Un Accoppiatore Ibrido da Urlo: Piccolo, Potente e Senza Disturbi per i Radar del Futuro!

Amici appassionati di tecnologia e onde radio, preparatevi a fare un salto nel futuro! Oggi voglio parlarvi di una piccola grande rivoluzione che ho avuto il piacere di progettare e realizzare: un accoppiatore ibrido ad anello microstrip compatto, pensato appositamente per i sistemi radar in banda L, ma con delle caratteristiche che lo rendono davvero speciale. E quando dico speciale, intendo dire che non solo è piccolissimo, ma riesce anche a fare piazza pulita di quelle fastidiose armoniche che possono rovinare la qualità del segnale.

Scommetto che vi state chiedendo: “Ma che diavolo è un accoppiatore ibrido ad anello?” Beh, cercherò di spiegarvelo in modo semplice.

Ma cos’è esattamente un accoppiatore ibrido ad anello?

Immaginate di dover gestire dei segnali a microonde, magari per dividerli o combinarli. Ecco, i divisori di potenza e gli accoppiatori direzionali sono i componenti passivi che fanno proprio questo. L’accoppiatore ibrido ad anello a 180 gradi, spesso chiamato “rat-race coupler” (RRC) per la sua forma che ricorda una pista per topi, è un dispositivo a quattro porte. La sua magia sta nel fatto che, a seconda di dove immettete il segnale, questo viene diviso in un certo modo e con precise differenze di fase.

Ad esempio, se inviate potenza alla porta 1, questa si divide equamente e in fase tra le porte 2 e 3, mentre la porta 4 resta isolata. Se invece la potenza entra dalla porta 4, si divide equamente tra le porte 2 e 3 ma con una differenza di fase di 180 gradi, e stavolta è la porta 1 a rimanere isolata. Non solo, può anche combinare segnali: se inviate potenza alle porte 2 e 3, la loro somma esce dalla porta 1 e la loro differenza dalla porta 4. Per questo, la porta 1 è detta “porta somma” e la 4 “porta differenza”. Figo, no?

La Sfida: Miniaturizzazione e Pulizia del Segnale

Ora, il problema dei componenti a microonde tradizionali è che spesso sono… beh, un po’ ingombranti. E in un mondo che va verso la miniaturizzazione spinta, avere componenti più piccoli è un obiettivo cruciale. Ma non basta: i segnali devono essere puliti, privi di “rumore” o interferenze. Qui entrano in gioco le armoniche, segnali indesiderati a frequenze multiple di quella operativa, che possono degradare le prestazioni del sistema.

Negli ultimi anni, la ricerca ha fatto passi da gigante per rendere questi accoppiatori più compatti, capaci di sopprimere le armoniche e persino di operare su più bande di frequenza. Sono state proposte soluzioni ingegnose, come accoppiatori riconfigurabili, l’uso di linee di trasmissione artificiali, metamateriali, o strutture particolari come i Defected Ground Structure (DGS) per ridurre le dimensioni e migliorare le prestazioni. L’obiettivo è sempre lo stesso: fare di più, con meno spazio e maggiore efficienza.

La Nostra Arma Segreta: Un Risuonatore Speciale

Ed è qui che entra in gioco la mia proposta! Ho progettato, simulato e poi fabbricato un accoppiatore ibrido ad anello che non solo è incredibilmente compatto, ma è anche un campione nella riduzione delle armoniche. Come ci sono riuscito? Integrando un risuonatore appositamente progettato tra le sue porte.

Questo risuonatore è il cuore dell’innovazione. Grazie al suo design, siamo riusciti a eliminare con successo le armoniche dalla seconda fino alla decima! Immaginate la pulizia del segnale: un sogno per qualsiasi sistema radar. E non è tutto. Il nostro accoppiatore opera a una frequenza centrale di 1.4 GHz (perfetta per la banda L) con una perdita di inserzione bassissima, solo 0.3 dB (misurata). Ma la ciliegina sulla torta è la riduzione delle dimensioni: ben il 70% più piccolo rispetto agli accoppiatori convenzionali, mantenendo un isolamento e un bilanciamento di fase eccellenti!

Per farvi un’idea, un accoppiatore tradizionale ha una topologia circolare semplice, ma occupa parecchio spazio e non ha meccanismi specifici per sopprimere le armoniche. Il nostro design, invece, introduce questo risuonatore planare con due rami serpeggianti, ottimizzati proprio per questi scopi. Abbiamo analizzato il suo comportamento anche attraverso un circuito LC equivalente, per capire a fondo come filtra le frequenze indesiderate.

Il risuonatore che abbiamo ideato ha una frequenza di taglio a 4.6 GHz e presenta due zeri di trasmissione vicino a 6.2 GHz e 7.8 GHz, che contribuiscono attivamente a sopprimere le armoniche. Le sue dimensioni sono state meticolosamente calcolate: L = 10.1 mm, W1 = 1.6 mm, L1 = 0.5 mm, S1 = 0.1 mm, L2 = 4.3 mm, S2 = 0.5 mm, L3 = 3 mm, W2 = 0.1 mm.

