Urvashi Sengal
Ingeniero de aplicaciones, Mini-Circuitos
Los acopladores direccionales son un tipo importante de dispositivo de procesamiento de señales. Su función básica es muestrear señales de RF en un grado predeterminado de acoplamiento, con un alto aislamiento entre los puertos de señal y los puertos muestreados, lo que admite el análisis, la medición y el procesamiento para muchas aplicaciones. Dado que son dispositivos pasivos, también operan en sentido inverso, con señales inyectadas en la ruta principal de acuerdo con la direccionalidad de los dispositivos y el grado de acoplamiento. Hay algunas variaciones en la configuración de los acopladores direccionales, como veremos a continuación.
Idealmente, un acoplador sería sin pérdidas, emparejado y recíproco. Las propiedades básicas de las redes de tres y cuatro puertos son el aislamiento, el acoplamiento y la directividad, cuyos valores se utilizan para caracterizar los acopladores. Un acoplador ideal tiene directividad y aislamiento infinitos, junto con un factor de acoplamiento seleccionado para la aplicación prevista.
El diagrama funcional de la Fig. 1 ilustra el funcionamiento de un acoplador direccional, seguido de una descripción de los parámetros de rendimiento relacionados. El diagrama superior es un acoplador de 4 puertos, que incluye puertos acoplados (hacia adelante) y aislados (reversos o reflejados). El diagrama inferior es una estructura de 3 puertos, que elimina el puerto aislado. Esto se utiliza en aplicaciones que solo necesitan una sola salida acoplada hacia adelante. El acoplador de 3 puertos se puede conectar en sentido inverso, donde el puerto que se acoplaba anteriormente se convierte en el puerto aislado:
Figura 1: Configuraciones básicas del acoplador direccional
Características de rendimiento:
- Factor de acoplamiento: Indica la fracción de la potencia de entrada (en P1) que se entrega al puerto acoplado, Directividad P3
- : Esta es una medida de la capacidad del acoplador para separar las ondas que se propagan en direcciones hacia adelante y hacia atrás, como se observa en los puertos acoplados (P3) y aislados (P4)
- Aislamiento: Indica la potencia entregada a la carga desacoplada (P4)
- Pérdida de inserción: Esto representa la potencia de entrada (P1) entregada al puerto transmitido (P2), que se reduce por la potencia entregada a los puertos acoplados y aislados.
Los valores de estas características en dB son:
Acoplamiento = C = 10 log (P1/P3)
Directividad = D = 10 log (P3/P4)
Aislamiento = I = 10 log (P1/P4)
Pérdida de Inserción = L = 10 log (P1/P2)
Acopladores Direccionales:
Este tipo de acoplador tiene tres puertos accesibles, como se muestra en la Fig. 2, donde el cuarto puerto se termina internamente para proporcionar la máxima directividad. La función básica de un acoplador direccional es muestrear la señal aislada (inversa). Una aplicación típica es la medición de la potencia reflejada (o indirectamente, VSWR). Aunque se puede conectar en reversa, este tipo de acoplador no es recíproco. Dado que uno de los puertos acoplados está terminado internamente, solo está disponible una señal acoplada. En la dirección hacia adelante (como se muestra), el puerto acoplado muestrea la onda inversa, pero si está conectado en la dirección inversa (Entrada de RF a la derecha), el puerto acoplado sería una muestra de la onda hacia adelante, reducida por el factor de acoplamiento. Con esta conexión, el dispositivo se puede utilizar como un muestreador para la medición de la señal, o para entregar una porción de la señal de salida a los circuitos de retroalimentación.
Figura 2: Acoplador Direccional de 50 Ohmios
Ventajas:
- El rendimiento se puede optimizar para la trayectoria delantera
- Alta directividad y aislamiento
- La directividad de un acoplador se ve fuertemente afectada por la coincidencia de impedancia proporcionada por la terminación en el puerto aislado. Amueblar esa terminación internamente garantiza un alto rendimiento
Desventajas:
- El acoplamiento solo está disponible en la ruta de avance
- Sin línea acoplada
- La potencia nominal del puerto acoplado es inferior al puerto de entrada porque la potencia aplicada al puerto acoplado se disipa casi por completo en la terminación interna.
Ejemplo:
Mini Circuitos ZCDC20-E18653 + es un acoplador direccional coaxial con acoplamiento nominal de 20 dB en el rango de frecuencia de 18 a 65 GHz. Este modelo proporciona un manejo de potencia de entrada de RF de hasta 12 W y pasa corriente continua de hasta 0.48A
Figura 3: Curvas de rendimiento para acopladores bidireccionales ZCDC20-E18653+
de mini circuitos:
Este tipo de acoplador tiene cuatro puertos, todos accesibles para el uso del cliente. Tiene un diseño simétrico, lo que permite muestrear simultáneamente las señales de avance y retroceso. Es responsabilidad del diseñador hacer coincidir o terminar correctamente ambos puertos acoplados.
Gráfico 4: Bi-acoplador direccional esquemático
Ventajas:
- diseño Simétrico
- puertos de Entrada y salida son intercambiables
- Hay dos líneas de transmisión. La línea acoplada funciona igual que la línea principal
- Tiene acoplamiento hacia adelante y hacia atrás
Desventajas:
- El diseño es fundamental para mantener un buen rendimiento en ambas direcciones.
- La directividad del acoplador depende de qué tan bien termine el puerto aislado.
Ejemplo:
El ZGBDC35-93HP+ de mini Circuitos es un acoplador bidireccional coaxial con acoplamiento nominal de 35 dB en el rango de frecuencias de 900 a 9000 MHz. Este modelo proporciona un manejo de potencia de entrada de RF de 250W y pasa corriente continua de hasta 3A
Figura 5: Curvas de rendimiento para acoplador bidireccional ZGBDC-93HP+ de Mini circuitos.
