หลักการทำงานของตัวเชื่อมต่อทิศทาง

ตัวเชื่อมต่อทิศทาง (Directional coupler) เป็นส่วนประกอบมาตรฐานของคลื่นไมโครเวฟ/มิลลิเมตรในระบบวัดไมโครเวฟและระบบไมโครเวฟอื่นๆ สามารถใช้สำหรับการแยก การผสม และการรวมสัญญาณ เช่น การตรวจสอบกำลัง การรักษาเสถียรภาพกำลังเอาต์พุตของแหล่งกำเนิด การแยกแหล่งกำเนิดสัญญาณ การทดสอบการกวาดความถี่ในการส่งและการสะท้อน เป็นต้น เป็นตัวแบ่งกำลังไมโครเวฟแบบทิศทาง และเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ในเครื่องวัดการสะท้อนความถี่แบบกวาดในปัจจุบัน โดยทั่วไปมีหลายประเภท เช่น แบบท่อนำคลื่น แบบสายโคแอกเซียล แบบสายแถบ และแบบไมโครสตริป

ภาพที่ 1 เป็นแผนภาพโครงสร้างโดยสังเขป ประกอบด้วยสองส่วนหลัก คือ สายหลักและสายเสริม ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยรู ร่อง และช่องว่างขนาดเล็กต่างๆ ดังนั้น พลังงานส่วนหนึ่งที่ป้อนเข้ามาจากขั้ว “1” ที่ปลายสายหลักจะถูกส่งไปยังสายเสริม เนื่องจากการรบกวนหรือการซ้อนทับของคลื่น พลังงานจะถูกส่งผ่านสายเสริมไปในทิศทางเดียวเท่านั้น (เรียกว่า “ไปข้างหน้า”) และในอีกทิศทางหนึ่งแทบไม่มีการส่งผ่านพลังงานเลย (เรียกว่า “ย้อนกลับ”)

ภาพที่ 2 แสดงตัวเชื่อมต่อแบบไขว้ทิศทาง โดยพอร์ตหนึ่งในตัวเชื่อมต่อเชื่อมต่อกับโหลดที่เหมาะสมภายในตัว

การประยุกต์ใช้ตัวเชื่อมต่อทิศทาง

1. สำหรับระบบสังเคราะห์พลังงาน
ตัวเชื่อมต่อทิศทาง 3dB (หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่า บริดจ์ 3dB) มักใช้ในระบบสังเคราะห์ความถี่แบบหลายพาหะ ดังแสดงในรูปด้านล่าง วงจรประเภทนี้พบได้ทั่วไปในระบบกระจายสัญญาณภายในอาคาร หลังจากสัญญาณ f1 และ f2 จากเครื่องขยายกำลังสองตัวผ่านตัวเชื่อมต่อทิศทาง 3dB แล้ว เอาต์พุตของแต่ละช่องสัญญาณจะมีส่วนประกอบความถี่สองส่วนคือ f1 และ f2 และ 3dB จะลดแอมพลิจูดของส่วนประกอบความถี่แต่ละส่วนลง หากขั้วเอาต์พุตหนึ่งเชื่อมต่อกับโหลดดูดซับ เอาต์พุตอีกอันสามารถใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟของระบบวัดการผสมสัญญาณแบบพาสซีฟได้ หากต้องการปรับปรุงการแยกสัญญาณให้ดียิ่งขึ้น สามารถเพิ่มส่วนประกอบบางอย่าง เช่น ตัวกรองและตัวแยกสัญญาณได้ การแยกสัญญาณของบริดจ์ 3dB ที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถมากกว่า 33dB ได้
 
