Urvashi Sengal
Ingénieur d’applications, Les Mini-Circuits
Les coupleurs directionnels sont un type important de dispositif de traitement du signal. Leur fonction de base est d’échantillonner des signaux RF à un degré de couplage prédéterminé, avec une isolation élevée entre les ports de signal et les ports échantillonnés — ce qui prend en charge l’analyse, la mesure et le traitement pour de nombreuses applications. Comme ce sont des dispositifs passifs, ils fonctionnent également dans le sens inverse, avec des signaux injectés dans le chemin principal en fonction de la directionnalité et du degré de couplage des dispositifs. Il existe quelques variantes dans la configuration des coupleurs directionnels, comme nous le verrons plus loin.
Idéalement, un coupleur serait sans perte, apparié et réciproque. Les propriétés de base des réseaux à trois et quatre ports sont l’isolation, le couplage et la directivité, dont les valeurs sont utilisées pour caractériser les coupleurs. Un coupleur idéal a une directivité et une isolation infinies, ainsi qu’un facteur de couplage sélectionné pour l’application prévue.
Le schéma fonctionnel de la Fig. 1 illustre le fonctionnement d’un coupleur directionnel, suivi d’une description des paramètres de performance associés. Le diagramme supérieur est un coupleur à 4 ports, qui comprend des ports couplés (en avant) et isolés (en arrière ou réfléchis). Le diagramme inférieur est une structure à 3 ports, ce qui élimine le port isolé. Ceci est utilisé dans les applications qui n’ont besoin que d’une seule sortie couplée vers l’avant. Le coupleur à 3 ports peut être connecté dans le sens inverse, où le port précédemment couplé devient le port isolé:
Figure 1 : Configurations de coupleur directionnel de base
Caractéristiques de performance:
- Facteur de couplage : Ceci indique la fraction de la puissance d’entrée (à P1) qui est délivrée au port couplé, directivité P3
- : Il s’agit d’une mesure de la capacité du coupleur à séparer les ondes se propageant dans les directions avant et arrière, comme observé au niveau des ports couplés (P3) et isolés (P4)
- Isolation: Indique la puissance délivrée à la charge découplée (P4)
- Perte d’insertion: Cela représente la puissance d’entrée (P1) délivrée au port transmis (P2), qui est réduite par la puissance délivrée aux ports couplés et isolés.
Les valeurs de ces caractéristiques en dB sont:
Couplage = C = 10 log (P1/P3)
Directivité = D= 10 log (P3/P4)
Isolation = I= 10 log (P1/P4)
Perte d’insertion = L = 10 log (P1/P2)
Coupleurs directionnels:
Ce type de coupleur comporte trois ports accessibles, comme le montre la Fig. 2, où le quatrième port est terminé en interne pour fournir une directivité maximale. La fonction de base d’un coupleur directionnel est d’échantillonner le signal isolé (inverse). Une application typique est la mesure de la puissance réfléchie (ou indirectement, VSWR). Bien qu’il puisse être connecté en sens inverse, ce type de coupleur n’est pas réciproque. Comme l’un des ports couplés est terminé en interne, un seul signal couplé est disponible. Dans le sens avant (comme indiqué), le port couplé échantillonne l’onde inverse, mais s’il est connecté dans le sens inverse (entrée RF à droite), le port couplé serait un échantillon de l’onde avant, réduit par le facteur de couplage. Avec cette connexion, le dispositif peut être utilisé comme échantillonneur pour la mesure du signal, ou pour délivrer une partie du signal de sortie à des circuits de rétroaction.
Figure 2 : Coupleur directionnel de 50 Ohms
Avantages:
- Les performances peuvent être optimisées pour le trajet direct
- Directivité et isolation élevées
- La directivité d’un coupleur est fortement affectée par l’adaptation d’impédance fournie par la terminaison au niveau du port isolé. Fournir cette terminaison en interne garantit des performances élevées
Inconvénients:
- Le couplage n’est disponible que sur le trajet avant
- Pas de ligne couplée
- La puissance nominale du port couplé est inférieure au port d’entrée car la puissance appliquée au port couplé est presque entièrement dissipée dans la terminaison interne.
Exemple :
Mini-Circuits ZCDC20-E18653+ est un coupleur directionnel coaxial avec un couplage nominal de 20 dB sur la plage de fréquences de 18 à 65 GHz. Ce modèle fournit une puissance d’entrée RF jusqu’à 12 W et transmet le courant continu jusqu’à 0.48A
Figure 3 : Courbes de performances pour les coupleurs bidirectionnels ZCDC20-E18653+
des Mini-circuits :
Ce type de coupleur possède quatre ports, tous accessibles au client. Il a une conception symétrique, permettant d’échantillonner simultanément les signaux avant et arrière. Il est de la responsabilité du concepteur de faire correspondre ou de terminer correctement les deux ports couplés.
Figure 4: Schéma du coupleur bidirectionnel
Avantages:
- Conception symétrique
- Les ports d’entrée et de sortie sont interchangeables
- Il existe deux lignes de transmission. La ligne couplée fonctionne de la même manière que la ligne principale
- Elle a un couplage avant et arrière
Inconvénients:
- La conception est essentielle pour maintenir de bonnes performances dans les deux sens.
- La directivité du coupleur dépend de la façon dont le port isolé est terminé.
Exemple :
Le ZGBDC35-93HP+ de Mini-Circuits est un coupleur bidirectionnel coaxial avec un couplage nominal de 35 dB sur la plage de fréquences de 900 à 9000 MHz. Ce modèle fournit une puissance d’entrée RF de 250 W et transmet le courant continu jusqu’à 3A
Figure 5: Courbes de performances pour les Mini-circuits ZGBDC-93HP + coupleur bidirectionnel.
