Divisores de Potencia y Acopladores Direccionales.

Introducción

En muchas aplicaciones de microondas se quiere dividir o combinar potencia en tres o más puertos:

Los divisores de potencia: reparten la potencia entre los puertos de salida. Normalmente reparten a partes iguales (divisor de 3 dB).

Los acopladores: se pueden diseñar con relaciones de división de potencia arbitrarias.

Los híbridos: reparten la potencia proporcionando además un desfase de 90º ó 180º entre las salidas.

Divisores de potencia

Reparten la potencia entre los puertos de salida.

Propiedades de las redes de 3 puertos (abajo):

Interesaría analizar los siguientes 3 parámetros: la Red recíproca en matriz simétrica, la Red sin pérdidas en matriz unitaria y todos los puertos adaptados en diagonal de ceros; pero no se puede lograr.

Una red de tres puertos sin pérdidas y con todos los puertos adaptados no es recíproca dando un circulador. Generalmente se busca reciprocidad en los divisores porque o no se adaptan todos los puertos o se tienen pérdidas.

Acopladores de potencia

El acoplador direccional es un componente pasivo de radiofrecuencia con cuatro puertos definidos como:

• Puerto de entrada (P1): Puerto por dónde se inyecta la señal.

• Puerto de salida (P2): Puerto por el que se extrae la señal de salida.

• Puerto acoplado: (P3): Puerto por el que se obtiene una muestra de la señal de entrada.

• Puerto aislado (P4): Puerto que debe estar cargado con la impedancia característica del acoplador (generalmente 50 Ω). Por regla general, el puerto aislado tiene la carga integrada internamente, con lo que a efectos prácticos el acoplador direccional se ve físicamente como un elemento de tres puertos.

FUNCIÓN BÁSICA

La función básica del acoplador direccional 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.

Dada esta función, el acoplador direccional se utiliza por ejemplo, para poder monitorizar la señal que un transmisor (por ejemplo en una BTS) está enviando a una antena, sin necesidad de interrumpir la conexión entre el transmisor y el feeder de la antena.

Por otro lado, el acoplador direccional se utiliza también como un elemento fundamental para realizar medidas indirectas de grandes potencias, a través del puerto acoplado (ver aplicaciones).

PARÁMETROS BÁSICOS DEL ACOPLADOR DIRECCIONAL

Además del conjunto de parámetros que definen a cualquier tipo de sistema de radiofrecuencia, los parámetros característicos de un acoplador direccional son:

• Acoplamiento • Frecuencia de trabajo • Directividad • Aislamiento • Pérdidas de inserción y por acoplamiento

Acoplamiento (C): Es el parámetro que caracteriza al acoplador direccional y se define como la relación entre la potencia que se inyecta en el puerto de entrada(P1) y la potencia que aparece en el puerto acoplado (P3), cuando los puertos P2 y P4 se encuentran cargados con su impedancia característica. C(dB)= - 10 log (P1/P3)

Por ejemplo, si inyectamos 1W por el puerto de entrada P1 o lo que es lo mismo 30dBm y obtenemos 1 mW en el puerto acoplado, o lo que es lo mismo 0 dBm,tendremos un acoplamiento (C) de -30 dB.

Si ignoramos las pérdidas de transmisión del dispositivo, la potencia de salida por el puerto P2 será de 0.999 W; o lo que es lo mismo 29.995 dBm. Frecuencia de trabajo: Como la gran mayoría de dispositivos de radiofrecuencia, las características del dispositivo se mantienen sólo en una determinada banda de frecuencias.

Por lo tanto, el acoplamiento es un parámetro que varía con la frecuencia y los fabricantes nos darán el dato del acoplamiento para la frecuencia central de una determinada banda de trabajo y lo expresarán en general de la siguiente forma:

Por ejemplo “ Acoplamiento nominal: 10 ± 0.5 dB” Aislamiento (I): Es la relación entre las potencias entre el puerto de salida (P2) y el puerto acoplado (P3), cuando se inyecta señal por P2 y se mantienen cargados P1 y P4 con su impedancia característica (generalmente 50 Ω). El aislamiento nos dará una idea de la fracción de potencia reflejada que aparecería en el puerto acoplado.

