จะออกแบบตัวแบ่งกำลังได้อย่างไร?

การออกแบบตัวแบ่งกำลังเป็นงานสำคัญในสาขาวิศวกรรม RF และไมโครเวฟ ในฐานะซัพพลายเออร์ตัวแบ่งกำลัง ฉันได้รับประสบการณ์มากมายในด้านนี้ ในบล็อกโพสต์นี้ ฉันจะแบ่งปันประเด็นสำคัญบางประการของการออกแบบตัวแบ่งกำลัง รวมถึงหลักการพื้นฐาน ประเภทต่างๆ และข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ

หลักการพื้นฐานของตัวแบ่งกำลัง

ตัวแบ่งกำลังเป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟที่แยกสัญญาณอินพุตออกเป็นสัญญาณเอาต์พุตตั้งแต่สองสัญญาณขึ้นไป หลักการพื้นฐานเบื้องหลังตัวแบ่งกำลังคือการกระจายกำลังของสัญญาณอินพุตให้เท่าๆ กันระหว่างพอร์ตเอาท์พุต ในขณะที่ยังคงคุณลักษณะทางไฟฟ้าบางอย่าง เช่น การจับคู่อิมพีแดนซ์และการแยกระหว่างพอร์ต

ประเภทของตัวแบ่งกำลังที่พบมากที่สุดคือตัวแบ่งกำลังของ Wilkinson ซึ่งเสนอครั้งแรกโดย Ernest J. Wilkinson ในปี 1960 ตัวแบ่งกำลังของ Wilkinson ใช้หม้อแปลงแบบควอเตอร์เวฟและตัวต้านทานเพื่อให้เกิดการแบ่งกำลังและการแยกระหว่างพอร์ตเอาต์พุต หม้อแปลงแบบควอเตอร์เวฟใช้เพื่อจับคู่อิมพีแดนซ์ของพอร์ตอินพุตและเอาต์พุต และใช้ตัวต้านทานเพื่อแยกระหว่างพอร์ตเอาต์พุต

หลักการสำคัญอีกประการหนึ่งคือการอนุรักษ์พลังงาน ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน ผลรวมของกำลังที่พอร์ตเอาต์พุตของตัวแบ่งกำลังควรเท่ากับกำลังที่พอร์ตอินพุต โดยไม่สนใจการสูญเสียใดๆ ในอุปกรณ์ ในทางคณิตศาสตร์ ถ้า (P_{in}) คือกำลังไฟฟ้าเข้า และ (P_{out1},P_{out2},\cdots,P_{outn}) เป็นกำลังไฟฟ้าเอาท์พุตของ (n) - ตัวแบ่งกำลังทาง ดังนั้น (P_{in}=\sum_{i = 1}^{n}P_{outi})

ตัวแบ่งกำลังประเภทต่างๆ

ตัวแบ่งกำลังสองทาง

ตัวแบ่งกำลังสองทางเป็นรูปแบบที่ง่ายที่สุดของตัวแบ่งกำลัง พวกเขาแยกสัญญาณอินพุตออกเป็นสองสัญญาณเอาท์พุตกำลังเท่ากัน ตัวแบ่งกำลังไฟสองทางของ Wilkinson ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีการแยกที่ดีระหว่างพอร์ตเอาต์พุตและการสูญเสียการแทรกที่ค่อนข้างต่ำ

ตัวแบ่งกำลังหลายทาง

สำหรับการใช้งานที่ต้องการสัญญาณเอาท์พุตมากกว่า 2 สัญญาณ จะใช้ตัวแบ่งกำลังแบบหลายทาง ตัวอย่างเช่น,ตัวแบ่งกำลัง 3 ทางสามารถแยกสัญญาณอินพุตออกเป็นสัญญาณเอาท์พุตได้ 3 สัญญาณ6 - ตัวแบ่งกำลังทางเป็นหกและ8 - ตัวแบ่งกำลังทางเป็นแปด ตัวแบ่งกำลังแบบหลายทางเหล่านี้สามารถออกแบบได้โดยการวางตัวแบ่งกำลังแบบสองทางแบบเรียงซ้อน หรือใช้โทโพโลยีวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้น

