Escuela Superior Politecnica De Chimborazo

Facultad de Informática y Electrónica

Escuela de Ingeniería Electrónica en

Telecomunicaciones y Redes

Ingeniería en Electrónica, Telecomunicaciones y

Redes

Nivel: Cuarto “A”

Asignatura: Teoria Electromagnetica II

Tema: Acopladores Direccionales

Estudiantes:

- Cristian Jacho- Felipe Valle- Mayra Carrillo- Jhonatan Illapa

Septiembre 2013 – Febrero 2014

TEMA: Acopladores Direccionales

Objetivos

Conocer los diferentes tipos de acopladores direccionales. Investigar el funcionamiento y las aplicaciones de los diferentes tipos de

acopladores

Marco Teórico:

Acoplador Direccional

Definición

Es un componente pasivo de radiofrecuencia, Dispositivo que permite detectar y separar las ondas incidente y reflejadas presentes en una línea de transmisión. Trabaja frecuencias desde 10KHz hasta 18GHz.

El acoplador es un componente pasivo que posee cuatro puertos definidos Puerto entrada (P1): Puerto por dónde se inyecta la señal de entrada. Puerto de salida (P2) : Puerto por el que se extrae la señal de salida . Puerto acoplado (P3): Puerta acoplada, por donde obtenemos una muestra de la señal de entrada.Puerto aislado (P4): Puerto que debe estar cargado con la impedancia característica del acoplador (generalmente 50 Ω)

Parámetros básicos del acoplador direccional

Acoplamiento Directividad Aislamiento

Acoplamiento: El factor de acoplamiento es definido como:

Donde P1 es la potencia de entrada en el puerto 1 y P3 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

Directividad: La directividad está directamente relacionada con el aislamiento, y es definida por:

Donde: P3 es la potencia de salida del puerto acoplado y P4 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 de la cancelación de los componentes de la oscilación. Los acopladores direccionales de guía de onda 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:

.

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.

Funcionamiento

La función básica del acoplador direccional consiste en obtener permanentemente una muestra de la señal de entrada y por lo tanto la señal de salida pero con una potencia mucho menor, esta potencia estará directamente relacionada con el valor del acoplamientoSe utiliza también como un elemento fundamental para realizar medidas indirectas de grandes potencias, atreves del puerto acoplado

Aplicaciones Los acopladores direccionales se utilizan para redistribuir señales, para proporcionar puntos de prueba (test point), para combinar señales, Radares etc., incluso pueden formar parte de un amplificador.

ACOPLADORES EN LÍNEA COAXIALEl tipo más frecuente de acoplador direccional es el de líneas acopladas, el tramo de acoplamiento se produce mediante bloques metálicos adosados al conductor interno.En los diseños básicos este tramo tiene una longitud de λ/4 o un múltiplo de esta cantidad. Tanto el factor de acoplo como el ancho de banda dependen de esta longitud asi como de la proximidad entre 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, agracias 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 el nombre de acopladores bidireccionales

En el diseño de tres puertas tiene la ventaja que la señal por la puerta tres no se ve afectada por el posible desacoplo de la puerta 4, sin embrago la desventaja es que no podemos obtener

simultáneamente la potencia reflejada y la incidente debido a la cual tenemos menos versatilidad.

ACOPLADORES EN GUÍA DE ONDA Acoplador de Bethe-hole: Está compuesto por dos guías de onda de sección rectangular acopladas mediante un orificio en el plano común a ambas. Una versión de este acoplador es en al que tenemos dos secciones de guía rectangular paralelas entre si se comunican a través de un agujero practicado en sus respectivas caras anchas

Es posible minimizar la potencia que pasa a la puerta asilada 4 y maximizar la que se transmite a la acoplada 3, seleccionando la distancia del agujero a las caras laterales, la distancia optima puede determinarse a partir de:

Donde s es la distancia centro del agujero a la cara lateral más próxima, al ancho de la guía y λo la longitud de onda en el vacío

El factor de calidad

Donde r0 es el radio del agujero y Z10 es la impedancia del modo TE10 y

Y la directividad

En el otro diseño de este acoplador tenemos la siguiente figura

Se pueden optimizar las potencias de salida modificando el angula. Si el agujero se encuentra centrado en la cara ancha de la guía, el ángulo optimo viene dado por

Y el factor de calidad se reduce a

El principal problema del acoplador Behe-hole es que tiene una directividad fuertemente dependiente de la frecuencia y por tanto su utilidad está limitada a aplicaciones de banda estrecha

