Los acopladores direccionales son componentes estándar de microondas/ondas milimétricas en sistemas de medición 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. Son divisores de potencia de microondas direccionales y componentes indispensables en los reflectómetros de barrido de frecuencia modernos. Generalmente, existen varios tipos, como guía de onda, línea coaxial, línea de tira y microcinta.
La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de la estructura. Consta principalmente de dos partes: la línea principal y la línea auxiliar, que se conectan entre sí mediante diversos orificios, ranuras y huecos. Por lo tanto, parte de la potencia de entrada proveniente del terminal "1" de la línea principal se acopla a la línea secundaria. Debido a la interferencia o superposición de ondas, la potencia se transmite únicamente en una dirección a lo largo de la línea secundaria (denominada "directa"), mientras que en la otra dirección prácticamente no se transmite potencia (denominada "inversa").
La figura 2 muestra un acoplador direccional cruzado; uno de los puertos del acoplador está conectado a una carga adaptativa integrada.
Aplicación de acoplador direccional
1, para sistema de síntesis de potencia
Un acoplador direccional de 3 dB (conocido comúnmente como puente de 3 dB) se utiliza habitualmente en sistemas de síntesis de frecuencia multicarrier, como se muestra en la figura siguiente. Este tipo de circuito es común en sistemas distribuidos para interiores. Tras el paso de las señales f1 y f2 de dos amplificadores de potencia a través del acoplador direccional de 3 dB, la salida de cada canal contiene dos componentes de frecuencia, f1 y f2, y el acoplador reduce la amplitud de cada componente en 3 dB. Si una de las salidas se conecta a una carga absorbente, la otra puede utilizarse como fuente de alimentación del sistema de medición de intermodulación pasiva. 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 de combinación de potencia uno.
La zona de canalización direccional como otra aplicación de la combinación de potencia se muestra en la figura (a) a continuación. En este circuito, la directividad del acoplador direccional se ha aplicado de forma ingeniosa. Suponiendo que los grados de acoplamiento de los dos acopladores son ambos de 10 dB y la directividad es ambos 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 ambas de -10 dBm. Comparado con el acoplador Wilkinson en la figura (b) a continuación (su valor de aislamiento típico es de 20 dB), la misma señal de entrada de 0 dBm, después de la síntesis, hay -3 dBm (sin considerar la pérdida de inserción). Comparado 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 figura (b). En este momento, el aislamiento entre f1 y f2 en la figura (a) disminuye en 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 intermodulación de diez amplificadores.
En el sistema de combinación de potencia 2 se utiliza un acoplador direccional.
2, utilizado para la medición de antiinterferencias del receptor o medición de señales espurias
En los sistemas de prueba y medición de RF, es frecuente observar el circuito que se muestra en la figura siguiente. Supongamos que el dispositivo o equipo 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. A continuación, un probador integrado conectado a través del acoplador direccional puede medir la resistencia del receptor a la interferencia. Si el DUT es un teléfono celular, se puede activar el transmisor del teléfono mediante un probador integral conectado al extremo de acoplamiento del acoplador direccional. Posteriormente, se puede utilizar un analizador de espectro para medir la señal espuria de salida del teléfono. Por supuesto, se deben agregar algunos circuitos de filtrado antes del analizador de espectro. Dado que este ejemplo solo analiza la aplicación de acopladores direccionales, se omite el circuito de filtrado.
El acoplador direccional se utiliza para la medición de la altura del receptor o de las señales espurias del teléfono celular, con el fin de evitar interferencias.
En este circuito de prueba, la directividad del acoplador direccional es muy importante. El analizador de espectro conectado al extremo de paso solo necesita recibir la señal del dispositivo bajo prueba (DUT) y no la contraseña del extremo de acoplamiento.
3, para muestreo y monitorización de señales
La medición y monitorización en línea del transmisor puede ser una de las aplicaciones más utilizadas de los acopladores direccionales. La siguiente figura muestra una aplicación típica de acopladores direccionales para la medición de estaciones base celulares. Supongamos que la potencia de salida del transmisor es de 43 dBm (20 W), el acoplamiento del acoplador direccional. La capacidad es de 30 dB, la pérdida de inserción (pérdida de línea más pérdida de acoplamiento) es de 0,15 dB. El extremo del acoplamiento tiene una señal de 13 dBm (20 mW) enviada al probador de la estación base, la salida directa del acoplador direccional es de 42,85 dBm (19,3 W), y la fuga es La potencia en el lado aislado es absorbida por una carga.
El acoplador direccional se utiliza para la medición en la estación base.
Casi todos los transmisores utilizan este método para el muestreo y la monitorización en línea, y quizás solo este método pueda garantizar la prueba de rendimiento del transmisor en condiciones normales de funcionamiento. Sin embargo, cabe señalar que, si bien la prueba del transmisor es la misma, los distintos evaluadores tienen diferentes necesidades. 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, la potencia en el canal adyacente, etc. Bajo esta premisa, los fabricantes instalarán 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 en la banda y enviar la información al centro de control en cualquier momento.
Si se trata del regulador del espectro radioeléctrico (la estación de monitoreo de radio) para probar los indicadores de la estación base, su enfoque es completamente diferente. De acuerdo con los requisitos de la especificación de gestión de radio, el rango de frecuencia de prueba se extiende de 9 kHz a 12,75 GHz, y la estación base probada es tan amplia. ¿Cuánta radiación espuria se generará en la 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 un acoplador direccional que pueda cubrir 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 puede cubrir la banda de frecuencia por debajo de 500 MHz.
4. Medición de potencia en línea
En la tecnología de medición de potencia de paso, el acoplador direccional es un componente fundamental. 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 en el extremo de acoplamiento directo (terminal 3) del acoplador direccional y se envía al medidor de potencia. La potencia reflejada se muestrea en el terminal de acoplamiento inverso (terminal 4) y también 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 en la dirección directa (terminal 1), debido a la directividad del acoplador direccional. El medidor busca medir la energía reflejada, mientras que la potencia de fuga es la principal fuente de errores en su medición. La potencia reflejada y la potencia de fuga se superponen en el extremo de acoplamiento inverso (terminal 4) y se envían al medidor de potencia. Dado que las trayectorias de transmisión de ambas señales son diferentes, se trata de una superposición vectorial. Si la potencia de fuga que llega al medidor se compara con la potencia reflejada, se producirá un error de medición significativo.
Por supuesto, la potencia reflejada de 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