ตัวเชื่อมต่อทิศทางใช้ในระบบรวมกำลังไฟฟ้าแบบที่หนึ่ง
พื้นที่ร่องทิศทางซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้การรวมกำลังอีกรูปแบบหนึ่งแสดงอยู่ในรูป (a) ด้านล่าง ในวงจรนี้ ได้มีการนำคุณสมบัติการรับส่งสัญญาณแบบทิศทางของตัวเชื่อมต่อแบบทิศทางมาประยุกต์ใช้อย่างชาญฉลาด สมมติว่าระดับการเชื่อมต่อของตัวเชื่อมต่อทั้งสองมีค่า 10dB และการรับส่งสัญญาณแบบทิศทางมีค่า 25dB การแยกสัญญาณระหว่างปลาย f1 และ f2 จะเท่ากับ 45dB หากสัญญาณอินพุตของ f1 และ f2 มีค่า 0dBm ทั้งคู่ สัญญาณเอาต์พุตที่รวมกันจะมีค่าเป็น -10dBm ทั้งคู่ เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเชื่อมต่อ Wilkinson ในรูป (b) ด้านล่าง (ค่าการแยกสัญญาณโดยทั่วไปคือ 20dB) สัญญาณอินพุตเดียวกันที่มีค่า 0dBm หลังจากสังเคราะห์แล้วจะได้ค่า -3dBm (โดยไม่พิจารณาการสูญเสียการแทรก) เมื่อเปรียบเทียบกับเงื่อนไขระหว่างตัวอย่าง เราเพิ่มสัญญาณอินพุตในรูป (a) ขึ้น 7dB เพื่อให้เอาต์พุตสอดคล้องกับรูป (b) ในขณะนี้ ค่าการแยกสัญญาณระหว่าง f1 และ f2 ในรูป (a) “ลดลง” เป็น 38 dB ผลการเปรียบเทียบขั้นสุดท้ายคือ วิธีการสังเคราะห์กำลังของตัวเชื่อมต่อทิศทางนั้นสูงกว่าตัวเชื่อมต่อ Wilkinson ถึง 18 dB แผนการนี้เหมาะสมสำหรับการวัดการรบกวนระหว่างสัญญาณของแอมพลิฟายเออร์สิบตัว

ตัวเชื่อมต่อทิศทางถูกใช้ในระบบรวมกำลังไฟฟ้า 2

2. ใช้สำหรับการวัดการต้านทานการรบกวนของเครื่องรับหรือการวัดสัญญาณรบกวนปลอม
ในระบบทดสอบและวัดค่า RF วงจรที่แสดงในรูปด้านล่างมักจะพบเห็นได้บ่อย สมมติว่า DUT (อุปกรณ์หรือเครื่องมือที่กำลังทดสอบ) คือตัวรับสัญญาณ ในกรณีนี้ สัญญาณรบกวนจากช่องสัญญาณข้างเคียงสามารถถูกฉีดเข้าไปในตัวรับสัญญาณผ่านทางปลายด้านเชื่อมต่อของตัวเชื่อมต่อทิศทาง จากนั้นเครื่องทดสอบแบบรวมที่เชื่อมต่อผ่านตัวเชื่อมต่อทิศทางสามารถทดสอบความต้านทานของตัวรับสัญญาณและประสิทธิภาพการต้านทานสัญญาณรบกวนได้ หาก DUT คือโทรศัพท์มือถือ ตัวส่งสัญญาณของโทรศัพท์สามารถเปิดใช้งานได้โดยใช้เครื่องทดสอบแบบรวมที่เชื่อมต่อกับปลายด้านเชื่อมต่อของตัวเชื่อมต่อทิศทาง จากนั้นเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมสามารถใช้ในการวัดสัญญาณรบกวนของโทรศัพท์ได้ แน่นอนว่าควรเพิ่มวงจรกรองก่อนเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม เนื่องจากตัวอย่างนี้กล่าวถึงเฉพาะการใช้งานตัวเชื่อมต่อทิศทางเท่านั้น จึงละเว้นวงจรกรองไว้

ตัวเชื่อมต่อทิศทางใช้สำหรับการวัดการป้องกันการรบกวนของเครื่องรับหรือความสูงปลอมของโทรศัพท์มือถือ
ในวงจรทดสอบนี้ ทิศทางการรับสัญญาณของตัวเชื่อมต่อแบบทิศทางมีความสำคัญมาก เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมที่เชื่อมต่อกับปลายด้านส่งผ่านต้องการรับเฉพาะสัญญาณจากอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ (DUT) เท่านั้น และไม่ต้องการรับรหัสผ่านจากปลายด้านเชื่อมต่อ

