Gli accoppiatori direzionali sono componenti standard per microonde/onde millimetriche utilizzati nella misurazione a microonde e in altri sistemi a microonde. Possono essere impiegati per l'isolamento, la separazione e la miscelazione dei segnali, ad esempio per il monitoraggio della potenza, la stabilizzazione della potenza di uscita della sorgente, l'isolamento della sorgente del segnale, i test di scansione di frequenza in trasmissione e riflessione, ecc. Si tratta di divisori di potenza direzionali a microonde, componenti indispensabili nei moderni riflettometri a scansione di frequenza. Esistono generalmente diverse tipologie, come quelle a guida d'onda, a linea coassiale, a stripline e a microstriscia.
La Figura 1 mostra uno schema della struttura. Essa è composta principalmente da due parti: la linea principale e la linea ausiliaria, collegate tra loro tramite piccoli fori, fessure e intercapedini di vario tipo. Pertanto, parte della potenza in ingresso dal punto "1" all'estremità della linea principale verrà trasmessa alla linea secondaria. A causa dell'interferenza o della sovrapposizione delle onde, la potenza verrà trasmessa lungo la linea secondaria in una sola direzione (direzione "avanti"), mentre nell'altra direzione la trasmissione di potenza sarà pressoché nulla (direzione "indietro").
La Figura 2 mostra un accoppiatore a doppia porta, una delle cui porte è collegata a un carico di adattamento integrato.
Applicazione dell'accoppiatore direzionale
1, per il sistema di sintesi di potenza
Un accoppiatore direzionale a 3 dB (comunemente noto come ponte a 3 dB) viene solitamente utilizzato in un sistema di sintesi di frequenza multicarrier, come mostrato nella figura seguente. Questo tipo di circuito è comune nei sistemi di distribuzione indoor. Dopo che i segnali f1 e f2 provenienti da due amplificatori di potenza attraversano un accoppiatore direzionale a 3 dB, l'uscita di ciascun canale contiene due componenti di frequenza f1 e f2, e 3 dB riducono l'ampiezza di ciascuna componente di frequenza. Se uno dei terminali di uscita è collegato a un carico assorbente, l'altra uscita può essere utilizzata come sorgente di alimentazione per il sistema di misurazione dell'intermodulazione passiva. Se è necessario migliorare ulteriormente l'isolamento, è possibile aggiungere componenti come filtri e isolatori. L'isolamento di un ponte a 3 dB ben progettato può superare i 33 dB.
L'accoppiatore direzionale viene utilizzato nel sistema di combinazione di potenza numero uno.
L'area di direzionalità come ulteriore applicazione della combinazione di potenza è mostrata nella figura (a) sottostante. In questo circuito, la direttività dell'accoppiatore direzionale è stata applicata in modo intelligente. Supponendo che i gradi di accoppiamento dei due accoppiatori siano entrambi di 10 dB e la direttività sia di 25 dB, l'isolamento tra le estremità f1 e f2 è di 45 dB. Se gli ingressi di f1 e f2 sono entrambi di 0 dBm, l'uscita combinata è di -10 dBm. Rispetto all'accoppiatore Wilkinson nella figura (b) sottostante (il cui valore di isolamento tipico è di 20 dB), lo stesso segnale di ingresso di 0 dBm, dopo la sintesi, presenta -3 dBm (senza considerare la perdita di inserzione). Rispetto alla condizione inter-campionamento, aumentiamo il segnale di ingresso nella figura (a) di 7 dB in modo che la sua uscita sia coerente con la figura (b). In questo momento, l'isolamento tra f1 e f2 nella figura (a) “diminuisce” “di 38 dB. Il risultato finale del confronto è che il metodo di sintesi di potenza dell'accoppiatore direzionale è 18 dB superiore a quello dell'accoppiatore Wilkinson. Questo schema è adatto per la misurazione dell'intermodulazione di dieci amplificatori.
Un accoppiatore direzionale viene utilizzato nel sistema di combinazione di potenza 2
2, utilizzato per la misurazione anti-interferenza del ricevitore o per la misurazione spuria
Nei sistemi di test e misurazione RF, si può spesso osservare il circuito mostrato nella figura seguente. Supponiamo che il DUT (dispositivo o apparecchiatura in prova) sia un ricevitore. In tal caso, un segnale di interferenza del canale adiacente può essere iniettato nel ricevitore attraverso l'estremità di accoppiamento dell'accoppiatore direzionale. Un tester integrato, collegato tramite l'accoppiatore direzionale, può quindi testare la resistenza del ricevitore, ovvero le sue prestazioni in termini di interferenza a migliaia di ohm. Se il DUT è un telefono cellulare, il trasmettitore del telefono può essere attivato da un tester integrato collegato all'estremità di accoppiamento dell'accoppiatore direzionale. Successivamente, un analizzatore di spettro può essere utilizzato per misurare l'emissione spuria del telefono. Naturalmente, prima dell'analizzatore di spettro dovrebbero essere aggiunti dei circuiti di filtro. Poiché questo esempio tratta solo l'applicazione degli accoppiatori direzionali, il circuito di filtro viene omesso.
