Urvashi Sengal
Applications Engineer, Mini-Circuits
Directional couplers are a important type of signal processing device. Hun basisfunctie is om RF-signalen bij een vooraf bepaalde koppelingsgraad te bemonsteren, met een hoge isolatie tussen de signaalpoorten en de bemonsterde poorten — wat analyse, meting en verwerking voor veel toepassingen ondersteunt. Aangezien ze passieve apparaten zijn, werken ze ook in de omgekeerde richting, met signalen die in het hoofdpad worden geïnjecteerd volgens de richting van de apparaten en de mate van koppeling. Er zijn enkele variaties in de configuratie van gerichte koppelingen, zoals we hieronder zullen zien.
idealiter zou een koppeling lossless, matched en reciproque zijn. De basiseigenschappen van drie – en vierpoortsnetwerken zijn isolatie, koppeling en richtbaarheid, waarvan de waarden worden gebruikt om de koppelingen te karakteriseren. Een ideale koppeling heeft oneindige directiviteit en isolatie, samen met een koppelingsfactor geselecteerd voor de beoogde toepassing.
het functionele diagram in Fig. 1 illustreert de werking van een directionele koppeling, gevolgd door een beschrijving van de bijbehorende prestatieparameters. Het bovenste diagram is een 4-poorts koppeling, die zowel gekoppelde (voorwaartse) en geïsoleerde (omgekeerde, of gereflecteerde) poorten omvat. Het onderste diagram is een 3-poorts structuur, die de geïsoleerde poort elimineert. Dit wordt gebruikt in toepassingen die slechts één voorwaartse gekoppelde output nodig hebben. De 3-poorts koppeling kan worden aangesloten in de omgekeerde richting, waar de poort die voorheen werd gekoppeld wordt de geïsoleerde poort:
figuur 1: basisconfiguraties voor directionele koppelingen
prestatiekenmerken:
- Koppelingsfactor: dit geeft het deel van het ingangsvermogen (bij P1) aan dat aan de gekoppelde poort wordt geleverd, P3
- directiviteit: Dit is een maat voor het vermogen van de koppeling om golven in voorwaartse en omgekeerde richting te scheiden, zoals waargenomen bij de gekoppelde (P3) en geïsoleerde (P4) poorten
- isolatie: geeft het vermogen aan dat wordt geleverd aan de ontkoppelde belasting (P4)
- Insertieverlies: dit is verantwoordelijk voor het ingangsvermogen (P1) dat wordt geleverd aan de verzonden (P2) poort, dat wordt verminderd door het vermogen dat wordt geleverd aan de gekoppelde en geïsoleerde poorten.
de waarden van deze kenmerken in dB zijn:
Koppeling = C = 10 log (P1/P3)
Directiviteit = D = 10 log (P3/P4)
Isolatie = I = 10 log (P1/P4)
tussenschakeldemping = L = 10 log (P1/P2)
Directionele Koppelaars:
Dit type koppeling heeft drie poorten toegankelijk, zoals weergegeven in Fig. 2, waarbij de vierde poort intern wordt beëindigd om maximale directiviteit te bieden. De basisfunctie van een directionele koppeling is om het geïsoleerde (omgekeerde) signaal te bemonsteren. Een typische toepassing is het meten van het gereflecteerde vermogen (of indirect, VSWR). Hoewel het kan worden aangesloten in omgekeerde, dit type koppeling is niet wederkerig. Aangezien één van de gekoppelde poorten intern wordt beëindigd, is slechts één gekoppeld signaal beschikbaar. In de voorwaartse richting (zoals getoond), steekproeven de gekoppelde haven de omgekeerde golf, maar indien verbonden in de omgekeerde richting (RF Input aan de rechterkant), zou de gekoppelde haven een steekproef van de voorwaartse golf zijn, verminderd door de koppelingsfactor. Met deze verbinding kan het apparaat worden gebruikt als een sampler voor signaalmeting of om een deel van het uitgangssignaal te leveren aan terugkoppelingscircuits.
