Os acopladores direcionais são componentes padrão de micro-ondas/ondas milimétricas em medições de micro-ondas e outros sistemas de micro-ondas. Podem ser usados para isolamento, separação e mistura de sinais, como monitoramento de potência, estabilização da potência de saída da fonte, isolamento da fonte de sinal, teste de varredura de frequência de transmissão e reflexão, etc. Trata-se de um divisor de potência de micro-ondas direcional, um componente indispensável em refletômetros de varredura de frequência modernos. Geralmente, existem vários tipos, como guia de ondas, linha coaxial, linha de fita e microfita.
A Figura 1 é um diagrama esquemático da estrutura. Ela consiste principalmente em duas partes: a linha principal e a linha auxiliar, que são acopladas entre si por meio de vários orifícios, fendas e espaços. Portanto, parte da energia proveniente do terminal “1” na linha principal será acoplada à linha secundária. Devido à interferência ou superposição de ondas, a energia será transmitida apenas ao longo da linha secundária em uma direção (chamada de “direta”), e praticamente não haverá transmissão de energia na direção oposta (chamada de “inversa”).
A Figura 2 mostra um acoplador direcional cruzado, onde uma das portas está conectada a uma carga de adaptação integrada.
Aplicação do acoplador direcional
1, para sistema de síntese de energia
Um acoplador direcional de 3dB (comumente conhecido como ponte de 3dB) é geralmente usado em um sistema de síntese de frequência multicarridora, como mostrado na figura abaixo. Esse tipo de circuito é comum em sistemas distribuídos internos. Após os sinais f1 e f2 de dois amplificadores de potência passarem por um acoplador direcional de 3dB, a saída de cada canal contém duas componentes de frequência, f1 e f2, e a amplitude de cada componente é reduzida em 3dB. Se um dos terminais de saída for conectado a uma carga absorvente, a outra saída pode ser usada como fonte de alimentação do sistema de medição de intermodulação passiva. Caso seja necessário melhorar ainda mais o isolamento, podem ser adicionados componentes como filtros e isoladores. O isolamento de uma ponte de 3dB bem projetada pode ser superior a 33dB.
O acoplador direcional é utilizado no sistema de combinação de energia tipo um.
A área de canaleta direcional, como outra aplicação da combinação de potência, é mostrada na figura (a) abaixo. Neste circuito, a diretividade do acoplador direcional foi aplicada de forma inteligente. Supondo que os graus de acoplamento dos dois acopladores sejam ambos de 10 dB e a diretividade seja ambas de 25 dB, o isolamento entre as extremidades f1 e f2 é de 45 dB. Se as entradas de f1 e f2 forem ambas de 0 dBm, a saída combinada será ambas de -10 dBm. Comparado com o acoplador Wilkinson na figura (b) abaixo (cujo valor típico de isolamento é de 20 dB), o mesmo sinal de entrada de 0 dBm, após a síntese, resulta em -3 dBm (sem considerar a perda de inserção). Comparado com a condição de interamostragem, aumentamos o sinal de entrada na figura (a) em 7 dB para que sua saída seja consistente com a da figura (b). Neste momento, o isolamento entre f1 e f2 na figura (a) “diminui” em 38 dB. O resultado final da comparação é que o método de síntese de potência do acoplador direcional é 18 dB superior ao do acoplador Wilkinson. Este esquema é adequado para a medição de intermodulação de dez amplificadores.
Um acoplador direcional é usado em sistemas de combinação de energia.
2, usado para medição de anti-interferência do receptor ou medição de sinais espúrios.
Em sistemas de teste e medição de RF, o circuito mostrado na figura abaixo é bastante comum. Suponha que o DUT (dispositivo ou equipamento sob teste) seja um receptor. Nesse caso, um sinal de interferência de canal adjacente pode ser injetado no receptor através da extremidade de acoplamento do acoplador direcional. Em seguida, um testador integrado conectado a eles através do acoplador direcional pode testar a resistência do receptor — o desempenho de interferência. Se o DUT for um telefone celular, o transmissor do telefone pode ser ativado por um testador integrado conectado à extremidade de acoplamento do acoplador direcional. Então, um analisador de espectro pode ser usado para medir a saída espúria do telefone. Naturalmente, alguns circuitos de filtro devem ser adicionados antes do analisador de espectro. Como este exemplo aborda apenas a aplicação de acopladores direcionais, o circuito de filtro foi omitido.
