หลักการทำงานของตัวต่อทิศทาง

ตัวต่อแบบกำหนดทิศทางเป็นอุปกรณ์มาตรฐานของไมโครเวฟ/คลื่นมิลลิเมตรในระบบวัดคลื่นไมโครเวฟและระบบไมโครเวฟอื่นๆ ตัวต่อเหล่านี้สามารถใช้สำหรับการแยกสัญญาณ การแยกสัญญาณ และการผสมสัญญาณ เช่น การตรวจสอบกำลังไฟฟ้า การควบคุมเสถียรภาพกำลังไฟฟ้าขาออกของแหล่งกำเนิดสัญญาณ การแยกแหล่งกำเนิดสัญญาณ การทดสอบการกวาดความถี่ในการส่งและการสะท้อน เป็นต้น ตัวต่อแบบกำหนดทิศทางเป็นตัวแบ่งกำลังไมโครเวฟ และเป็นอุปกรณ์ที่ขาดไม่ได้ในรีเฟลกโตมิเตอร์แบบกวาดความถี่สมัยใหม่ โดยทั่วไปมีหลายประเภท เช่น ท่อนำคลื่น (waveguide), สายโคแอกเซียล (coaxial line), สายสตริปไลน์ (stripline) และไมโครสตริป

รูปที่ 1 เป็นแผนผังโครงสร้าง ซึ่งประกอบด้วยสองส่วนหลัก คือ สายหลักและสายเสริม ซึ่งเชื่อมต่อกันผ่านรูเล็กๆ ช่อง และช่องว่างต่างๆ ในรูปแบบต่างๆ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้าจาก “1” ที่ปลายสายหลักบางส่วนจะเชื่อมต่อกับสายรอง เนื่องจากการรบกวนหรือการซ้อนทับของคลื่น พลังงานจะถูกส่งไปตามสายรองเพียงทิศทางเดียว (เรียกว่า “ไปข้างหน้า”) และอีกทิศทางหนึ่ง แทบไม่มีการส่งกระแสไฟฟ้าในทิศทางเดียว (เรียกว่า “ย้อนกลับ”)

รูปที่ 2 เป็นตัวเชื่อมต่อแบบข้ามทิศทาง โดยพอร์ตหนึ่งในตัวเชื่อมต่อจะเชื่อมต่อกับโหลดที่ตรงกันในตัว

การประยุกต์ใช้ตัวต่อทิศทาง

1. สำหรับระบบสังเคราะห์พลังงาน
ตัวเชื่อมต่อทิศทาง 3dB (หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อบริดจ์ 3dB) มักใช้ในระบบสังเคราะห์ความถี่แบบหลายพาหะ ดังแสดงในรูปด้านล่าง วงจรประเภทนี้พบได้ทั่วไปในระบบกระจายสัญญาณภายในอาคาร หลังจากสัญญาณ f1 และ f2 จากเครื่องขยายเสียงสองตัวผ่านตัวเชื่อมต่อทิศทาง 3dB เอาต์พุตของแต่ละช่องจะมีส่วนประกอบความถี่สองส่วนคือ f1 และ f2 และ 3dB จะลดแอมพลิจูดของส่วนประกอบความถี่แต่ละส่วน หากขั้วเอาต์พุตหนึ่งเชื่อมต่อกับโหลดที่ดูดซับ เอาต์พุตอีกอันหนึ่งสามารถใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟของระบบวัดอินเตอร์โมดูเลชันแบบพาสซีฟได้ หากคุณต้องการปรับปรุงการแยกสัญญาณเพิ่มเติม คุณสามารถเพิ่มส่วนประกอบบางอย่าง เช่น ตัวกรองและตัวแยกสัญญาณ การแยกสัญญาณของบริดจ์ 3dB ที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถมีได้มากกว่า 33dB
 
