Los acopladores direccionales son componentes estándar de microondas/ondas milimétricas en la medición de microondas y otros sistemas de microondas. Se utilizan para el aislamiento, la separación y la mezcla de señales, como la monitorización de potencia, la estabilización de la potencia de salida de la fuente, el aislamiento de la fuente de señal, las pruebas de barrido de frecuencia de transmisión y reflexión, etc. Se trata de un divisor de potencia de microondas direccional, un componente indispensable en los reflectómetros modernos de barrido de frecuencia. Generalmente, existen varios tipos, como los de guía de onda, línea coaxial, línea de transmisión y microcinta.
La figura 1 es un diagrama esquemático de la estructura. Consta principalmente de dos partes: la línea principal y la línea auxiliar, acopladas entre sí mediante pequeñas aberturas, ranuras y huecos. Por lo tanto, parte de la potencia de entrada desde el punto «1» en el extremo de la línea principal se acopla a la línea auxiliar. Debido a la interferencia o superposición de ondas, la potencia se transmite únicamente a lo largo de la línea auxiliar en una dirección (denominada «directa»), mientras que en la otra dirección prácticamente no se transmite potencia (denominada «inversa»).
La figura 2 es un acoplador bidireccional; uno de los puertos del acoplador está conectado a una carga de adaptación incorporada.
Aplicación del acoplador direccional
1, para el sistema de síntesis de energía
Un acoplador direccional de 3 dB (comúnmente conocido como puente de 3 dB) se utiliza habitualmente en sistemas de síntesis de frecuencia multicanal, como se muestra en la figura inferior. Este tipo de circuito es común en sistemas de distribución de interiores. Tras pasar las señales f1 y f2 de dos amplificadores de potencia a través de un acoplador direccional de 3 dB, la salida de cada canal contiene dos componentes de frecuencia, f1 y f2, y el acoplador reduce en 3 dB la amplitud de cada componente. Si uno de los terminales de salida se conecta a una carga absorbente, el otro puede utilizarse como fuente de alimentación para un sistema de medición de intermodulación pasivo. Para mejorar aún más el aislamiento, se pueden añadir componentes como filtros y aisladores. El aislamiento de un puente de 3 dB bien diseñado puede superar los 33 dB.
El acoplador direccional se utiliza en el sistema combinador de potencia uno.
La zona de separación direccional, como otra aplicación de la combinación de potencia, se muestra en la figura (a). En este circuito, se ha aprovechado ingeniosamente la directividad del acoplador direccional. Suponiendo que el grado de acoplamiento de ambos acopladores es de 10 dB y la directividad de 25 dB, el aislamiento entre los extremos f1 y f2 es de 45 dB. Si las entradas de f1 y f2 son ambas de 0 dBm, la salida combinada es de -10 dBm. En comparación con el acoplador Wilkinson de la figura (b) (cuyo valor de aislamiento típico es de 20 dB), con la misma señal de entrada de 0 dBm, tras la síntesis se obtiene un aislamiento de -3 dBm (sin considerar la pérdida de inserción). En comparación con la condición entre muestras, aumentamos la señal de entrada en la figura (a) en 7 dB para que su salida sea consistente con la de la figura (b). En este momento, el aislamiento entre f1 y f2 en la figura (a) disminuye 38 dB. El resultado final de la comparación es que el método de síntesis de potencia del acoplador direccional es 18 dB superior al del acoplador Wilkinson. Este esquema es adecuado para la medición de la intermodulación de diez amplificadores.
En el sistema de combinación de potencia 2 se utiliza un acoplador direccional.
2, utilizado para la medición de interferencias del receptor o para mediciones espurias.
En los sistemas de prueba y medición de radiofrecuencia (RF), es frecuente encontrar el circuito que se muestra en la figura inferior. Supongamos que el dispositivo bajo prueba (DUT) es un receptor. En ese caso, se puede inyectar una señal de interferencia de canal adyacente en el receptor a través del extremo de acoplamiento del acoplador direccional. Un analizador de espectro conectado al receptor mediante el acoplador direccional permite evaluar su resistencia a la interferencia (en miles de ohmios). Si el DUT es un teléfono móvil, se puede activar su transmisor mediante un analizador de espectro conectado al extremo de acoplamiento del acoplador direccional. Posteriormente, se puede utilizar un analizador de espectro para medir la señal espuria emitida por el teléfono. Por supuesto, se deben añadir circuitos de filtrado antes del analizador de espectro. Dado que este ejemplo solo trata la aplicación de acopladores direccionales, se omite el circuito de filtrado.