Dalla Teoria alla Pratica: Progettazione e Fabbricazione

Tutto il lavoro di progettazione e simulazione è stato condotto utilizzando il software Advanced Design System (ADS), uno strumento potentissimo per questo genere di cose. Poi, siamo passati alla fase di fabbricazione. Abbiamo utilizzato un substrato di alta qualità, il Rogers RT/duroid 5880, con uno spessore di 20 mil (circa 0.5 mm) e una costante dielettrica di 2.2. Questo materiale è ottimo per applicazioni a microonde grazie alle sue basse perdite.

Il bello del nostro design è che, nonostante le prestazioni elevate, ha una struttura planare semplice. Questo significa che è facile da fabbricare con le tecniche standard di produzione di PCB (circuiti stampati). Niente elementi complessi come componenti discreti (lumped elements), strutture DGS particolarmente elaborate, o Electromagnetic Bandgap (EBG) che richiederebbero passaggi di fabbricazione extra e costosi. Questa semplicità apre le porte a una produzione di massa efficiente ed economica, mantenendo alta la qualità e l’affidabilità. Pensate, per produzioni su larga scala si potrebbero persino considerare materiali dielettrici alternativi a basso costo senza compromettere troppo le proprietà elettriche.

Una volta fabbricato il prototipo, lo abbiamo messo alla prova! Abbiamo utilizzato un analizzatore di rete vettoriale (VNA) HP 8720D, uno strumento che misura i parametri S del dispositivo, ovvero come si comporta il segnale quando lo attraversa. Per essere sicuri dei risultati, abbiamo eseguito una calibrazione accurata con il metodo SOLT (Short-Open-Load-Thru), che aiuta a eliminare gli errori sistematici dello strumento. Abbiamo anche prestato molta attenzione a minimizzare le incertezze di misura, usando cavi di alta qualità, mantenendo connessioni stabili e operando in un ambiente a temperatura controllata.

I Risultati? Semplicemente Sorprendenti!

E i risultati sperimentali? Hanno confermato alla grande le simulazioni! Come vi dicevo, abbiamo ottenuto una perdita di inserzione di soli 0.3 dB a 1.4 GHz, un valore eccellente. Ma la vera magia è nella soppressione delle armoniche:

• Seconda armonica: attenuata di 18 dB
• Terza armonica: attenuata di 25 dB
• Quarta armonica: attenuata di 31 dB
• Quinta armonica: attenuata di 11 dB
• Sesta e settima armonica: attenuate di 23 dB
• Ottava armonica: attenuata di 14 dB
• Nona armonica: attenuata di 16 dB
• Decima armonica: attenuata di ben 35 dB!

Anche la risposta di fase è risultata ottima, con differenze di fase tra le porte di uscita molto vicine a quelle ideali (0° e 180°). Ad esempio, la differenza di fase misurata tra le uscite ∠S21 e ∠S31 è stata di soli 10°, e tra ∠S34 e ∠S24 di -181.2°. Questi valori sono fondamentali per il corretto funzionamento in applicazioni come i sistemi di alimentazione di antenne o i mixer bilanciati.

Le dimensioni finali del nostro accoppiatore sono 43 mm × 22.1 mm, che equivalgono a 0.27 λg × 0.14 λg (dove λg è la lunghezza d’onda guidata). Confrontatelo con un accoppiatore convenzionale che potrebbe essere 0.5 λ × 0.25 λ: la riduzione del 70% è davvero notevole! Questo è stato possibile grazie all’integrazione dei sei risuonatori proposti e all’aggiunta di sei stub aperti (piccoli tratti di linea terminati a circuito aperto) che hanno aiutato a centrare precisamente la frequenza operativa a 1.4 GHz e a migliorare ulteriormente le caratteristiche della banda di reiezione.

Perché Questo Accoppiatore Fa la Differenza?

Confrontando il nostro lavoro con altri design esistenti, il nostro accoppiatore si distingue per diversi aspetti. Molti design riescono a sopprimere solo le armoniche di ordine inferiore, mentre noi arriviamo fino alla decima. La perdita di inserzione è tra le più basse riportate. E la riduzione dimensionale del 70% è un risultato che batte molte delle soluzioni precedenti.

Certo, ci sono sempre piccole discrepanze tra simulazioni e misure, dovute a tolleranze di fabbricazione, perdite nei connettori e nella saldatura, o lievi imprecisioni nella calibrazione del VNA. Ma la struttura planare semplice del nostro accoppiatore minimizza questi problemi, garantendo un’alta affidabilità delle prestazioni misurate.

In conclusione, questo nuovo design di accoppiatore ibrido ad anello non è solo un esercizio accademico. È una soluzione pratica, efficiente e affidabile per le moderne applicazioni a microonde che richiedono componenti compatti, a basse perdite e con un’eccellente pulizia del segnale. Penso che possa davvero fare la differenza in sistemi radar avanzati, comunicazioni wireless e molte altre applicazioni ad alta frequenza. È stata una bella sfida, ma i risultati ripagano di ogni sforzo! E chissà quali altre meraviglie potremo miniaturizzare e migliorare in futuro!

Fonte: Springer