ตัวเชื่อมต่อทิศทางใช้ในระบบรวมกำลังหนึ่ง
พื้นที่ร่องน้ำแบบมีทิศทาง (Directional Gully Area) ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้การรวมกำลังไฟฟ้าอีกรูปแบบหนึ่งแสดงในรูป (a) ด้านล่าง ในวงจรนี้ ได้มีการนำค่าไดเรกติวิตี้ของตัวต่อแบบมีทิศทางมาใช้อย่างชาญฉลาด สมมติว่าองศาของตัวต่อทั้งสองมีค่าเท่ากับ 10dB และค่าไดเรกติวิตี้มีค่าเท่ากับ 25dB การแยกสัญญาณระหว่างปลาย f1 และ f2 จะเท่ากับ 45dB หากอินพุตของ f1 และ f2 มีค่าเท่ากับ 0dBm เอาต์พุตรวมจะเท่ากับ -10dBm เมื่อเทียบกับตัวต่อแบบ Wilkinson ในรูป (b) ด้านล่าง (ค่าการแยกสัญญาณโดยทั่วไปคือ 20dB) สัญญาณอินพุตเดียวกันของ OdBm หลังจากการสังเคราะห์มีค่าเท่ากับ -3dBm (โดยไม่คำนึงถึงการสูญเสียสัญญาณแทรก) เมื่อเปรียบเทียบกับเงื่อนไขระหว่างตัวอย่าง เราเพิ่มสัญญาณอินพุตในรูป (a) ขึ้น 7dB เพื่อให้เอาต์พุตสอดคล้องกับรูป (b) ในขณะนี้ การแยกสัญญาณระหว่าง f1 และ f2 ในรูป (a) “ลดลง” “38 เดซิเบล” ผลการเปรียบเทียบขั้นสุดท้ายคือ วิธีการสังเคราะห์กำลังของตัวต่อแบบกำหนดทิศทางมีค่าสูงกว่าตัวต่อแบบวิลกินสัน 18 เดซิเบล วิธีนี้เหมาะสำหรับการวัดแบบอินเตอร์โมดูเลชันของเครื่องขยายเสียงสิบตัว

ตัวเชื่อมต่อทิศทางใช้ในระบบรวมกำลัง 2

2. ใช้สำหรับการวัดสัญญาณรบกวนของตัวรับหรือการวัดสัญญาณปลอม
ในระบบการทดสอบและวัด RF มักพบเห็นวงจรดังที่แสดงในรูปด้านล่าง สมมติว่า DUT (อุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ) เป็นเครื่องรับ ในกรณีนั้น สัญญาณรบกวนจากช่องสัญญาณที่อยู่ติดกันสามารถถูกป้อนเข้าไปในเครื่องรับผ่านปลายด้านหนึ่งของตัวต่อแบบกำหนดทิศทาง จากนั้นเครื่องทดสอบแบบบูรณาการที่เชื่อมต่อกับตัวต่อผ่านตัวต่อแบบกำหนดทิศทางสามารถทดสอบความต้านทานของตัวรับได้ ซึ่งก็คือประสิทธิภาพการรบกวนพันเท่า หาก DUT เป็นโทรศัพท์มือถือ ก็สามารถเปิดเครื่องส่งสัญญาณของโทรศัพท์ได้โดยเครื่องทดสอบที่ครอบคลุมซึ่งเชื่อมต่อกับปลายด้านหนึ่งของตัวต่อแบบกำหนดทิศทาง จากนั้นจึงสามารถใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมเพื่อวัดสัญญาณขาออกปลอมของโทรศัพท์ที่เกิดเหตุ แน่นอนว่าควรเพิ่มวงจรกรองสัญญาณบางวงจรก่อนเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม เนื่องจากตัวอย่างนี้อธิบายเฉพาะการประยุกต์ใช้ตัวต่อแบบกำหนดทิศทาง จึงไม่ได้กล่าวถึงวงจรกรองสัญญาณ

ตัวเชื่อมต่อทิศทางใช้สำหรับการวัดป้องกันการรบกวนของตัวรับหรือความสูงที่ไม่สมจริงของโทรศัพท์มือถือ
ในวงจรทดสอบนี้ การกำหนดทิศทางของตัวต่อแบบกำหนดทิศทางมีความสำคัญมาก เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมที่เชื่อมต่อกับปลายด้านทะลุต้องการรับสัญญาณจาก DUT เท่านั้น และไม่ต้องการรับรหัสผ่านจากปลายด้านตัวต่อ