Coupleurs à double direction:
Ce troisième type de coupleur est une combinaison de deux coupleurs à 3 ports avec leurs lignes principales en cascade, et leurs ports terminés intérieurement en regard l’un de l’autre à l’interface entre les coupleurs. Cette configuration fournit une action de coupleur bidirectionnelle, mais avec une utilisation indépendante des ports couplés. Le principal avantage est qu’une charge non adaptée appliquée à l’un ou l’autre port n’affectera pas l’autre.
Figure 6: Schéma du coupleur à deux directions
Avantages:
- Les performances peuvent être optimisées pour les trajets avant et arrière
- Une directivité et une isolation plus élevées peuvent être obtenues
- Fournit un couplage avant et arrière
- La directivité d’un trajet n’est pas affectée par l’inadéquation présente sur l’autre trajet
- Peut également être utilisée pour surveiller simultanément la puissance avant et arrière d’un système
Inconvénients:
- Implique généralement deux coupleurs directionnels dos à dos
- De plus grande taille par rapport aux coupleurs directionnels et bidirectionnels
- Aucune ligne couplée n’est présente (non accessible aux deux extrémités)
- Perte d’insertion plus élevée que le coupleur directionnel et bidirectionnel unique
Exemple
Mini-Circuits DDCH-50-13+ est un coupleur bi-directionnel à montage en surface à base de stripline avec un rapport de couplage nominal de 50 dB sur la plage de fréquences de 20 à 1000 MHz. Ce modèle fournit une puissance d’entrée RF jusqu’à 120 W et un courant CONTINU passant jusqu’à 4A.
Figure 7 : Courbes de performances pour les Mini-circuits DDCH-50-13+ coupleur directionnel double
Applications du coupleur directionnel
Lorsqu’il est connecté comme illustré à la Fig. 2, le coupleur fournit un échantillon de l’onde réfléchie au niveau du port couplé. Cela permet de mesurer la puissance réfléchie, représentant le degré d’inadéquation de la charge. Lorsqu’elle est placée à la sortie de l’émetteur, cette configuration peut surveiller le ROS du système d’antenne, à la fois pour la mesure et la surveillance. De nombreux systèmes RF incluent des ajustements pour un ROS minimal, tandis que d’autres incluent la détection d’un ROS excessif pour la protection des circuits, généralement en réduisant la puissance ou en s’arrêtant.
Figure 8: Schéma d’un coupleur directionnel à 3 ports dans une configuration de réflectomètre simple.
Échantillonnage direct
Lorsqu’il est connecté en marche arrière, le port couplé fournit un échantillon de la sortie (signal direct), atténué par le facteur de couplage. Cet échantillon peut être utilisé pour la surveillance de la forme d’onde, l’analyse du spectre et d’autres fonctions de test et de mesure.
Générateur nivelé
L’échantillon peut également être utilisé pour piloter des circuits de rétroaction. Une application importante de ce type est de niveler l’amplitude d’un générateur de signal, fournissant une source de signal constante pour un système de test.
Figure 9: Schéma d’un coupleur directionnel à 3 ports dans une configuration de générateur à niveau.
Configuration du test d’intermodulation du récepteur
Les signaux de test pour le test à 2 tons peuvent être combinés dans un coupleur directionnel ou un combineur de puissance. Les deux méthodes fourniront l’isolation nécessaire entre les sources de signal.
Figure 10: Schéma d’un coupleur directionnel à 3 ports dans une configuration de test d’intermodulation de récepteur.
Applications de coupleurs bidirectionnels
Bien que la puissance réfléchie ou le ROS soit important, il peut être plus utile d’échantillonner simultanément les signaux directs et réfléchis. Cette fonction est assurée par un coupleur bidirectionnel, qui permet de surveiller ou de mesurer la puissance de sortie (en avant) et la puissance réfléchie (en arrière). Les systèmes de test intégrés (BIT), les tests de production et la surveillance opérationnelle de routine bénéficient tous d’un couplage bidirectionnel.
Réflectomètre
Il s’agit d’un élément de circuit qui permet de mesurer la puissance directe et la puissance réfléchie (généralement calibrée en VSWR). Il s’agit d’une fonction de test courante et très utile dans les environnements de test de laboratoire et de production RF. Un réflectomètre peut être soit la partie d’échantillonnage d’un instrument de mesure autonome de puissance / ROS, soit il peut être mis en œuvre en tant que composant d’un système de test, d’un équipement de communication ou d’un autre système RF (par exemple, IRM ou chauffage RF).
Applications de coupleur Double direction
Comme indiqué ci-dessus, et à la Fig. 4, le coupleur à double direction agit comme un coupleur bidirectionnel, mais avec des chemins de couplage avant et arrière séparés. Cela fournit une isolation qui élimine les effets de l’inadéquation d’un chemin sur l’autre chemin.
Réflectomètre (Résultats plus précis que bidirectionnels)
L’utilisation typique des coupleurs bi- et bi-directionnels est le réflectomètre. Lorsqu’il est mis en œuvre à l’aide d’un coupleur double, la précision est améliorée, en particulier dans des conditions où un port couplé ou l’autre peut présenter une inadéquation significative.
Résumé
Les coupleurs directionnels sont des dispositifs importants dans les systèmes RF. Leur capacité à échantillonner la direction avant ou arrière de la propagation du signal permet une large gamme d’applications dans le test, la mesure, la surveillance, la rétroaction et le contrôle. Cette note devrait aider les concepteurs de systèmes à comprendre la fonction, l’architecture et les performances du coupleur, afin de sélectionner un type approprié pour leur application particulière.
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