L'accoppiatore direzionale viene utilizzato per la misurazione anti-interferenza del ricevitore o per eliminare le altezze spurie del telefono cellulare.
In questo circuito di prova, la direttività dell'accoppiatore direzionale è molto importante. L'analizzatore di spettro collegato all'estremità passante deve ricevere solo il segnale dal DUT e non la password dall'estremità di accoppiamento.
3, per il campionamento e il monitoraggio del segnale
La misurazione e il monitoraggio online dei trasmettitori rappresentano una delle applicazioni più diffuse degli accoppiatori direzionali. La figura seguente mostra un'applicazione tipica degli accoppiatori direzionali per la misurazione delle stazioni base cellulari. Supponiamo che la potenza di uscita del trasmettitore sia di 43 dBm (20 W), che l'accoppiamento dell'accoppiatore direzionale abbia una capacità di 30 dB e una perdita di inserzione (perdita di linea più perdita di accoppiamento) di 0,15 dB. L'estremità di accoppiamento invia un segnale di 13 dBm (20 mW) al tester della stazione base, che l'uscita diretta dell'accoppiatore direzionale è di 42,85 dBm (19,3 W) e che la potenza di dispersione sul lato isolato venga assorbita da un carico.
L'accoppiatore direzionale viene utilizzato per le misurazioni della stazione base.
Quasi tutti i trasmettitori utilizzano questo metodo per il campionamento e il monitoraggio online, e forse solo questo metodo può garantire il test delle prestazioni del trasmettitore in condizioni operative normali. Tuttavia, va notato che, pur trattandosi di test del trasmettitore, diversi tester hanno esigenze diverse. Prendendo come esempio le stazioni base WCDMA, gli operatori devono prestare attenzione agli indicatori nella loro banda di frequenza operativa (2110~2170 MHz), come la qualità del segnale, la potenza nel canale, la potenza del canale adiacente, ecc. Partendo da questo presupposto, i produttori installano all'uscita della stazione base un accoppiatore direzionale a banda stretta (come 2110~2170 MHz) per monitorare le condizioni operative del trasmettitore nella banda di frequenza e inviarle al centro di controllo in qualsiasi momento.
Se si tratta dell'ente regolatore dello spettro di radiofrequenza, ovvero la stazione di monitoraggio radio incaricata di testare gli indicatori delle stazioni base, il suo obiettivo è completamente diverso. Secondo i requisiti delle specifiche di gestione radio, la gamma di frequenza di test si estende da 9 kHz a 12,75 GHz, e la stazione base testata è così ampia. Quanta radiazione spuria verrà generata nella banda di frequenza e interferirà con il normale funzionamento delle altre stazioni base? Questa è una preoccupazione per le stazioni di monitoraggio radio. In questo caso, è necessario un accoppiatore direzionale con la stessa larghezza di banda per il campionamento del segnale, ma un accoppiatore direzionale in grado di coprire la banda da 9 kHz a 12,75 GHz sembra non esistere. Sappiamo che la lunghezza del braccio di accoppiamento di un accoppiatore direzionale è correlata alla sua frequenza centrale. La larghezza di banda di un accoppiatore direzionale a banda ultralarga può raggiungere bande di 5-6 ottave, come 0,5-18 GHz, ma la banda di frequenza al di sotto dei 500 MHz non può essere coperta.
4. Misurazione della potenza online
Nella tecnologia di misurazione della potenza passante, l'accoppiatore direzionale è un componente critico. La figura seguente mostra lo schema di un tipico sistema di misurazione di potenza passante ad alta potenza. La potenza diretta proveniente dall'amplificatore in prova viene campionata dall'estremità di accoppiamento diretto (terminale 3) dell'accoppiatore direzionale e inviata al misuratore di potenza. La potenza riflessa viene campionata dal terminale di accoppiamento inverso (terminale 4) e inviata al misuratore di potenza.
Per la misurazione di potenze elevate si utilizza un accoppiatore direzionale.
Nota bene: oltre a ricevere la potenza riflessa dal carico, il terminale di accoppiamento inverso (terminale 4) riceve anche la potenza di dispersione dalla direzione diretta (terminale 1), causata dalla direttività dell'accoppiatore direzionale. L'energia riflessa è ciò che il tester intende misurare, mentre la potenza di dispersione è la principale fonte di errori nella misurazione della potenza riflessa. La potenza riflessa e la potenza di dispersione si sovrappongono all'estremità di accoppiamento inverso (4 estremità) e vengono quindi inviate al misuratore di potenza. Poiché i percorsi di trasmissione dei due segnali sono diversi, si verifica una sovrapposizione vettoriale. Se la potenza di dispersione in ingresso al misuratore di potenza è paragonabile alla potenza riflessa, si otterrà un errore di misurazione significativo.
Naturalmente, la potenza riflessa dal carico (estremità 2) si propagherà anche all'estremità di accoppiamento anteriore (estremità 1, non mostrata nella figura precedente). Tuttavia, la sua entità è minima rispetto alla potenza anteriore, che misura la forza di trazione. L'errore risultante può essere trascurato.
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Data di pubblicazione: 20 aprile 2023