在しないからです。その代わりに、RF電力レベルを評価するために、独自の信号トランスデューサとスキームが使用されます。

最も一般的なアプローチの1つは、方向性結合器を使用するもので、信号とサンプリングポートの間で高いアイソレーションを実現しながら、決められた結合度でRF信号を「ピックオフ」する受動的な方法です。

実績のある技術ですが、方向性結合器がどのように機能するか見てみましょう。次に、材料の進歩の恩恵を受けて、低電力回路に適した小型面実装技術（SMT）デバイスに小型化された方法について説明します。

方向性結合器の仕組み

一般的な4ポート結合器は、結合ポート（順方向）と分離ポート（逆方向または反射）を含む受動RF機能です（図1、上）。方向性結合器は、分離ポートを使用しない3ポート構造で、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で使用されます（図1、下）。

方向性結合器の役割は、信号伝送ラインから、線路特性を変えることなく電力をサンプリングすることです。これは、高インピーダンスの電圧計を使って、測定する線路上のソースに負荷をかけないようにすることに似ています。

この方向性結合により、シンプルな低レベル検出器や電界強度計、電力測定器を使った信号電力測定が可能になります。入力ポートP1に入射する電力のわずかな一定割合が、測定用の結合ポートP3に現れます。入力電力の残りは、送信（スルーまたは出力と呼ばれる）ポートP2に送られます。

方向性結合器の重要な利点は、一方向に流れる電力のみを結合することです。不注意に出力ポートに入射した電力は、未使用の終端分離されたポートP4に結合され、P3には結合されません。しかし、これは結合器の方向性の流れにとっては問題ではありません。

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への一次単一経路に影響を与えることなく、P1への入射電力の一部を測定可能な結合ポートP3に分流させる3ポート受動RF機能であり、4ポート双方向結合器の単方向サブセットです。（画像提供：Wikipedia）

これらのトップレベルのパラメータは、方向性結合器の仕様を指定するために使用されます。

• 結合度：結合ポート（P3）に送られる入力電力（P1）の割合。
• 方向性：結合ポート（P3）と分離ポート（P4）で観測される、進行波と反射波を分離する結合器の能力を示す指標。
• アイソレーション：非結合負荷（P4）に出力される電力量。
• 挿入損失：結合ポートや分離ポートに送られた電力を考慮した、入力された電力が出力ポートを通って伝送される際の減衰量。
• リターンロス：インピーダンスの不整合により、どれだけの電力がP1に反射されるかを示す値。

先端材料による方向性結合器の小型化

方向性結合器を作るにはさまざまな方法があります。歴史的には、導波管や同軸ケーブルが使用されてきましたが、より高出力のアプリケーションでは、これらはまだ必要です。しかし、基地局のような最新の低レベルRF回路では、より小型の結合器が必要です。これは、高誘電率セラミック基板上の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用いて実現できます。

マイクロストリップは、誘電体基板によってグランドプレーンから分離された導体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、電力分配器などの部品全体は、基板上の金属化パターンから高精度の寸法精度で形成されます。マイクロストリップ技術を使用して製造された小型部品は、他の伝送線路技術よりも軽量、小型で、一般的に安価です。また、10ワットオーダーの小電力にも対応できます。

基板として高誘電率（High-K）材料を使用できるため、RF信号の波長が短くなり、部品全体のサイズが小さくなります。なお、学術文献では小文字のkを使うことがありますが、より正式にはκ（ギリシャ語のカッパ）と呼ばれます。

Knowlesの高K材料と高精度薄膜マイクロストリッププロセス技術で製造された方向性結合器を使用することで、RF設計者は、性能公差を厳しく維持しながら、RF回路のサイズ、重量、消費電力（SWaP）を削減することができます。

一般的な誘電体材料3種類（PTFE、FR-4、アルミナ）と、Knowlesが開発した3種類のカスタム基板（PG、CF、CG）の誘電率と25ギガヘルツ（GHz）における波長を比較（図2）すると、これらの高誘電率材料の効果が極めて大きいことがわかります。CF基板の比誘電率は25で、FR-4材料の比誘電率は4.8です。その結果、CF材料を使用したデバイスの波長は、FR-4を使用したデバイスの約2.5分の1となり、デバイスサイズの劇的な小型化につながります。

図2 : 薄膜マイクロストリップ方向性結合器（左）は、非常に高いK誘電体基板を活用することで、サイズと重量を大幅に削減したデバイスを実現します（右）。（画像提供：Knowles）

SMT方向性結合器の性能例

マイクロストリップ技術と高誘電率誘電体基板に基づく方向性結合器の性能とサイズは、KnowlesのFPC06073とFPC07182結合器に見られ、それぞれがギガヘルツ帯域内の異なる範囲と帯域幅をサポートしています（図3、それぞれ上と下）。

図3：FPC06073（上）とFPC07182（下）の結合器は、リターンロス、挿入損失、結合度、アイソレーションの4つのトップレベルのパラメータにおいて、それぞれの帯域で優れた性能を発揮します。（画像提供：Knowles Precision Devices）

FPC06073 50オーム（Ω）SMT方向性結合器は、10dBの結合度と20dBの方向性で4～8GHzをカバーします。サイズは約4.3 × 2.0 × 0.38mm（0.170 ×0.080 × 0.015インチ）と小型で、小型設計に適しています。定格出力は25ワット（連続）です。図3に示す4つの指標、特に結合度と挿入損失の性能は、全帯域にわたって比較的フラットで、動作温度と保存温度はともに-55˚C～125˚Cに定められています。

より高い周波数にシフトしたFPC07182 SMT結合器は20～40GHz向けに設計されています。FPC060073と同様、結合度は10dBですが、方向性は10dBです。わずか1.65 × 1.270 × 0.254mm（0.065 × 0.050 × 0.010インチ）とさらに小型の50Ωデバイスで、最大14ワットまで対応し、20GHzの帯域幅全体にわたって非常にフラットな結合度と挿入損失を示します。

まとめ

高誘電率セラミック基板とマイクロストリップ技術に基づく方向性結合器は、現在、ほとんど目に見えないSMTデバイスでこのRF機能を提供し、指定されたギガヘルツ帯域にわたって卓越した性能と電力処理を実現します。

関連コンテンツ

1：Knowles Precision Devices, “Reduce RF Circuit SWaP with High K Materials and Precision Thin-Film Microstrip Technology”（Knowles Precision Devices、『高誘電率材料と高精度薄膜マイクロストリップ技術でRF回路のSWaPを削減』）

https://info.knowlescapacitors.com/hubfs/White%20Papers/Device_Minaturization_WP_V7.pdf

２：DigiKey、『RF指向性カプラの基礎とその効果的な使用方法』

https://www.digikey.jp/ja/articles/the-fundamentals-of-rf-directional-couplers-and-how-to-use-them-effectively

3: DigiKey, “Solving the RF Power-Detection Challenge” （DigiKey、『RF電力検出の課題を解決』）（Analog Devicesを引用）

https://www.digikey.jp/ja/articles/solving-the-rf-power-detection-challenge

4：DigiKey, “Tiny Directional Couplers Meet Demands of Compact RF Applications”（DigiKey、『小型方向性結合器が小型RFアプリケーションの要求に対応』）

https://www.digikey.jp/ja/articles/tiny-directional-couplers-meet-demands-of-compact-rf-applications