Download Acopladores direccionales de baja frecuencia

República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada
Núcleo Caracas – Sede Chuao
Cátedra Laboratorio de Microondas
Profesor: Diego Santizabal
Acopladores Direccionales
Alumnos:
Briceño Víctor, C.I.: 16.821.556
Carrillo Sohar. C.I: 18.183.247
Luna Midory. CI: 18.249.970
Tamara Giovanni. C.I.: 17444625
09ITCN02
Caracas, 4 de junio de 2012
Índice
Pág.
Introducción
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Contenido .
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Líneas de transmisión del acoplador
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Factor de acoplamiento
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Pérdidas
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Acoplador direccional
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Pérdidas por inserción
Aislamiento .
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Directividad .
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Híbridos
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Balance de amplitud
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Balance de fase
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Acopladores direccionales de baja frecuencia .
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Acopladores direccionales en línea coaxial
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Acopladores direccionales en guías de onda .
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Conclusión .
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Introducción
Acoplador Direccional
Dispositivo electrónico pasivo que acopla parte de la potencia
transmitida a través de una línea de transmisión hacia otro puerto, a menudo
usando dos líneas de transmisión dispuestas lo suficientemente cerca para que
la energía que circula por una de las líneas se acople a la otra. Los
acopladores direccionales ideales son circuitos de cuatro accesos, sin
pérdidas, recíprocos y completamente adaptados.
Algunos diseños de acopladores tienen su principal limitación en la
banda de frecuencias de trabajo, no obstante, en la actualidad se consiguen
acopladores en línea coaxial que cubren varias octavas y acopladores de guías
que cubren banda completa de la guía rectangular.
De las puertas de un acoplador direccional, una está aislada de la
entrada, otra recibe potencia de forma privilegiada y la última recibe potencia
de forma menos privilegiada.
Líneas de transmisión del acoplador
Un acoplador tiene 4 puertos: entrada, salida, acoplado y aislado. El
término “línea principal” se refiere a la línea entre los puertos 1 y 2. En algunos
acopladores direccionales, la línea principal está diseñada para operar en alta
potencia (grandes conectores), mientras que el puerto acoplado puede usar un
conector pequeño SMA. A menudo el puerto aislado está conectado a una
carga adaptada, interna o externa (normalmente 50 ohms). Cualquier puerto
puede ser la entrada, de este modo la salida seria el puerto al que está
conectado directamente la entrada, el puerto acoplado seria el puerto
adyacente al de entrada, y el aislado seria el puerto en diagonal.
El puerto acoplado es usado para obtener la información (por ejemplo
frecuencia y nivel de potencia) de la señal sin interrumpir el flujo de principal en
el sistema. Cuando la potencia del puerto 3 es la mitad de la de entrada (por
ejemplo 3 dB inferior a la entrada), la potencia en la línea de transmisión
principal está también 3 dB por debajo de la de entrada y es igual a la potencia
acoplada. Este tipo de acopladores son los llamados híbridos de 90 grados,
híbridos o acopladores 3 dB.
Las propiedades comunes deseadas para todos los acopladores
direccionales son un ancho de banda amplio, alta directividad y una buena
impedancia de adaptación en todos los puertos cuando los otros puertos están
conectados a cargas adaptadas. Estas características de los acopladores
direccionales híbridos y no híbridos se explican por sí mismas. Otras
características generales serán discutidas a continuación.
Factor de acoplamiento
El factor de acoplamiento es definido como:
Donde P1 es la potencia de entrada en el puerto 1 y P 3 es la potencia de
salida en el puerto acoplado.
El factor de acoplamiento representa la propiedad primaria de un
acoplador direccional. El acoplamiento no es constante, varia con la frecuencia.
Mientras que varios diseños pueden reducir esta variación, es imposible
construir un acoplador perfecto sin ninguna variación a la frecuencia.
Los acopladores direccionales son especificados en términos de
exactitud en la frecuencia central de la banda de operación. Por ejemplo un
acoplamiento de 10 dB +/-0.5 dB significa que el acoplador direccional puede
tener un acoplamiento de 9.5 dB a 10.5 dB en la frecuencia central de la banda.
La precisión es debida a las tolerancias dimensionales en la separación entre
las dos líneas acopladas. Otra especificación es la sensibilidad a la frecuencia.
Una mayor sensibilidad a la frecuencia permitirá una banda de frecuencias
operativa más ancha.