Por ejemplo, si un acoplador direccional tiene un aislamiento de -60 dB, quiere decirse que si inyecto 30 dB (1W) por el puerto de salida (P2), obtendré -30 dBm (0.01 mW) en el puerto acoplado (P3).

Por lo tanto, cuanto mayor sea este parámetro en valor absoluto, más pequeña será la fracción de potencia reflejada que aparecerá en el puerto acoplado. Directividad (D): Es la capacidad del acoplador para transferir potencia desde su puerto de entrada hasta el puerto acoplado y de rechazar la potencia que pueda venir del puerto de salida debido a las reflexiones.

La directividad es un parámetro que da una idea de la calidad del acoplador direccional (a igualdad de acoplamiento); cuanto mayor sea la directividad en valor absoluto, mejor se puede considerar el acoplador.

La directividad puede calcularse como la diferencia entre los valores absolutos del aislamiento y el acoplamiento; es decir,

D = ǁ I ǁ - ǁ C ǁ (dB)

Por ejemplo, si tenemos un acoplador con un grado de acoplamiento de -30 dB y un aislamiento de -60 dB, éste tendrá una directividad de 30 dB. Pérdidas de Inserción: Las pérdidas de inserción, son las pérdidas que seproducen en el camino entre el puerto de entrada y el puerto de salida.

Estas pérdidas están exclusivamente ligadas al medio de transmisión que une los dos puertos.

Pérdidas por Acoplamiento: Son las pérdidas que se producen en el puerto de salida, debido al acoplamiento. Lógicamente, cuanta más señal se transfiere al puerto acoplado, mayores serán las pérdidas por acoplamiento.

Por ejemplo, si tenemos un acoplador con un grado de acoplamiento de 6 dB y unas pérdidas de inserción de 0,4 dB, tendremos unas pérdidas totales de:

Imaginemos que inyectamos 1 W por el puerto de entrada (30 dBm); en el puerto acoplado tendremos una potencia de 24 dBm (0,251 W) y el puerto de salida tendremos 0.749 W (28.74 dBm), menos las pérdidas de inserción, que hemos supuesto que son 0,4 dB. Por lo tanto a la salida tendremos una potencia de 28,34 dBm; es decir tenemos unas pérdidas totales de 1,66 dB, de las cuales 1,2 dB corresponden a pérdidas por acoplamiento. En este caso las pérdidas de acoplamiento, representan aproximadamente un 75% de las pérdidas totales.

ESCENARIOS DE APLICACIÓN DEL ACOPLADOR DIRECCIONAL

Caso A: Monitorización de la señal de salida de un transmisor en una BTS

En el caso que se muestra en la figura, podemos monitorizar la señal de transmisión de una BTS, sin necesidad de interrumpir la transmisión. En general, los equipos de medida no están preparados para medir altas potencias por métodos directos, por lo que se hace necesario realizar las medidas a través de una muestra de la señal que deseamos medir.

Por ejemplo, en este caso, además de parámetros como la frecuencia, podríamos medir también la potencia con la que está saliendo el transmisor, ya que en el equipo de medida inyectamos una muestra de la señal transmitida y conocemos la relación que existe entre la señal que se transmite y la muestra. Por otro lado, dadas las características de directividad de los acopladores, la señal de recepción no se verá apenas influida por la presencia del acoplador

Caso B: MEDIDA DE ONDA REFLEJADA EN UN SISTEMA RADIANTE

En este caso, inyectamos la señal de un generador de RF a la frecuencia a la que queremos probar el sistema radiante por la Salida del acoplador direccional. La señal reflejada, debida a la desadaptación entre línea de transmisión y sistema radiante, entrará en el acoplador direccional por la entrada de este, y una fracción conocida de dicha señal (dependerá del grado de acoplamiento del acoplador), pasará al equipo de medida (en este caso un analizador de espectros), a través del puerto acoplado. Por lo tanto, mediante este método podremos medir la onda reflejada por la antena para una frecuencia determinada. Si aplicamos un barrido de frecuencia en la banda de trabajo de la antena, en lugar de un simple tono, podemos obtener la respuesta en frecuencia de dicha antena.