3. สำหรับการสุ่มตัวอย่างและการตรวจสอบสัญญาณ
การวัดและติดตามสัญญาณแบบออนไลน์ของเครื่องส่งสัญญาณอาจเป็นหนึ่งในแอปพลิเคชันที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดของตัวต่อแบบกำหนดทิศทาง รูปต่อไปนี้แสดงการใช้งานตัวต่อแบบกำหนดทิศทางโดยทั่วไปสำหรับการวัดสถานีฐานเซลลูลาร์ สมมติว่ากำลังส่งออกของเครื่องส่งสัญญาณคือ 43dBm (20W) โดยตัวต่อแบบกำหนดทิศทางมีความจุ 30dB การสูญเสียการแทรก (การสูญเสียสัญญาณสายบวกการสูญเสียการต่อแบบกำหนดทิศทาง) เท่ากับ 0.15dB ปลายด้านที่มีตัวต่อมีสัญญาณ 13dBm (20mW) ส่งไปยังเครื่องทดสอบสถานีฐาน กำลังส่งออกโดยตรงของตัวต่อแบบกำหนดทิศทางคือ 42.85dBm (19.3W) และการรั่วไหลคือ กำลังไฟที่ด้านแยกถูกดูดซับโดยโหลด

ตัวเชื่อมต่อทิศทางใช้สำหรับการวัดสถานีฐาน
เครื่องส่งสัญญาณเกือบทั้งหมดใช้วิธีนี้สำหรับการสุ่มตัวอย่างและการตรวจสอบออนไลน์ และบางทีวิธีนี้เท่านั้นที่สามารถรับประกันประสิทธิภาพการทดสอบของเครื่องส่งสัญญาณภายใต้สภาวะการทำงานปกติได้ อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าการทดสอบเครื่องส่งสัญญาณก็เช่นเดียวกัน และผู้ทดสอบแต่ละรายก็มีข้อกังวลที่แตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น สถานีฐาน WCDMA ผู้ให้บริการต้องใส่ใจกับตัวบ่งชี้ในย่านความถี่ที่ใช้งาน (2110-2170MHz) เช่น คุณภาพสัญญาณ กำลังส่งในช่องสัญญาณ กำลังส่งในช่องสัญญาณข้างเคียง เป็นต้น ภายใต้สมมติฐานนี้ ผู้ผลิตจะติดตั้งตัวเชื่อมต่อแบบทิศทางแคบ (เช่น 2110-2170MHz) ที่ปลายเอาต์พุตของสถานีฐาน เพื่อตรวจสอบสภาพการทำงานในย่านความถี่ของเครื่องส่งสัญญาณ และส่งข้อมูลไปยังศูนย์ควบคุมได้ตลอดเวลา
หากเป็นตัวควบคุมสเปกตรัมความถี่วิทยุ - สถานีตรวจสอบวิทยุเพื่อทดสอบตัวบ่งชี้สถานีฐานอ่อน จุดเน้นจะแตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิง ตามข้อกำหนดของการจัดการวิทยุ ช่วงความถี่ทดสอบจะขยายเป็น 9kHz ~ 12.75GHz และสถานีฐานที่ทดสอบนั้นกว้างมาก รังสีปลอมจะถูกสร้างขึ้นในย่านความถี่และรบกวนการทำงานปกติของสถานีฐานอื่นๆ มากเพียงใด นี่เป็นข้อกังวลของสถานีตรวจสอบวิทยุ ในขณะนี้ จำเป็นต้องใช้ตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทางที่มีแบนด์วิดท์เท่ากันสำหรับการสุ่มตัวอย่างสัญญาณ แต่ดูเหมือนว่าจะไม่มีตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทางที่ครอบคลุม 9kHz ~ 12.75GHz เรารู้ว่าความยาวของแขนเชื่อมต่อของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทางนั้นสัมพันธ์กับความถี่กลาง แบนด์วิดท์ของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทางแบบแบนด์กว้างพิเศษสามารถครอบคลุมย่านความถี่ 5-6 อ็อกเทฟ เช่น 0.5-18GHz แต่ไม่สามารถครอบคลุมย่านความถี่ที่ต่ำกว่า 500MHz ได้