ACOPLADOR DE DOBLE AGUJERO

Una de los diseños más intuitivos de acopladores direccionales es el acoplador de doble agujero. Este componente está compuesto fundamentalmente por dos oricios de acoplamiento que comunican ambas guías. La señal incidente en la puerta 1 se acopla a través de los dos orificios, de forma que los caminos recorridos por la señal hacia la puerta 3 tienen la misma longitud eléctrica y por tanto se produce una suma en fase de los campos excitados a través de los dos agujeros. La señal reflejada que entra por la puerta 2 se acopla también, pero en este caso el recorrido es diferente. Al ser la distancia entre orificios de λ/4, ambas señales se suman en contrafase y se cancelan. La señal a la salida es proporcional a la onda incidente en la puerta 1 y no depende de la señal en la 2. De la misma forma, en la puerta 4 se obtiene una señal proporcional a la que entra en la puerta 2 e independiente de la que entra por la 1.

Es posible determinar una expresión semilla para el factor de acoplo y la directividad en función de las amplitudes de las ondas que se acoplan a la guía superior. Sean bf y br, las amplitudes de las ondas acopladas directas e inversas, respectivamente, en el primer agujero. Para mayor simplicidad asumiremos que esta amplitudes están normalizadas a la amplitud de la señal de entrada, y que el acoplo es suficientemente débil como para despreciar la caída de señal en la puerta 2. En estas circunstancias, si d es la distancia entre agujeros, las ondas acopladas directa e inversa en el segundo agujero serán, respectivamente.

Dado que en la puerta acoplada se suman en fase las dos ondas directas, el factor de acoplo será

Por otra parte la directividad será

Tal y como puede apreciarse. C sólo depende de la amplitud relativa de la onda acoplada. Esta amplitud es poco dependiente de la frecuencia, y por tanto el factor de acoplo de estos componentes presenta una respuesta prácticamente plana en toda su banda de operación. Sin embargo la directividad tiene dos contribuciones, la segunda de las cuales es fuertemente dependiente de la frecuencia. A la frecuencia de diseño. D se hace infinita a causa de este factor, pero a frecuencias distintas puede hacerse incluso más pequeña que el propio factor de acoplo.

Es posible conseguir anchos de banda mayores que los que alcanza el acoplador de doble agujero utilizando acopladores de múltiples agujeros. En estos componentes todos los agujeros están equiespaciados, se encuentran a la misma distancia de la pared lateral y tienen radios que dependen de series binomiales o de Chebyshev. La suma y cancelación de señales se produce esencialmente por parejas de agujeros, y por tanto el número total de estos suele ser par. Análogamente a como ocurre con los filtros de baja frecuencia, los acopladores binomiales presentan una directividad de máxima planitud, mientras que en los de Chebyshev se obtiene una directividad con un rizado uniforme.

ACOPLADOR RIBLET SHORT-SLOT

El acoplador de Riblet short slot. Este acoplador, diseñado en 1952 por Riblet, consiste en dos secciones de guía rectangular que comparten una de sus caras laterales. El acoplo está basado en los modos TE10, y TE20. Los campos totales en la discontinuidad son esencialmente una superposición de ambos modos, y su configuración es tal que se cancela la señal en la puerta 4 y se maximiza en la 3.

La longitud de la sección de interacción se puede variar para obtener distintos factores de acoplo. No obstante, para evitar que se genere el modo parásito TE30, esta longitud debe ser inferior al doble del ancho de la guía. Este tipo de componentes suele diseñarse para un factor de acoplo de 3 dB.

El núcleo del acoplador Riblet (sin considerar las interfaces de entrada/salida) tiene dos planos de simetría y su teoría general se describe en términos de los modos par e impar, (modos TE10, y TE20, respectivamente, de la región de acoplo). En esta región se pueden introducir elementos capacitivos como pines o tornillos de sintonía con objeto de conseguir el balance de la fase requerido entre los dos modos. En cualquier caso, la estructura puede ser diseñada también sin esos elementos para simplificar el mecanizado y además evitar otros efectos indeseados cuando el dispositivo deba manejar potencias elevadas.

La función básica de acoplador consiste en obtener permanentemente una muestra de la señal de entrada, y por lo tanto de la señal de salida, pero con una potencia mucho menor. Esta potencia estará directamente relacionada con el valor del acoplamiento.