Figuur 2: 50-Ohm directionele koppeling
voordelen:
- de prestaties kunnen worden geoptimaliseerd voor het voorwaartse pad
- hoge directiviteit en isolatie
- de directiviteit van een koppeling wordt sterk beïnvloed door de impedantie match die wordt geboden door de beëindiging op de geïsoleerde poort. Inrichting die beëindiging intern zorgt voor hoge prestaties
nadelen:
- koppeling is alleen beschikbaar op het voorwaartse pad
- geen gekoppelde lijn
- het vermogen van de gekoppelde poort is minder dan de ingangspoort omdat het vermogen dat op de gekoppelde poort wordt uitgeoefend vrijwel volledig wordt afgevoerd via de interne beëindiging.
voorbeeld:
Minikringen ZCDC20-E18653+ is een coaxiale directionele koppeling met een nominale koppeling van 20 dB over het frequentiebereik 18-65 GHz. Dit model biedt RF – ingangsvermogen tot 12W en passeert gelijkstroom tot 0.48A
Figuur 3: onderwaterpompen voor Mini-Circuits’ ZCDC20-E18653+
Bi-directionele koppelaars:
Deze koppeling type heeft vier havens, die allemaal toegankelijk zijn voor de klant te gebruiken. Het heeft een symmetrisch ontwerp, waardoor vooruit-en achteruitsignalen gelijktijdig kunnen worden bemonsterd. Het is de verantwoordelijkheid van de ontwerper om beide gekoppelde poorten goed te matchen of te beëindigen.
Figuur 4: Bi-directionele koppeling schema
voordelen:
- symmetrisch ontwerp
- invoer-en uitvoerpoorten zijn uitwisselbaar
- er zijn twee transmissielijnen. Gekoppelde lijn werkt hetzelfde als de hoofdlijn
- zij heeft voor-en achteruitkoppeling
nadelen:
- ontwerp is van cruciaal belang voor het behoud van goede prestaties in beide richtingen.
- de directiviteit van de koppeling hangt af van hoe goed de geïsoleerde poort wordt afgesloten.
voorbeeld:
Zgbdc35-93HP+ is een coaxiale bidirectionele koppeling met 35 dB nominale koppeling over het frequentiebereik 900 tot 9000 MHz. Dit model biedt 250W RF-ingang belastbaarheid en passeert DC stroom tot 3A
Figuur 5: Performance curves voor de Mini-Circuits ZGBDC-93HP+ bi-directionele koppelaar.
Tweerichtingskoppelingen:
dit derde type koppeling is een combinatie van twee 3-poortskoppelingen waarvan de hoofdlijnen cascade zijn en de intern geëindigde poorten naar elkaar gericht zijn op het raakvlak tussen de koppelingen. Deze configuratie biedt bi-directionele koppeling actie, maar met onafhankelijk gebruik van de gekoppelde poorten. Het primaire voordeel is dat een niet-overeenkomende belasting toegepast op een van beide poorten de andere niet zal beïnvloeden.
Figuur 6: schema van de dubbele koppeling
voordelen:
- de prestaties kunnen worden geoptimaliseerd voor zowel vooruit-als achteruitrijpaden
- hogere directiviteit en isolatie kan worden bereikt
- biedt voorwaartse en achteruitkoppeling
- de directiviteit van een pad wordt niet beïnvloed door mismatch op het andere pad
- kan ook worden gebruikt om gelijktijdig het vooruit-en achteruitvermogen van een systeem te bewaken
nadelen:
- Meestal gaat om twee back-to-back-directionele koppelaars
- Grotere omvang ten opzichte van directionele en bi-directionele koppelaars
- Geen combinatie lijn aanwezig is (niet toegankelijk aan beide uiteinden)
- Hoger tussenschakeldemping dan de enkele gerichte en bi-directionele koppeling
Voorbeeld
Mini-Circuits DDCH-50-13+ is een striplijn-gebaseerde surface-mount dual-directionele koppeling met een 50 dB nominale koppeling ratio over de 20 MHz tot 1000 MHz frequentiebereik. Dit model biedt tot 120W RF input power handling-en DC-stroom die up-to-4A.