Divisores de potencia: unión T

Es un divisor que, debido a su construcción sencilla y sin pérdidas, no puede ser adaptado en sus tres puertos simultáneamente. Desde el punto de vista práctico es, sin embargo, muy fácil de construir y medir, tanto en su versión de líneas de transmisión planares, como en guía de onda. Ambos casos se pueden analizar en general como un divisor en T de líneas ideales.

La susceptancia que aparece en la unión es la que modela el efecto de la discontinuidad, incluyendo los modos superiores que se excitarían en la misma. En una primera aproximación sería una capacidad parásita a tierra. Si asumimos que este efecto es despreciable, la condición de adaptación en la transición deberá cumplir:

La misma condición se puede alcanzar si anulamos la susceptancia con algún mecanismo de compensación sintonizable, sumando una parte reactiva que anule el efecto: la limitación estará en el comportamiento de banda estrecha de esta adaptación. Como 1ª aproximación tendríamos que colocar un equivalente a una inductancia en paralelo, para que en su frecuencia de resonancia la impedancia que presentara fuera muy alta

Divisor de Potencia Wilkinson

El divisor de potencia de Wilkinson es una clase especifica de divisor de potencia quepuede lograr el aislamiento entro los puertos de salida, manteniendo al mismo tiempo unacondición correspondiente en todos los puertos. El diseño puede ser utilizado tambiéncomo un combinador de potencia, ya que está compuesto de componentes pasivos y, portanto, recíproca.Publicado por primera vez por Ernest J. Wilkinson en 1960 este circuito se encuentra enel amplio uso de frecuencias de radio que utilizan los sistemas de comunicación demúltiples canales desde el alto grado de aislamiento entre los puertos de salida evitainterferencias entre los canales individuales.Características del divisor de potencia de Wilkinson.Según la teoría de microondas, una red de tres puertas pasivas, recíproca y sin pérdidasno puede estar completamente adaptada. En un divisor con líneas además las puertas desalida no están aisladas entre sí. Wilkinson desarrolló un divisor de potencia capaz dedividir la potencia que incide por la puerta de entrada en N fracciones que saldrán por laspuertas de salida, proporcionando un aislamiento entre estas puertas. El principaldistintivo del divisor de Wilkinson es el uso de resistencias conectadas entre las puertas desalida.Cuando los puertos de salida están cargados con las llamadas “impedancias de diseño(Z0)”, no circula corriente por la resistencia R, por lo que no aparecen pérdidasdisipativas en el dispositivo. En el caso de cargar con impedancias distintas a las“impedancias apropiadas”, parte de la potencia reflejada será absorbida por la resistencia y parte irá a la puerta de entrada pero nunca a las otras puertas de salida. En su forma más simple, la misma amplitud, dividido en dos sentidos, de una etapaWilkinson se muestra en la figura 1. Las líneas de transmisión son de cuarto de longitudde onda de los transformadores de impedancia 1.41xZo

“la figura 1 expresa la forma en que el divisor Wilkinson funciona como un divisor depotencia: cuando una señal ingresa en el puerto 1, en el que se divide en igual amplitud,la igualdad de la fase de salida de las señales es en los puertos 2 y 3. Desde cada extremode la resistencia hay aislamiento entro los puertos 2 y 3 está el mismo potencial, no hay flujos de corriente a través de él y, por tanto, la resistencia se le desconecta de la entrada,EL puerto de salida de dos terminaciones que añadir en paralelo en la entrada, por lo quedebes de transformarse para cada 2x7 en el puerto de entrada para combinar a la Zo, laimpedancia combinada de las dos salidas en el puerto 1 sería 7o/2. La impedanciacaracterística de la cuarta parte de longitud de onda en líneas debe ser igual a 1.41xZopara que la entrada se iguala cuando los puertos 2 y 3 se termina en Z0”