Pérdidas
En un acoplador direccional ideal, las pérdidas de la línea principal
desde el puerto 1 al puerto 2 (P1 – P2) debido a la potencia acoplada al puerto
de salida acoplado son:

Pérdidas por inserción
Las pérdidas serán una combinación de pérdidas de acoplamiento,
pérdidas dieléctricas, pérdidas del conductor y pérdidas por ROE. Dependiendo
del rango de frecuencias, las pérdidas por acoplamiento son menos
significantes con un acoplamiento superior a 15 dB. En este caso las otras
pérdidas constituyen la mayor parte del total de pérdidas. A continuación se
muestra un gráfico con la relación teórica entre las pérdidas por inserción (dB)
y el factor de acoplamiento (dB).
Aislamiento
El aislamiento de un acoplador direccional puede ser definido como la
diferencia en niveles de señal, en dB, entre el puerto de entrada y el puerto
aislado, estando los otros dos puertos conectados a cargas adaptadas
El aislamiento también puede ser definido entre los dos puerto de salida.
En este caso, uno de los puertos de salida es usado como entrada, mientras
que el otro es considerado como puerto de salida. Los otros dos puertos
(entrada y aislado) están conectados a cargas adaptadas.
Consecuentemente:
El aislamiento de los puertos de entrada y aislado puede ser diferente
del aislamiento entre los dos puertos de salida. Por ejemplo el aislamiento entre
los puertos 1 y 4 puede ser de 30 dB mientras que el aislamiento entre los
puertos 2 y 3 puede tener un valor diferente, como por ejemplo 25 dB. Si
ambas medidas de aislamiento no están disponibles, se puede asumir que son
iguales. Si no están disponibles ninguna de las dos, se puede estimar el
aislamiento por la suma del factor de acoplamiento mas las pérdidas de retorno
(ROE). El aislamiento debería ser lo más alto posible. En los acopladores
actuales, el puerto aislado nunca está completamente aislado. Siempre estará
presente alguna señal de RF.
Directividad
La directividad está directamente relacionada con el aislamiento, y es
definida por:
Dectividad:
Donde: P3 es la potencia de salida del puerto acoplado y P 4 es la potencia de
salida del puerto aislado.
La directividad debería ser lo más alta posible. La directividad es muy
alta en la frecuencia de diseño y es una función más sensible a la frecuencia
debido a que depende a la cancelación de dos componentes de la oscilación.
Los acopladores direccionales de onda de guía son los que mejor directividad
tienen. La directividad no es medible directamente, es calculada a partir de la
diferencia entre las medidas de aislamiento y acoplamiento:
Híbridos
Los acopladores híbridos, o acopladores direccionales 3 dB, en los
cuales las dos salidas son de igual amplitud, pueden ser de varias formas. No
hace mucho, los acopladores 3 dB en cuadratura (90 grados), con salidas
desfasadas 90 grados, era lo que nos venia a la mente al mencionar los
acopladores híbridos. Ahora cualquier 4 puertos con brazos aislados y divisor
de potencia igual es llamado híbrido o acoplador híbrido. Hoy en día, la función
característica es la diferencia de fase de las salidas. Si es de 90 grados, se
trata de un híbrido 90 grados. Si es de 180 grados, se trata de un híbrido 180
grados. Incluso el divisor de potencia Wilkinson, el cual tiene 0 grados de
diferencia, es actualmente un híbrido, aunque el cuarto brazo es normalmente
interno.
El híbrido se aplica en comparadores monopulso, mezcladores,
combinadores de potencia, divisores, moduladores, y array en fase de sistemas
de antena de radar.
Una versión más barata de este tipo de acopladores se suele utilizar
también en el hogar, para dividir las señales de TV y FM, por cable o por aire,
hacia las diferentes habitaciones, y también para los dispositivos sin un
passthrough hacia el equipo de TV. Un puerto está etiquetado como entrada,
mientras que los otros dos, tres o cuatro están etiquetados como salidas, a
menudo con los dB de pérdida de cada uno. Uno de estos puede tener menos
pérdidas que los otros, el cual pude tener conectado otro splitter, o el cable
coaxial más largo hacia la habitación más lejana.
Balance de amplitud
Esta terminología define la diferencia de potencia en dB entre los dos
puertos de salida de un híbrido 3 dB. En un circuito ideal híbrido la diferencia
debería ser de 0 dB. De todos modos, en un dispositivo real el balance de
amplitud depende de la frecuencia y se aparta de la diferencia ideal de 0 dB.