3 สำหรับการสุ่มตัวอย่างและตรวจสอบสัญญาณ
การวัดและตรวจสอบเครื่องส่งสัญญาณแบบออนไลน์อาจเป็นหนึ่งในแอปพลิเคชันที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดของตัวเชื่อมต่อทิศทาง รูปต่อไปนี้แสดงแอปพลิเคชันทั่วไปของตัวเชื่อมต่อทิศทางสำหรับการวัดสถานีฐานเซลลูลาร์ สมมติว่ากำลังส่งออกของเครื่องส่งสัญญาณคือ 43dBm (20W) ความสามารถในการเชื่อมต่อของตัวเชื่อมต่อทิศทางคือ 30dB การสูญเสียการแทรก (การสูญเสียในสายบวกการสูญเสียในการเชื่อมต่อ) คือ 0.15dB ปลายด้านที่เชื่อมต่อมีสัญญาณ 13dBm (20mW) ส่งสัญญาณไปยังเครื่องทดสอบสถานีฐาน กำลังส่งออกโดยตรงของตัวเชื่อมต่อทิศทางคือ 42.85dBm (19.3W) และกำลังรั่วไหลที่ด้านแยกถูกดูดซับโดยโหลด

ตัวเชื่อมต่อทิศทางใช้สำหรับการวัดค่าที่สถานีฐาน
เครื่องส่งสัญญาณเกือบทั้งหมดใช้วิธีนี้สำหรับการสุ่มตัวอย่างและการตรวจสอบแบบออนไลน์ และอาจมีเพียงวิธีนี้เท่านั้นที่สามารถรับประกันการทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องส่งสัญญาณภายใต้สภาวะการทำงานปกติได้ แต่ควรสังเกตว่าการทดสอบเครื่องส่งสัญญาณนั้นเหมือนกัน และผู้ทดสอบแต่ละรายก็มีข้อกังวลที่แตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น สถานีฐาน WCDMA ผู้ให้บริการต้องให้ความสนใจกับตัวชี้วัดในย่านความถี่การทำงาน (2110~2170MHz) เช่น คุณภาพสัญญาณ กำลังในช่องสัญญาณ กำลังในช่องสัญญาณข้างเคียง เป็นต้น ภายใต้เงื่อนไขนี้ ผู้ผลิตจะติดตั้งตัวเชื่อมต่อทิศทางแบบแถบความถี่แคบ (เช่น 2110~2170MHz) ที่ปลายเอาต์พุตของสถานีฐานเพื่อตรวจสอบสภาพการทำงานในย่านความถี่ของเครื่องส่งสัญญาณและส่งข้อมูลไปยังศูนย์ควบคุมได้ตลอดเวลา
หากเป็นหน่วยงานควบคุมคลื่นความถี่วิทยุ – สถานีตรวจสอบวิทยุที่ใช้ทดสอบตัวบ่งชี้สถานีฐานแบบซอฟต์แวร์ – จุดประสงค์ก็จะแตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิง ตามข้อกำหนดของมาตรฐานการจัดการวิทยุ ช่วงความถี่ทดสอบขยายไปถึง 9kHz~12.75GHz และสถานีฐานที่ทดสอบนั้นกว้างมาก จะมีรังสีรบกวนเกิดขึ้นมากน้อยเพียงใดในย่านความถี่นี้ และจะรบกวนการทำงานปกติของสถานีฐานอื่นๆ มากน้อยเพียงใด? นี่คือข้อกังวลของสถานีตรวจสอบวิทยุ ในขณะนี้ จำเป็นต้องใช้ตัวเชื่อมต่อทิศทางที่มีแบนด์วิดท์เดียวกันสำหรับการสุ่มตัวอย่างสัญญาณ แต่ตัวเชื่อมต่อทิศทางที่สามารถครอบคลุมช่วง 9kHz~12.75GHz นั้นดูเหมือนจะไม่มีอยู่จริง เรารู้ว่าความยาวของแขนเชื่อมต่อของตัวเชื่อมต่อทิศทางนั้นสัมพันธ์กับความถี่ศูนย์กลาง แบนด์วิดท์ของตัวเชื่อมต่อทิศทางแบบอัลตร้าไวด์แบนด์สามารถทำได้ถึง 5-6 อ็อกเทฟแบนด์ เช่น 0.5-18GHz แต่ไม่สามารถครอบคลุมย่านความถี่ต่ำกว่า 500MHz ได้