Se utiliza también como un elemento fundamental para realizar medidas indirectas de grandes potencias, a través del puerto acoplado

Acoplador de fase invertida se Schwinger

El acoplamiento se realiza a través de dos estrechas ranuras que están separadas a una

distancia de .De este modo se consigue una cancelación de señales en la puerta aislada, que en este caso se encuentra en el mismo plano de la puerta de salida, a diferencia de como ocurre con los acopladores de múltiples agujeros. Una característica que también diferencia al acoplador de schwinger de los múltiples agujeros es que en el de Schwinger el factor de acoplo suele ser más sensible con la frecuencia de directividad.

La cancelación de señales en la puerta aislada es el resultado directo de que el campo radiado en una de las ranuras tiene un desfase de 180º respecto al radiado de la otra. Utilizando esta propiedad y siguiendo el mismo razonamiento que el descrito en el acoplador de doble agujero, se puede comprobar que la señal en la puerta 4 se cancela, mientras que la se transmite a la 3 es máxima.

El Schwinger es un acoplador hacia atrás. Este diseño presenta la ventaja de una respuesta directividad sustancialmente plana y la desventaja de un acoplamiento fuertemente dependientes de la frecuencia con respecto al acoplador Bethe-agujero, que tiene poca variación en el factor de acoplamiento.

ACOPLADOR DIRECCIONAL DE GUÍA MORENOel acoplador de guía moreno consta de dos guías de onda superpuestas con cuatro uniones, acoplada entre sí por sus partes medias compartiendo dos orificios cruciformes y separadas a una distancia de un cuarto de longitud de onda, de modo tal que una señal que se propaga por una de las guías de onda, será transferida a la otra guía.

FIGURA 1.14 ACOPLADOR DIRECCIONAL

La señal incidente en la puerta 1 se acopla a través de los dos orificios, de forma que los caminos recorridos por la señal hacia la puerta 3 tienen la misma longitud eléctrica y por tanto se produce una suma en fase de los campos excitados a través de los dos agujeros. La señal reflejada que entra por la puerta 2 se acopla también, pero en este caso el recorrido es diferente. Al ser la distancia entre el orificio de λg/4, ambas señales se suman en contrafase y se cancelan. La señal a la salida es proporcional a la onda incidente en la puerta 1 y no depende de la señal 2. De la misma forma, en la puerta 4 se obtiene una señal proporcional a la que entra por la puerta 2 e independiente a la que entra por la puerta 1.

Aplicaciones

Estos componentes se utilizan para realizar medidas de potencia, señal reflejada y coeficiente de reflexión sin alterar la transmisión de señales.

El Microstrip es un tipo de línea de transmisión eléctrica que pueden ser fabricados utilizando placa de circuito impreso [PCB], y se utiliza para transmitir señales de microondas.

Consiste en una franja de conducción separada de la franja de masa por una capa de sustrato dieléctrico. Componentes de Microondas, tales como antenas, acopladores, filtros, divisores, etc pueden formarse a partir de microstrip, haciendo dicho componente como una metalización sobre el sustrato. El Microstrip hasta ahora es más barato que la tecnología tradicional de guía de onda, además de ser mucho más ligero y compacto.

Las desventajas de microstrip en comparación con la guía de onda son: su baja capacidad de manejo de energía y el hecho de tener mayores pérdidas. Además, a diferencia de la guía de onda, no está cerrada y por lo tanto es susceptible de captar gran cantidad de ruido

Para abaratar costos, los microstrips pueden ser construidos sobre un sustrato ordinario FR4 (estándar PCB). Sin embargo, se encontró que las pérdidas dielectricas en FR4 son demasiado elevados a nivel de microondas, y que la constante dieléctrica no está suficientemente bien controlada.

Las líneas de Microstrip también se utilizan en diseños PCB digitales de alta velocidad, donde las señales deben ser enrutadas de una parte a la otra con la mínima distorsión posible, evitando el ruido y las interferencias de radiación

Impedancia característica

Forma aproximada de la expresión de impedancia característica de un microstrip desarrollado por Wheeler:

Análisis y Diseño de Dispositivos Pasivos de Microondas en Tecnologías Planar e Híbrida (Guías SIW)

En el grupo también se dispone de capacidades para el análisis y diseño de circuitos pasivos de microondas implementados en tecnología planar (microstrip y coplanar), así como en la prometedora tecnología híbrida de guías integradas en substrato dieléctrico (SIW), ambas de amplia utilización práctica en sectores de comunicaciones móviles (GSM y UMTS), inalámbricas

(LMDS, MVDS y FWA) y espaciales (etapas de entrada). En el marco de esta línea de I+D se llevan a cabo las siguientes actividades:

1. Generación de nuevos métodos de análisis electromagnético riguroso (full-wave) y eficiente de componentes planares y en tecnología SIW, basados en métodos híbridos que c006Fmbinan técnicas de adaptación modal (mode-matching) y de ecuación integral (Método de los Momentos y BI-RME 2D).