Figuur 7: onderwaterpompen voor Mini-Circuits DDCH-50-13+ dubbele directionele koppelaar
Directionele Koppeling Toepassingen
Wanneer aangesloten zoals is weergegeven in Fig. 2, de koppeling verstrekt een steekproef van de weerspiegelde golf bij de gekoppelde haven. Dit maakt het mogelijk om het gereflecteerde vermogen te meten, wat de mate van mismatch van de belasting weergeeft. Wanneer geplaatst op de zenduitgang, kan deze configuratie de VSWR van het antennesysteem bewaken, zowel voor meting als monitoring. Veel RF-systemen omvatten aanpassingen voor minimale VSWR, terwijl andere detectie van overmatige VSWR voor circuit bescherming omvatten, meestal door ofwel het verminderen van de macht of afsluiten.
Figuur 8: schema van een 3-poorts directionele koppeling in een eenvoudige reflectometer setup.
Forward sampling
wanneer de gekoppelde poort omgekeerd is aangesloten, levert het een monster van de uitgang (forward signal), afgezwakt door de koppelingsfactor. Dit monster kan worden gebruikt voor golfvormmonitoring, spectrumanalyse en andere test-en meetfuncties.
genivelleerde generator
het monster kan ook worden gebruikt om feedbackcircuits aan te drijven. Een belangrijke toepassing van dit type is het nivelleren van de amplitude van een signaalgenerator, die een constante signaalbron voor een testsysteem levert.
figuur 9: Schema van een 3-poorts directionele koppeling in een genivelleerde generator setup.
ontvanger intermodulatie testopstelling
de testsignalen voor 2-Toons testen kunnen worden gecombineerd in een directionele koppeling of een power combiner. Beide methoden zorgen voor de nodige isolatie tussen de signaalbronnen.
Figuur 10: schema van een 3-poorts directionele koppeling in een ontvanger intermodulatie testopstelling.
bidirectionele Koppeltoepassingen
hoewel het gereflecteerde vermogen of VSWR belangrijk is, kan het nuttiger zijn om zowel vooruitstrevende als gereflecteerde signalen gelijktijdig te bemonsteren. Deze functie wordt geleverd door een bidirectionele koppeling, die het mogelijk maakt het uitgangsvermogen (vooruit) en het gereflecteerde vermogen (achteruit) te bewaken of te meten. Ingebouwde test (BIT) systemen, productie testen, en routine operationele monitoring Alle profiteren van bi-directionele koppeling.
Reflectometer
Dit is een schakelingselement dat het voorwaartse vermogen en het gereflecteerde vermogen meet (meestal gekalibreerd als VSWR). Dit is een gemeenschappelijke, en hoogst nuttig, testfunctie in RF-laboratorium en de milieu ‘ s van de productietest. Een reflectometer kan ofwel het bemonsteringsgedeelte van een op zichzelf staand vermogen/VSWR-meetinstrument zijn, ofwel worden uitgevoerd als onderdeel van een testsysteem, communicatieapparatuur of ander RF-systeem (bv. MRI-of RF-verwarming).
Dual Directional Coupler Applications
zoals hierboven vermeld, en in Fig. 4, de dubbele directionele koppeling fungeert als een bi-directionele koppeling, maar met afzonderlijke voorwaartse en omgekeerde koppeling paden. Dit zorgt voor isolatie die de effecten van mismatch van het ene pad op het andere pad elimineert.
Reflectometer (nauwkeurigere resultaten dan bidirectioneel)
het typische gebruik van BI-en dual direction koppelingen is de reflectometer. Wanneer geïmplementeerd met behulp van een dubbele koppeling, wordt de nauwkeurigheid verbeterd, vooral onder omstandigheden waarin de ene gekoppelde poort of de andere aanzienlijke mismatch kan hebben.
samenvatting
gerichte koppelingen zijn belangrijke inrichtingen in RF-systemen. Hun vermogen om de voorwaartse of omgekeerde richting van signaalvoortplanting te bemonsteren maakt een breed scala van toepassingen in test, Meting, monitoring, feedback en controle mogelijk. Deze nota moet systeemontwerpers helpen de functie, architectuur en prestaties van de koppeling te begrijpen, om een geschikt type voor hun specifieke toepassing te selecteren.
Zoek de juiste directionele, bidirectionele of dubbele directionele koppeling voor uw toepassing uit de honderden in Mini-Circuits catalogus.