Balance de fase
La diferencia de fase entre los dos puertos de salida de un acoplador
híbrido debería ser de 0, 90, 180 grados dependiendo del tipo utilizado. De
todos modos, al igual que en el balance de amplitud, la diferencia de fase es
sensible a la frecuencia de entrada y normalmente variará unos pocos grados.
Las propiedades de fase de un acoplador híbrido de 90 grados pueden
ser usadas con gran ventaja en los circuitos microondas. Por ejemplo, en un
amplificador equilibrado de microondas las dos entradas son alimentadas a
través de un acoplador híbrido. Los dispositivos FET normalmente tienen una
pobre adaptación y reflejan mucha energía incidente. De todos modos, como
los dispositivos son esencialmente idénticos, los coeficientes de reflexión de
cada dispositivo son iguales. El voltaje reflejado desde los FETs está en fase
con el puerto aislado desfasado 180 grados con el puerto de entrada. Además,
toda la potencia reflejada desde los FETs va hacia la carga en el puerto aislado
y ninguna potencia va hacia el puerto de entrada. Como consecuencia se
consigue una buena adaptación de entrada (baja ROE).
Los acopladores de diferencia de fase pueden ser usados para crear una
inclinación de haz en una estación de radio VHF en FM, retrasando la fase en
los elementos inferiores de un array de antenas. De esta manera se puede
redirigir completamente el rango de retransmisión en las estaciones AM de
onda media que usan radiadores mast. Normalmente se hace de noche para
evitar radio interferencias skywave a una estación en la dirección opuesta.
Acopladores direccionales de baja frecuencia
Para las frecuencias más bajas es posible una implementación
compacta
de
banda
ancha
mediante
acopladores
unidireccionales
(transformadores). En la figura se muestra un circuito para acoplamiento débil y
que puedes ser entendido a lo largo de estas líneas: Una señal entra por uno
de los pares de líneas. Un transformador reduce el voltaje de la señal y el otro
reduce la corriente. Además la impedancia está adaptada. El mismo argumento
vale para cada dirección de la señal a través del acoplador. El signo relativo del
voltaje inducido y la corriente determina la dirección de la señal de salida.
Para un acoplamiento 3 dB, con una división igual de la señal, otro punto
de vista puede ser más apropiado: Dos de los pares de líneas son combinados
en una línea polifásica. Se puede utilizar un transformador polifásico para
redistribuir la señal en un grupo de líneas rotadas 45º
Acopladores en línea coaxial
En línea coaxial el tipo más frecuente de acoplador direccional es el de
líneas acopladas.
Dos líneas se aproximan compartiendo el mismo conductor exterior, el
tramo de acoplamiento se produce mas mediante bloques metálicos adosados
al conductor interno. En los diseños básicos este tramo tiene una longitud de
un cuarto de onda o múltiplo de esta cantidad. Tanto el factor de acople como
el ancho de banda dependen de esta longitud, asi como de la proximidad entre
los conductores. Algunos tipos de acopladores utilizan tramos de acoplamiento
con una distancia entre bloques que puede ser escalonada o bien puede seguir
una ley exponencial, gracias a lo cual se consiguen importantes mejoras en el
ancho de banda respecto al diseño básico.
En la práctica, los fabricantes proporcionan acopladores direccionales de
tres o cuatro puertas. Los acopladores de cuatro puertas también llamados
acopladores bidireccionales. En los diseños de tres puertas, se conecta
directamente una carga adaptada a la puerta que esta aislada de la puerta 1.
En estas circunstancias, se suele considerar que la directividad es la potencia
en la puerta 3 cuando el acoplador se alimenta por la 1, y la potencia en la 3
cuando la alimentación es por la 2. Estos diseños tienen la ventaja de que la
señal por la puerta 3 no se ve afectada por los posibles desacoples que
pudieran existir en la puerta 4. Sin embargo, presentan el inconveniente de que
no permiten extraer simultáneamente potencia incidente y reflejada, debido a lo
cual ofrecen menos versatilidad en muchas aplicaciones, por ejemplo en
reflectometría.
Acopladores direccionales de guía coaxial: a- de cuatro puertas, b- de
tres puertas.
Acopladores en guía de onda
Existen dos tipos de acopladores de guias de onda pero el más sencillo
es el de Bethe-hole.
Es posible minimizar la potencia que pasa por la puerta de aislada (4) y
maximizar la que se transmite acoplada (3) seleccionando distancia del agujero
a las caras laterales.
Acopladores direccionales de Bethe-hole: a- con guías paralelas, b- con guías
formando un ángulo.
Conclusión