4. การวัดกำลังไฟฟ้าแบบออนไลน์
ในเทคโนโลยีการวัดกำลังไฟฟ้าแบบทะลุผ่าน ตัวต่อแบบกำหนดทิศทางเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญอย่างยิ่ง ภาพต่อไปนี้แสดงแผนผังของระบบการวัดกำลังไฟฟ้าสูงแบบผ่านผ่านทั่วไป กำลังไฟฟ้าขาไปข้างหน้าจากเครื่องขยายเสียงในการทดสอบจะถูกสุ่มตัวอย่างโดยปลายตัวต่อแบบกำหนดทิศทาง (ขั้ว 3) ของตัวต่อแบบกำหนดทิศทางและส่งไปยังมิเตอร์วัดกำลังไฟฟ้า กำลังไฟฟ้าที่สะท้อนกลับจะถูกสุ่มตัวอย่างโดยขั้วตัวต่อแบบย้อนกลับ (ขั้ว 4) และส่งไปยังมิเตอร์วัดกำลังไฟฟ้า
ตัวเชื่อมต่อทิศทางใช้สำหรับการวัดพลังงานสูง
โปรดทราบ: นอกเหนือจากการรับพลังงานที่สะท้อนกลับจากโหลดแล้ว ขั้วต่อแบบย้อนกลับ (ขั้วต่อ 4) ยังรับพลังงานรั่วไหลจากทิศทางไปข้างหน้า (ขั้วต่อ 1) ซึ่งเกิดจากทิศทางของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทาง พลังงานที่สะท้อนกลับคือสิ่งที่ผู้ทดสอบต้องการวัด และพลังงานรั่วไหลเป็นสาเหตุหลักของความคลาดเคลื่อนในการวัดพลังงานที่สะท้อนกลับ พลังงานที่สะท้อนกลับและพลังงานรั่วไหลจะซ้อนทับกันที่ปลายด้านตรงข้าม (ทั้ง 4 ด้าน) ของขั้วต่อแบบย้อนกลับ แล้วส่งไปยังมิเตอร์วัดกำลัง เนื่องจากเส้นทางการส่งสัญญาณของสัญญาณทั้งสองแตกต่างกัน จึงเป็นการซ้อนทับแบบเวกเตอร์ หากสามารถเปรียบเทียบพลังงานรั่วไหลที่ป้อนเข้ามิเตอร์วัดกำลังกับพลังงานที่สะท้อนกลับได้ จะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการวัดอย่างมีนัยสำคัญ
แน่นอนว่ากำลังไฟฟ้าที่สะท้อนจากโหลด (ปลายที่ 2) จะรั่วไหลไปยังปลายคัปปลิ้งด้านหน้า (ปลายที่ 1 ซึ่งไม่ได้แสดงในรูปด้านบน) เช่นกัน อย่างไรก็ตาม ขนาดของกำลังไฟฟ้าดังกล่าวยังน้อยมากเมื่อเทียบกับกำลังไฟฟ้าด้านหน้า ซึ่งวัดความแข็งแรงของด้านหน้า ข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นสามารถละเลยได้

บริษัท ปักกิ่ง โรเฟีย ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ จำกัด ตั้งอยู่ใน “ซิลิคอนแวลลีย์” กรุงปักกิ่งจงกวนชุน มณฑลซานตงของจีน เป็นบริษัทเทคโนโลยีขั้นสูงที่มุ่งมั่นให้บริการแก่สถาบันวิจัย สถาบันวิจัย มหาวิทยาลัย และบุคลากรด้านการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทั้งในและต่างประเทศ บริษัทของเราดำเนินธุรกิจหลักด้านการวิจัยและพัฒนา ออกแบบ ผลิต และจำหน่ายผลิตภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อย่างอิสระ และนำเสนอโซลูชันที่เป็นนวัตกรรมและบริการระดับมืออาชีพเฉพาะบุคคลสำหรับนักวิจัยทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรอุตสาหกรรม หลังจากการพัฒนานวัตกรรมอย่างต่อเนื่องมาหลายปี บริษัทได้สร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์โฟโตอิเล็กทริกที่หลากหลายและสมบูรณ์แบบ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น เทศบาล ทหาร การขนส่ง พลังงานไฟฟ้า การเงิน การศึกษา การแพทย์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ

เรารอคอยที่จะร่วมมือกับคุณ!