O acoplador direcional é usado para medição anti-interferência do receptor ou para correção de ruídos na altura do sinal do telefone celular.
Neste circuito de teste, a diretividade do acoplador direcional é muito importante. O analisador de espectro conectado à extremidade de passagem só deve receber o sinal do dispositivo sob teste (DUT) e não a senha da extremidade de acoplamento.
3, para amostragem e monitoramento de sinais
A medição e o monitoramento online de transmissores podem ser uma das aplicações mais comuns de acopladores direcionais. A figura a seguir ilustra uma aplicação típica de acopladores direcionais para medição em estações base de telefonia celular. Suponha que a potência de saída do transmissor seja de 43 dBm (20 W), o acoplamento do acoplador direcional tenha capacitância de 30 dB e perda de inserção (perda na linha mais perda de acoplamento) de 0,15 dB. Na extremidade de acoplamento, um sinal de 13 dBm (20 mW) é enviado para o testador da estação base. A saída direta do acoplador direcional é de 42,85 dBm (19,3 W), e a potência de fuga no lado isolado é absorvida pela carga.
O acoplador direcional é usado para medições em estações base.
Quase todos os transmissores utilizam esse método para amostragem e monitoramento online, e talvez somente ele possa garantir o teste de desempenho do transmissor em condições normais de operação. Contudo, é importante ressaltar que, embora se trate de um teste de transmissor, diferentes testadores têm diferentes objetivos. Tomando como exemplo as estações base WCDMA, as operadoras devem estar atentas aos indicadores em sua faixa de frequência de operação (2110~2170MHz), como qualidade do sinal, potência no canal, potência do canal adjacente, etc. Partindo dessa premissa, os fabricantes instalam um acoplador direcional de banda estreita (como 2110~2170MHz) na saída da estação base para monitorar as condições de operação do transmissor na banda e enviar os dados para a central de controle a qualquer momento.
Se for a estação de monitoramento de rádio responsável pelo controle do espectro de radiofrequências, testando os indicadores de estações base virtuais, seu foco é completamente diferente. De acordo com os requisitos das especificações de gerenciamento de rádio, a faixa de frequência de teste é estendida para 9 kHz a 12,75 GHz, e a estação base testada abrange uma faixa tão ampla. Quanta radiação espúria será gerada nessa faixa de frequência e interferirá na operação regular de outras estações base? Essa é uma preocupação das estações de monitoramento de rádio. Nesse momento, um acoplador direcional com a mesma largura de banda é necessário para a amostragem do sinal, mas um acoplador direcional que cubra de 9 kHz a 12,75 GHz parece não existir. Sabemos que o comprimento do braço de acoplamento de um acoplador direcional está relacionado à sua frequência central. A largura de banda de um acoplador direcional de banda ultralarga pode atingir bandas de 5 a 6 oitavas, como de 0,5 a 18 GHz, mas a faixa de frequência abaixo de 500 MHz não pode ser coberta.
4. Medição de energia online
Na tecnologia de medição de potência do tipo passante, o acoplador direcional é um dispositivo crucial. A figura a seguir mostra o diagrama esquemático de um sistema típico de medição de alta potência do tipo passante. A potência direta do amplificador em teste é amostrada pela extremidade de acoplamento direto (terminal 3) do acoplador direcional e enviada ao medidor de potência. A potência refletida é amostrada pela extremidade de acoplamento reverso (terminal 4) e enviada ao medidor de potência.
Um acoplador direcional é usado para medições de alta potência.
Observação: Além de receber a potência refletida da carga, o terminal de acoplamento reverso (terminal 4) também recebe potência de fuga da direção direta (terminal 1), causada pela diretividade do acoplador direcional. A energia refletida é o que o testador deseja medir, e a potência de fuga é a principal fonte de erros na medição da potência refletida. A potência refletida e a potência de fuga são sobrepostas no terminal de acoplamento reverso (terminal 4) e então enviadas ao medidor de potência. Como os caminhos de transmissão dos dois sinais são diferentes, ocorre uma superposição vetorial. Se a potência de fuga de entrada no medidor de potência for comparada com a potência refletida, isso produzirá um erro de medição significativo.
Naturalmente, a potência refletida da carga (extremidade 2) também vazará para a extremidade de acoplamento direto (extremidade 1, não mostrada na figura acima). Mesmo assim, sua magnitude é mínima em comparação com a potência direta, que mede a intensidade do acoplamento direto. O erro resultante pode ser ignorado.
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Data da publicação: 20 de abril de 2023