Acoplador direccional

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Acoplador direccional
Acoplador direccional 10 dB RF, conectores N, de Microlab/FXR. De izquierda a derecha: puertos entrada, acoplado, aislado (terminado en una carga) y transmitido.

Divisores de potencia y acopladores direccionales

Divisores de potencia y acopladores direccionales son dispositivos pasivos usados en el campo de la radio tecnología. Estos dispositivos acoplan 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.

Contenido

Líneas de transmisión del acoplador

Puertos-acopladores.gif

Como se muestra en la figura 1, un acoplador tiene 4 puertos: entrada, salida, acoplado y aislado. El t√©rmino ‚Äúl√≠nea principal‚ÄĚ se refiere a la l√≠nea entre los puertos 1 y 2. En algunos acopladores direccionales, la l√≠nea principal est√° dise√Īada para operar en alta potencia (grandes conectores), mientras que el puerto acoplado puede usar un conector peque√Īo SMA. A menudo el puerto aislado est√° conectado a una carga adaptada, interna o externa (normalmente 50 ohms). Deber√≠a tenerse en cuenta que el acoplador direccional, al ser un dispositivo linear, la notaci√≥n de la Figura 1 es arbitraria. Cualquier puerto puede ser la entrada, de este modo la salida seria el puerto al que est√° 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 informaci√≥n (por ejemplo frecuencia y nivel de potencia) de la se√Īal sin interrumpir el flujo de principal en el sistema ( a excepci√≥n de la reducci√≥n de potencia ‚Äď ver Figura 2). 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 l√≠nea de transmisi√≥n principal est√° tambi√©n 3 dB por debajo de la de entrada y es igual a la potencia acoplada. Este tipo de acopladores son los llamados h√≠bridos de 90 grados, h√≠bridos 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: C_{3,1} = -10 \log{\left( \frac{P_3}{P_1} \right)} \quad \rm{dB}

Donde P1 es la potencia de entrada en el puerto 1 y P3 es la potencia de salida en el puerto acoplado (ver Figura 1)

El factor de acoplamiento representa la propiedad primaria de un acoplador direccional. El acoplamiento no es constante, varia con la frecuencia. Mientras que varios dise√Īos pueden reducir esta variaci√≥n , es imposible construir un acoplador perfecto sin ninguna variaci√≥n a la frecuencia. Los acopladores direccionales son especificados en t√©rminos de exactitud en la frecuencia central de la banda de operaci√≥n. 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 precisi√≥n es debida a las tolerancias dimensionales en la separaci√≥n entre las dos l√≠neas acopladas. Otra especificaci√≥n es la sensibilidad a la frecuencia. Una mayor sensibilidad a la frecuencia permitir√° una banda de frecuencias operativa m√°s ancha. Se usan m√ļltiples secciones de acoplamiento de un cuarto de longitud de onda para obtener un mayor ancho de banda de frecuencia. Normalmente este tipo de acoplador direccional es dise√Īado para una relaci√≥n de ancho de banda de frecuencia y para un m√°ximo de ondulaci√≥n de acoplamiento dentro de la banda de frecuencias. Por ejemplo, un t√≠pico dise√Īo de acoplador con un ancho de banda de frecuencia de 2:1 que produce un acoplamiento de 10 dB con una ondulaci√≥n de +/- 0.1 dB, utilizando la especificaci√≥n previa de exactitud, tendr√≠a un acoplamiento de 9.6 +/- 0.1 dB hasta 10.4 +/- 0.1 dB a lo largo del rango de frecuencias.

Pérdidas

En un acoplador direccional ideal, las p√©rdidas de la l√≠nea principal desde el puerto 1 al puerto 2 (P1 ‚Äď P2) debido a la potencia acoplada al puerto de salida acoplado son:

Pérdidas por inserción: L_{2,1} = 10 \log{\left(1 - \frac{P_3}{P_1} \right)} \quad \rm{dB}

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. En la Figura 2 se muestra un gráfico con la relación teórica entre las pérdidas por inserción (dB) y el factor de acoplamiento (dB).