4. การวัดพลังงานออนไลน์
ในเทคโนโลยีการวัดกำลังไฟฟ้าแบบส่งผ่าน ตัวเชื่อมต่อทิศทางเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญมาก รูปต่อไปนี้แสดงแผนผังวงจรของระบบวัดกำลังไฟฟ้าสูงแบบส่งผ่านทั่วไป กำลังไฟฟ้าขาออกจากเครื่องขยายเสียงที่กำลังทดสอบจะถูกสุ่มตัวอย่างโดยปลายตัวเชื่อมต่อขาออก (ขั้วต่อ 3) ของตัวเชื่อมต่อทิศทางและส่งไปยังเครื่องวัดกำลังไฟฟ้า กำลังไฟฟ้าขากลับจะถูกสุ่มตัวอย่างโดยปลายตัวเชื่อมต่อขากลับ (ขั้วต่อ 4) และส่งไปยังเครื่องวัดกำลังไฟฟ้า
ตัวเชื่อมต่อทิศทางใช้สำหรับการวัดกำลังไฟฟ้าสูง
โปรดทราบ: นอกจากการรับกำลังสะท้อนจากโหลดแล้ว ขั้วต่อแบบย้อนกลับ (ขั้วต่อ 4) ยังรับกำลังรั่วไหลจากทิศทางไปข้างหน้า (ขั้วต่อ 1) ซึ่งเกิดจากทิศทางของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทาง กำลังสะท้อนคือสิ่งที่เครื่องทดสอบหวังจะวัด และกำลังรั่วไหลเป็นแหล่งที่มาหลักของข้อผิดพลาดในการวัดกำลังสะท้อน กำลังสะท้อนและกำลังรั่วไหลจะถูกซ้อนทับกันที่ปลายขั้วต่อแบบย้อนกลับ (ปลาย 4) แล้วส่งไปยังเครื่องวัดกำลัง เนื่องจากเส้นทางการส่งสัญญาณของสัญญาณทั้งสองแตกต่างกัน จึงเป็นการซ้อนทับแบบเวกเตอร์ หากกำลังรั่วไหลที่ป้อนเข้าเครื่องวัดกำลังสามารถเปรียบเทียบกับกำลังสะท้อนได้ จะทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดอย่างมาก
แน่นอนว่า พลังงานสะท้อนจากโหลด (ปลายด้านที่ 2) ก็จะรั่วไหลไปยังปลายด้านต่อส่งไปข้างหน้า (ปลายด้านที่ 1 ซึ่งไม่ได้แสดงในรูปด้านบน) ด้วยเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ขนาดของพลังงานสะท้อนนั้นมีน้อยมากเมื่อเทียบกับพลังงานที่ส่งไปข้างหน้า ซึ่งใช้วัดความแรงในการส่งไปข้างหน้า ดังนั้น ข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นจึงสามารถละเลยได้

บริษัท ปักกิ่ง โรเฟีย ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ จำกัด ตั้งอยู่ใน "ซิลิคอนวัลเลย์" ของจีน – เขตจงกวนชุน กรุงปักกิ่ง เป็นบริษัทเทคโนโลยีขั้นสูงที่มุ่งมั่นให้บริการแก่สถาบันวิจัย สถาบันวิจัย มหาวิทยาลัย และบุคลากรด้านการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทั้งในและต่างประเทศ บริษัทของเราดำเนินธุรกิจหลักในการวิจัยและพัฒนา ออกแบบ ผลิต และจำหน่ายผลิตภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อย่างอิสระ พร้อมทั้งนำเสนอโซลูชันที่เป็นนวัตกรรมและบริการระดับมืออาชีพเฉพาะบุคคลสำหรับนักวิจัยทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรอุตสาหกรรม หลังจากหลายปีของการคิดค้นนวัตกรรมอย่างอิสระ บริษัทได้พัฒนาผลิตภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลายและสมบูรณ์แบบ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น เทศบาล การทหาร การขนส่ง พลังงานไฟฟ้า การเงิน การศึกษา การแพทย์ และอื่นๆ

เราหวังเป็นอย่างยิ่งที่จะได้ร่วมมือกับคุณ!