Acopladores Duales direccionales:
Este tercer tipo de acoplador es una combinación de dos acopladores de 3 puertos con sus líneas principales en cascada, y sus puertos terminados internamente uno frente al otro en la interfaz entre los acopladores. Esta configuración proporciona una acción de acoplamiento bidireccional, pero con uso independiente de los puertos acoplados. La principal ventaja es que una carga no coincidente aplicada a uno de los puertos no afectará al otro.
Figura 6: Dual acoplador direccional esquemático
Ventajas:
- El rendimiento se puede optimizar para rutas hacia adelante y hacia atrás
- Se puede lograr una directividad y aislamiento más altos
- Proporciona acoplamiento hacia adelante y hacia atrás
- La directividad de una ruta no se ve afectada por el desajuste presente en la otra ruta
- También se puede usar para monitorear simultáneamente la potencia hacia adelante y hacia atrás de un sistema
Desventajas:
- Generalmente implica dos acopladores direccionales consecutivos
- Mayor tamaño en comparación con los acopladores direccionales y bidireccionales
- No hay línea acoplada presente (no accesible en ambos extremos)
- Mayor pérdida de inserción que el acoplador único direccional y bidireccional
Ejemplo
Mini Circuitos DDCH-50-13+ es un acoplador dual direccional de montaje en superficie basado en línea de placas con una relación de acoplamiento nominal de 50 dB en el rango de frecuencias de 20 a 1000 MHz. Este modelo proporciona un manejo de potencia de entrada de RF de hasta 120 W y un paso de corriente continua de hasta 4 A.
Figura 7: Curvas de rendimiento para Mini Circuitos DDCH-50-13+ acoplador direccional dual
Aplicaciones de acoplador direccional
Cuando está conectado como se muestra en la Fig. 2, el acoplador proporciona una muestra de la onda reflejada en el puerto acoplado. Esto permite medir la potencia reflejada, representando el grado de desajuste de la carga. Cuando se coloca en la salida del transmisor, esta configuración puede monitorear el VSWR del sistema de antena, tanto para medición como para monitoreo. Muchos sistemas de RF incluyen ajustes para un VSWR mínimo, mientras que otros incluyen la detección de VSWR excesivo para la protección de circuitos, generalmente reduciendo la potencia o apagando.
Figura 8: Esquema de un acoplador direccional de 3 puertos en una configuración de reflectómetro simple.
Muestreo hacia adelante
Cuando se conecta en sentido inverso, el puerto acoplado proporciona una muestra de la salida (señal hacia adelante), atenuada por el factor de acoplamiento. Esta muestra se puede usar para monitoreo de formas de onda, análisis de espectro y otras funciones de prueba y medición.
Generador nivelado
La muestra también se puede usar para conducir circuitos de retroalimentación. Una aplicación importante de este tipo es nivelar la amplitud de un generador de señales, proporcionando una fuente de señal constante para un sistema de prueba.
Gráfico 9: Esquema de un acoplador direccional de 3 puertos en una configuración de generador nivelado.
Configuración de la prueba de intermodulación del receptor
Las señales de prueba para la prueba de 2 tonos pueden combinarse en un acoplador direccional o en un combinador de potencia. Ambos métodos proporcionarán el aislamiento necesario entre las fuentes de señal.
Figura 10: Esquema de un acoplador direccional de 3 puertos en una configuración de prueba de intermodulación del receptor.
Aplicaciones de acoplador bidireccional
Aunque la potencia reflejada o VSWR es importante, puede ser más útil muestrear simultáneamente las señales hacia adelante y reflejadas. Esta función es proporcionada por un acoplador bidireccional, que permite monitorear o medir la potencia de salida (hacia adelante) y la potencia reflejada (hacia atrás). Los sistemas de prueba (BIT) incorporados, las pruebas de producción y el monitoreo operativo de rutina se benefician del acoplamiento bidireccional.
Reflectómetro
Este es un elemento de circuito que proporciona la medición de la potencia de avance y la potencia reflejada (generalmente calibrada como VSWR). Esta es una función de prueba común y muy útil en entornos de prueba de laboratorio y producción de RF. Un reflectómetro puede ser la porción de muestreo de un instrumento de medición independiente de potencia/VSWR, o puede implementarse como un componente dentro de un sistema de prueba, equipo de comunicación u otro sistema de RF (por ejemplo, MRI o calefacción de RF).
Aplicaciones de acoplador de doble dirección
Como se indica anteriormente y en la Fig. 4, el acoplador de doble dirección actúa como un acoplador bidireccional, pero con rutas de acoplamiento separadas hacia adelante y hacia atrás. Esto proporciona aislamiento que elimina los efectos de la falta de coincidencia de un camino en el otro camino.
Reflectómetro (Resultados más precisos que los bidireccionales)
El uso típico de acopladores de dirección bidireccional y dual es el reflectómetro. Cuando se implementa utilizando un acoplador doble, se mejora la precisión, especialmente en condiciones en las que un puerto acoplado u otro puede tener un desajuste significativo.
Resumen
Los acopladores direccionales son dispositivos importantes en los sistemas de RF. Su capacidad para muestrear la dirección hacia adelante o hacia atrás de la propagación de la señal permite una amplia gama de aplicaciones en pruebas, mediciones, monitoreo, retroalimentación y control. Esta nota debe ayudar a los diseñadores de sistemas a comprender la función, la arquitectura y el rendimiento del acoplador, para seleccionar un tipo adecuado para su aplicación particular.
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