ตัวแบ่งกำลังไม่เท่ากัน

ในบางกรณี จำเป็นต้องแบ่งกำลังไฟระหว่างพอร์ตเอาต์พุตไม่เท่ากัน ตัวแบ่งกำลังไม่เท่ากันสามารถออกแบบได้โดยการปรับค่าอิมพีแดนซ์ของสายส่งและค่าตัวต้านทานในวงจร ตัวอย่างเช่น ตัวแบ่งกำลังที่มีอัตราส่วนการแบ่งกำลัง 2:1 สามารถออกแบบเพื่อให้จ่ายไฟให้กับพอร์ตเอาต์พุตหนึ่งมากกว่าอีกพอร์ตหนึ่งได้

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ

การจับคู่ความต้านทาน

การจับคู่อิมพีแดนซ์เป็นหนึ่งในข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญที่สุดสำหรับตัวแบ่งกำลัง พอร์ตอินพุตและเอาต์พุตของตัวแบ่งกำลังไฟควรจับคู่กับคุณลักษณะอิมพีแดนซ์ของระบบ ซึ่งโดยทั่วไปคือ 50 โอห์มในการใช้งาน RF และไมโครเวฟ อิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันอาจนำไปสู่การสะท้อน ซึ่งจะเพิ่มการสูญเสียการแทรกและลดประสิทธิภาพของตัวแบ่งกำลัง

เพื่อให้บรรลุการจับคู่อิมพีแดนซ์ มักใช้หม้อแปลงแบบควอเตอร์เวฟ อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของหม้อแปลงคลื่นควอเตอร์คำนวณตามอิมพีแดนซ์อินพุตและเอาต์พุตของตัวแบ่งกำลัง สำหรับตัวแบ่งกำลังของวิลคินสัน อิมพีแดนซ์คุณลักษณะของหม้อแปลงควอเตอร์ - คลื่น (Z_{01}) กำหนดโดย (Z_{01}=\sqrt{2}Z_{0}) โดยที่ (Z_{0}) คืออิมพีแดนซ์ของระบบ

การแยกตัว

การแยกระหว่างพอร์ตเอาท์พุตเป็นอีกปัจจัยสำคัญ การแยกสัญญาณที่ดีทำให้มั่นใจได้ว่าสัญญาณที่พอร์ตเอาท์พุตจะไม่รบกวนซึ่งกันและกัน ในตัวแบ่งกำลังไฟฟ้าของ Wilkinson ตัวต้านทานระหว่างพอร์ตเอาต์พุตจะให้การแยกสัญญาณ ค่าของตัวต้านทานถูกเลือกเพื่อปรับประสิทธิภาพการแยกให้เหมาะสมที่สุด สำหรับตัวแบ่งกำลังสองทางของ Wilkinson ที่มีอิมพีแดนซ์ของระบบ (Z_{0}) ค่าตัวต้านทาน (R = 2Z_{0})

แบนด์วิธ

แบนด์วิธของตัวแบ่งกำลังหมายถึงช่วงความถี่ที่ตัวแบ่งกำลังสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ แบนด์วิธได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น ประเภทของสายส่งที่ใช้ เครือข่ายการจับคู่อิมพีแดนซ์ และวงจรแยก โดยทั่วไป ตัวแบ่งกำลังที่มีแบนด์วิธกว้างกว่าจะออกแบบได้ยากกว่าและอาจมีการสูญเสียการแทรกสูงกว่า