Mediciones realizadas en el laboratorio.VCO + Circulador + Div. Potencia Wilkinson.Frecuencia. Entrada(v)F= 2.21GHz 6.6vF= 2.26GHz 8v

Puerto 3: Puerto 1: Puerto 2:Potencia 15.20 Potencia 20.18 dBm VCO 23dBm

Voltaje 0.45 Al colocar el medidor de potencia Wilkinson en el P3 la salida fue de 15.20 y en el P1 V=10.18, con estos resultados podemos deducir que el P3 es el divisor

Redes de múltiples puertos.

Hasta ahora se ha discutido el análisis y la operación de redes de dos puertos.

Estos conceptos pueden ser expandidos a redes de puertos múltiples. Para

caracterizar, por ejemplo, una red de tres puertos, se requieren nueve

parámetros, ver figura 2.23. S11, el coeficiente de entrada en el puerto uno, se

mide terminando los puertos dos y tres con una impedancia igual a la

impedancia característica. Esto asegura que a2 = a3 = 0. Se puede pasar a los

otros parámetros y medirlos en la misma manera, una vez que los otros dos

puertos están apropiadamente terminados.

Figura 2.23 Red de tres puertos.

Lo que es cierto para una red de tres puertos es cierto para una red de n

puertos. Ver figura 2.24. El número de parámetros que se requieren para

caracterizar estas complejas redes se eleva hasta el cuadrado del número de

puertos. Sin embargo, el concepto y el método de medición es el mismo

básicamente.

Figura 2.24 Medición de una red de n puertos.

Divisor Gysel

El divisor Gysel es usualmente utilizado para combinar el nivel de poder de kilowatts, comparado con el wilkinson, lo resistores de isolacion se convierten en tipo un puerto, lo que los hace mucho mejores en su desempeño térmico, y son mucho mas accesibles en términos de respuesta a la fase parasítica (no necesitan ser de longitud cero)

Equal-split Gysel

Gysel no proviso de ecuaciones de forma cerrada par su divisor, el uso programa CAD par optimizer las impedancias de linea. Que es lo que se haria

en caso de diseñar uno, por ejemplo, no usamos la transformada Z1 (la consideraremos de 50 ohms) las otras 3 impedancias darian:

Z2=70.35 ohmsZ3=50 ohmsZ4=25 ohms (otros valores son posibles, afecta el ancho de banda).

La gran ventaja del divisor Gysel, es su manejo de la potencia. En un divisor Wilkinson, el resistor esta unido a la red, y debe de proveer una longitude de fase corta para que el esquema de trabajo funcione. Las terminaciones en un divisor Gysel son iguales a Z0, y pueden ser cargas de alta potencia sis u manejo es requerido (como en el caso de un transmisor).

Las cargas pueden ser externas al divisor de potencia, cualquier longitude de linea puede ser agregada entre las cargas y el divisor.

El divisor Gysel tambien nos permite medirlo en paralelo, incluso si esta enterrado en un sustrato.

A continuacion encontramos una grafica de una inserción de perdida por medio de una entrada en los dos puertos de salida. El ancho de banda dB se encuentra en 61.8%, que es mas del doble de un ancho de banda de un simple divisor de voltaje branchline.

Power split of an ideal -way Gysel power splitter

La grafica final nos muestra la perdida de regreso en el Puerto 1, asi como la isolacion entre los puertos 2 y 3. La perdida de regreso para el ancho de banda 1.5:1 VSWR (-14 dB perdida de regreso) es 44.4% que de Nuevo vence al divisor branchline el cual nos da un 20.8% de ancho de banda en 1.5:1 VSWR.

Return loss (blue) and isolation (red) of ideal two-port Gysel power splitter

Referencias

E. da Silva, “High Frequency andMicrowave Engineering”, The OpenUniversity, 2001.

Inder Bahl, “Lumped Elements for RFand Microwave Circuits”, Artech House,Boston 2003.

David M. Pozar, “MicrowaveEngineering” Third Edition