2. Manejo práctico de programas comerciales de análisis electromagnético full-wave (se dispone de licencias de uso de ANSYS Designer, Ansoft HFSS y COMSOL MultiPhysics) para el diseño práctico (combinando métodos de síntesis circuital y algoritmos avanzados de optimización) de componentes pasivos de alta frecuencia en tecnologías planar y SIW (por ejemplo filtros con respuestas avanzadas y transiciones, ver fotos).

3. Diseño optimizado mediante técnicas de mapeo espacial agresivo (que combinan modelos equivalentes circuitales con simuladores EM comerciales) de nuevas líneas de transmisión y dispositivos compactos (filtros, divisores e híbridos) basados en metamateriales (medios zurdos). Estos dispositivos (ver filtro en tecnología coplanar en fotos) se basan en líneas de transmisión cargadas con circuitos resonantes de tipo CL o con anillos resonantes (SRR).

4. Diseño práctico, incluyendo fabricación de prototipos (con equipamiento propio de la UPV, ver fotos) y medidas experimentales de dispositivos pasivos (filtros, diplexores y multiplexores, divisores de potencia, acopladores e híbridos, y redes de alimentación de antenas) en tecnologías planar e híbrida para sistemas de comunicaciones de alta frecuencia (microondas).

5. Predicción de efectos de descarga de RF (multipaction y corona) en componentes planares a empelar en aplicaciones espaciales, combinando algoritmos de simulación EM full-wave y física de partículas. Haciendo uso de las instalaciones propias del grupo, y de las compartidas con la Agencia Espacial Europea y el Consorcio Espacial Valenciano, se realizan medidas experimentales de dichos fenómenos de descarga de RF.

MPC y HMIC

En 1951, aparece la tecnología MPC, cuyo significado se puede traducir por circuitos impresos de microondas. Se basaba en la tecnología stripline, que destaca por una línea de configuración planar y un cable coaxial modificado. Destacaban porque eran ligeros, de fácil fabricación y su producción tenía un coste barato. Su sustrato estaba hecho de teflón (PTFE).

Las diferentes aplicaciones de la tecnología se muestran a continuación:

En 1952, se crea la tecnología Microstrip, y con ella, se desarrolla otra tecnología, la HMIC, circuitos integrados de microondas híbridos. Las claves fueron el desarrollo de los transistores FET frente a los BJT, ya que eran más pequeños, se podía trabajar a más alta frecuencia e introducían menos ruido. El sustrato estaba compuesto de alúmina. Un punto a destacar es que esta tecnología posee una capa de metalización de sus conductores, líneas de transmisión y componentes discretos, como son resistencias, condensadores, inductores… pegadas al sustrato.

Las propiedades que destacan de la tecnología HMIC se pueden resumir en la siguiente lista:

• Creación de la tecnología a una escala muy pequeña.

• Sustratos de alta permitividad.

• Gran nivel de integración.

• Producción a gran escala.

Conclusión

Se ha presentado a los acopladores su diseño su funcionamiento y como mantiene una señal de entrada la distribuye en sus diferentes salidas con una potencia con el valor de acoplamiento

Recomendaciones

Revisar detenidamente los diferentes acopladores e implementar el más óptimo para el circuito o sistema que deseamos montar

Revisar los cálculos matemáticos ya que de eso dependerá el óptimo funcionamiento del acoplador

BIBLIOGRAFIA

Ingeniería de microondas: técnicas experimentales capítulo 7 MicrowavesBy K. C. Gupta pag27 hasta pag33 http://agamenon.tsc.uah.es/Asignaturas/it/caf/apuntes/Tema4_0708.pdf http://personal.us.es/boix/uploads/pdf/tecnicas_electrodinamica/

guias_ondas_prot.pdf http://maxwell.ugr.es/innov/visua0506/librorgomez/cap15_193-208.pdf