El acoplador direccional se utiliza para la medición antiinterferencias del receptor o la altura espuria del teléfono celular.
En este circuito de prueba, la directividad del acoplador direccional es crucial. El analizador de espectro conectado al extremo de paso solo necesita recibir la señal del dispositivo bajo prueba (DUT) y no la señal de entrada del extremo de acoplamiento.
3, para el muestreo y monitoreo de señales
La medición y monitorización en línea de transmisores es una de las aplicaciones más comunes de los acopladores direccionales. La siguiente figura muestra una aplicación típica para la medición de estaciones base celulares. Supongamos que la potencia de salida del transmisor es de 43 dBm (20 W), la capacidad de acoplamiento del acoplador direccional es de 30 dB y la pérdida de inserción (pérdida de línea más pérdida de acoplamiento) es de 0,15 dB. En el extremo de acoplamiento se envía una señal de 13 dBm (20 mW) al analizador de la estación base. La salida directa del acoplador direccional es de 42,85 dBm (19,3 W), y la potencia de fuga en el lado aislado es absorbida por una carga.
El acoplador direccional se utiliza para la medición desde la estación base.
Casi todos los transmisores utilizan este método para el muestreo y la monitorización en línea, y quizás sea el único que garantiza el rendimiento del transmisor en condiciones normales de funcionamiento. Sin embargo, cabe señalar que la prueba del transmisor es la misma, y que cada evaluador tiene sus propias prioridades. Tomando como ejemplo las estaciones base WCDMA, los operadores deben prestar atención a los indicadores en su banda de frecuencia de trabajo (2110-2170 MHz), como la calidad de la señal, la potencia en el canal y la potencia en los canales adyacentes. Por ello, los fabricantes instalan en la salida de la estación base un acoplador direccional de banda estrecha (como 2110-2170 MHz) para monitorizar las condiciones de funcionamiento del transmisor dentro de la banda y enviar la información al centro de control en todo momento.
Si se trata del regulador del espectro radioeléctrico —la estación de monitoreo de radio encargada de probar los indicadores de las estaciones base—, su enfoque es completamente distinto. Según los requisitos de la especificación de gestión de radio, el rango de frecuencia de prueba se extiende de 9 kHz a 12,75 GHz, abarcando un espectro tan amplio. ¿Cuánta radiación espuria se generará en esta banda de frecuencia e interferirá con el funcionamiento normal de otras estaciones base? Esta es una preocupación para las estaciones de monitoreo de radio. En este caso, se requiere un acoplador direccional con el mismo ancho de banda para el muestreo de la señal, pero no parece existir uno que cubra de 9 kHz a 12,75 GHz. Sabemos que la longitud del brazo de acoplamiento de un acoplador direccional está relacionada con su frecuencia central. El ancho de banda de un acoplador direccional de banda ultraancha puede alcanzar bandas de 5 a 6 octavas, como de 0,5 a 18 GHz, pero no cubre la banda de frecuencia inferior a 500 MHz.
4. Medición de potencia en línea
En la tecnología de medición de potencia de paso, el acoplador direccional es un dispositivo crítico. La siguiente figura muestra el diagrama esquemático de un sistema típico de medición de alta potencia de paso. La potencia directa del amplificador bajo prueba se muestrea mediante el extremo de acoplamiento directo (terminal 3) del acoplador direccional y se envía al medidor de potencia. La potencia reflejada se muestrea mediante el terminal de acoplamiento inverso (terminal 4) y se envía al medidor de potencia.
Para la medición de alta potencia se utiliza un acoplador direccional.
Nota: Además de recibir la potencia reflejada de la carga, el terminal de acoplamiento inverso (terminal 4) también recibe potencia de fuga desde la dirección directa (terminal 1), causada por la directividad del acoplador direccional. La energía reflejada es la que el medidor desea medir, y la potencia de fuga es la principal fuente de errores en la medición de la potencia reflejada. La potencia reflejada y la potencia de fuga se superponen en el extremo de acoplamiento inverso (terminal 4) y luego se envían al medidor de potencia. Dado que las trayectorias de transmisión de las dos señales son diferentes, se trata de una superposición vectorial. Si la potencia de fuga que llega al medidor de potencia es comparable a la potencia reflejada, se producirá un error de medición significativo.
Por supuesto, la potencia reflejada por la carga (extremo 2) también se filtrará al extremo de acoplamiento directo (extremo 1, no mostrado en la figura anterior). Sin embargo, su magnitud es mínima en comparación con la potencia directa, que mide la intensidad de la señal directa. El error resultante puede ignorarse.
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Fecha de publicación: 20 de abril de 2023