Perdidas acoplam.gif

Aislamiento

El aislamiento de un acoplador direccional puede ser definido como la diferencia en n√≠veles de se√Īal, en dB, entre el puerto de entrada y el puerto aislado, estando los otros dos puertos conectados a cargas adaptadas, o:

Aislamiento: I_{4,1} = -10 \log{\left( \frac{P_4}{P_1} \right)} \quad \rm{dB}

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: I_{3,2} = -10 \log{\left( \frac{P_3}{P_2} \right)} \quad \rm{dB}

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 est√°n disponibles, se puede asumir que son iguales. Si no est√°n disponibles ninguna de las dos, se puede estimar el aislamiento por la suma del factor de acoplamiento mas las p√©rdidas de retorno (ROE). El aislamiento deber√≠a ser lo m√°s alto posible. En los acopladores actuales, el puerto aislado nunca est√° completamente aislado. Siempre estar√° presente alguna se√Īal de RF. Los acopladores direccionales de gu√≠a de onda son los que tienen el mejor aislamiento.

TestRecep.gif

Si el aislamiento es alto, el acoplador direccional es excelente para combinar se√Īales y alimentar una sola l√≠nea hacia un receptor para realizar tests de recepci√≥n de dos tonos. En la Figura 3 una se√Īal entra por el puerto P3, otra por el puerto P2, y las dos salen por el puerto P1. La se√Īal que pasa del puerto P3 al puerto P1 tendr√° unas p√©rdidas de 10 dB, y la se√Īal que va del puerto P2 al puerto P1 tendr√° 0.5 dB de p√©rdidas. La carga interna del puerto aislado disipar√° las p√©rdidas de se√Īal desde el puerto P3 hasta el puerto P2. Si los aislamientos de la Figura 3 son ignorados, la medida de aislamiento (del puerto P2 al puerto P3) determina la cantidad de potencia del generador de se√Īal F2 que ser√° inyectada hacia el generador de se√Īal F1. A medida que el nivel de inyecci√≥n se incrementa, se puede producir modulaci√≥n del generador de se√Īal F1, o incluso inyecci√≥n de bloqueo de fase. Debido a la simetr√≠a del acoplador direccional, la inyecci√≥n reversa se producir√° con los mismos posibles problemas de modulaci√≥n del generador de se√Īal F2 por F1. Adem√°s los aisladores son usados en la Figura 3 para incrementar efectivamente el aislamiento ( o directividad) del acoplador direccional. Consecuentemente las p√©rdidas por inyecci√≥n ser√°n debidas al aislamiento del acoplador direccional m√°s el aislamiento inverso de los aisladores.

Directividad

La directividad est√° directamente relacionada con el aislamiento, y es definida por:

Directividad: D_{3,4} = -10 \log{\left( \frac{P_4}{P_3} \right)} = -10 \log{\left( \frac{P_4}{P_1} \right)}+ 10 \log{\left( \frac{P_3}{P_1} \right)}\quad \rm{dB}


donde: P3 es la potencia de salida del puerto acoplado y P4 es la potencia de salida del puerto aislado.

La directividad deber√≠a ser lo m√°s alta posible. La directividad es muy alta en la frecuencia de dise√Īo y es una funci√≥n m√°s sensible a la frecuencia debido a que depende a la cancelaci√≥n de dos componentes de la oscilaci√≥n. Los acopladores direccionales de onda de gu√≠a son los que mejor dirctividad tienen. La directividad no es medible directamente, es calculada a partir de la diferencia entre las medidas de aislamiento y acoplamiento:

D_{3,4} = I_{4,1} - C_{3,1} \quad \rm{dB}

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 versi√≥n m√°s barata de este tipo de acopladores se suele utilizar tambi√©n en el hogar, para dividir las se√Īales de TV y FM, por cable o por aire, hacia las diferentes habitaciones, y tambi√©n para los dispositivos sin un passthrough hacia el equipo de TV. Un puerto est√° etiquetado como entrada, mientras que los otros dos, tres o cuatro est√°n etiquetados como salidas, a menudo con los dB de p√©rdida de cada uno. Uno de estos puede tener menos p√©rdidas que los otros, el cual pude tener conectado otro splitter, o el cable coaxial m√°s largo hacia la habitaci√≥n m√°s 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.

En ingeniería de transmisión, los acopladores diferencia-amplitud son usados para crear relleno nulo.

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.

Combinador.gif

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 energia 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).

Si se usan l√≠neas adaptadas en fase para una entrada de antena hacia un acoplador de 180 grados, como se muestra en la Figura 4, se producir√° un nulo directamente entre las antenas. Para recibir una se√Īal en esta posici√≥n se deber√≠a cambiar el tipo de h√≠brido o la longitud de la l√≠nea. Esta es una buena aproximaci√≥n para rechazar una se√Īal desde una direcci√≥n determinada o para crear el patr√≥n de diferencia para un radar monopulso.