การสูญเสียการแทรก

การสูญเสียการแทรกคือการสูญเสียพลังงานที่เกิดขึ้นเมื่อสัญญาณผ่านตัวแบ่งกำลัง สาเหตุหลักมาจากปัจจัยต่างๆ เช่น การสูญเสียตัวนำ การสูญเสียอิเล็กทริก และการสูญเสียรังสี การสูญเสียการแทรกต่ำเป็นสิ่งที่พึงประสงค์ในการออกแบบตัวแบ่งกำลังเพื่อให้แน่ใจว่าการถ่ายโอนพลังงานมีประสิทธิภาพ

ขั้นตอนการออกแบบ

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดข้อกำหนด

ขั้นตอนแรกในการออกแบบตัวแบ่งกำลังคือการกำหนดข้อกำหนด รวมถึงจำนวนพอร์ตเอาต์พุต อัตราส่วนการแบ่งกำลัง ช่วงความถี่ในการทำงาน อิมพีแดนซ์ของระบบ และการแยกและการสูญเสียการแทรกที่ต้องการ

ขั้นตอนที่ 2: เลือกโทโพโลยี

ตามข้อกำหนด ให้เลือกโทโพโลยีตัวแบ่งกำลังที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น หากต้องการการแยกส่วนที่ดีและการสูญเสียการแทรกต่ำ ตัวแบ่งกำลังของ Wilkinson อาจเป็นทางเลือกที่ดี

ขั้นตอนที่ 3: คำนวณค่าส่วนประกอบ

เมื่อเลือกโทโพโลยีแล้ว ให้คำนวณค่าของส่วนประกอบต่างๆ เช่น คุณลักษณะอิมพีแดนซ์ของสายส่งและค่าตัวต้านทาน ใช้สูตรที่เกี่ยวข้องและสมการออกแบบสำหรับโทโพโลยีที่เลือก

ขั้นตอนที่ 4: จำลองการออกแบบ

ใช้ซอฟต์แวร์จำลองแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น ADS (Advanced Design System) หรือ HFSS (High - Frequency Structure Simulator) เพื่อจำลองการออกแบบ ผลการจำลองสามารถช่วยตรวจสอบประสิทธิภาพของตัวแบ่งกำลังและระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้

ขั้นตอนที่ 5: ประดิษฐ์และทดสอบ

หลังจากผลการจำลองเป็นที่น่าพอใจ ให้ประดิษฐ์ตัวแบ่งกำลังโดยใช้กระบวนการผลิตที่เหมาะสม เช่น การผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) หรือการผลิตแบบไมโคร จากนั้น ทดสอบตัวแบ่งกำลังที่สร้างขึ้นโดยใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายและอุปกรณ์ทดสอบอื่นๆ เพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนด

บทสรุป

การออกแบบตัวแบ่งกำลังต้องอาศัยความเข้าใจในหลักการพื้นฐาน ประเภทต่างๆ และข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ ในฐานะซัพพลายเออร์ตัวแบ่งพลังงาน เรามุ่งมั่นที่จะจัดหาตัวแบ่งพลังงานคุณภาพสูงที่ตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของลูกค้าของเรา ไม่ว่าคุณจะต้องการตัวแบ่งกำลังสองทางแบบธรรมดาหรือตัวแบ่งกำลังแบบหลายทางที่ซับซ้อน เรามีความเชี่ยวชาญและเทคโนโลยีในการออกแบบและผลิตผลิตภัณฑ์ที่เหมาะกับคุณ

หากคุณสนใจตัวแบ่งกำลังของเรา หรือมีคำถามใดๆ เกี่ยวกับการออกแบบตัวแบ่งกำลัง โปรดติดต่อเราเพื่อขอการจัดซื้อและหารือเพิ่มเติม

อ้างอิง

1. โปซาร์, DM (2011) วิศวกรรมไมโครเวฟ (ฉบับที่ 4) ไวลีย์.
2. วิลคินสัน อีเจ (1960) ตัวแบ่งกำลังไฮบริดแบบ N - way ธุรกรรม IRE เกี่ยวกับทฤษฎีและเทคนิคไมโครเวฟ, 8(1), 116 - 118