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 interferéncias skywave a una estación en la dirección opuesta.

Otros divisores de potencia

Ambos acopladores h√≠bridos, Wilkinson y en cuadratura (90¬ļ) pueden ser utilizados para aplicaciones con divisores de potencia coherente. El divisor de potencia Wilkinson tiene una baja ROE en todos los puertos y alto aislamiento en los puertos de salida. Las impedancias de entrada y de salida en cada puerto son dise√Īadas para ser iguales a la impedancia caracter√≠stica del sistema de microondas.

Divisor.gif

A la derecha se muestra un divisor de potencia t√≠pico. Idealmente, la potencia de entrada seria dividida por igual entre los puertos de salida. Los divisores est√°n fabricados con m√ļltiples acopladores, y, al igual que estos, pueden invertirse y utilizarse como multiplexadores. La cuesti√≥n es que para un multiplexador de cuatro canales, la salida consiste en solo ¬ľ de potencia de cada uno, por lo que es relativamente ineficiente. Multiplexar con pocas p√©rdidas solo se puede conseguir con redes de filtros.

Al principio, la divisi√≥n de potencia coherente se consigui√≥ a trav√©s de simples uniones T. En las frecuencias de microondas, las gu√≠as de onda en T tienen dos formas posibles- plano E y plano H. Estas dos uniones separan la potencia por igual, pero debido a las diferentes configuraciones de campo en la uni√≥n, en los brazos de salida, los campos el√©ctricos est√°n en fase en la T de plano H y en antifase en la T de plano-E. La combinaci√≥n de estas dos T's para formar un h√≠brido permiti√≥ la realizaci√≥n de un componente de cuatro puertos el cual pod√≠a realizar la suma vectorial y la diferencia de dos se√Īales de microondas coherentes. El dispositivo es conocido como la T m√°gica.

Combinadores de potencia

Debido a que los circuitos h√≠bridos son bidireccionales, pueden ser utilizados para dividir una se√Īal y alimentar m√ļltiples amplificadores de baja potencia, despu√©s recombinarlas y alimentar una sola antena con alta potencia como se muestra en la figura 6.

Red combinadora.gif

Esta aproximación permite el uso de numerosos amplificadores de baja potencia, menos caros, en el circuito en lugar de un solo TWT de alta potencia. Otro enfoque es alimentar una antena con cada amplificador de estado sólido (SSA) y permitir que la potencia sea combinada en el espacio, o ser usada para alimentar una lente la cual estaría conectada a una antena.

Acopladores direccionales de baja frecuencia

Para las frecuencias m√°s bajas es posible una implementaci√≥n compacta de banda ancha mediante acopladores unidireccionales (transformadores). En la figura se muestra un circuito para acoplamiento d√©bil y que puedes ser entendido a lo largo de estas l√≠neas: Una se√Īal entra por uno de los pares de l√≠neas. Un transformador reduce el voltaje de la se√Īal y el otro reduce la corriente. Adem√°s la impedancia est√° adaptada. El mismo argumento vale para cada direcci√≥n de la se√Īal a trav√©s del acoplador. El signo relativo del voltaje inducido y la corriente determina la direcci√≥n de la se√Īal de salida.

Directional coupler.png

Para un acoplamiento 3 dB, con una divisi√≥n igual de la se√Īal, otro punto de vista puede ser m√°s apropiado: Dos de los pares de l√≠neas son combinados en una l√≠nea polif√°sica. Se puede utilizar un transformador polif√°sico para redistribuir la se√Īal en un grupo de l√≠neas rotadas 45¬ļ

Referencias

Este art√≠culo es una traducci√≥n del original en ingl√©s, el cual incorpora material de dominio p√ļblico del documento Electronics Warefare and Radar Systems Engineering Handbook (report number TS 92-78) de Avionics Departament of the Naval Air Warfare Center Weapons Division.


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Mira otros diccionarios:

  • Antena ‚ÄĒ Saltar a navegaci√≥n, b√ļsqueda Para otros usos de este t√©rmino, v√©ase Antena (desambiguaci√≥n). Antena de onda corta Cortina , Moosbrunn, Austria ‚Ķ   Wikipedia Espa√Īol

  • Adobe InDesign ‚ÄĒ Desarrollador Adobe Systems http://www.adobe.com/es/products/indesign/index.html Informaci√≥n general √öltima versi√≥n estable ‚Ķ   Wikipedia Espa√Īol


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