Los divisores de potencia (también divisores de potencia y, cuando se usan a la inversa, combinadores de potencia ) y acopladores direccionales son dispositivos pasivos que se utilizan principalmente en el campo de la tecnología de radio. Acoplan una cantidad definida de potencia electromagnética en una línea de transmisión a un puerto que permite utilizar la señal en otro circuito. Una característica esencial de los acopladores direccionales es que solo acoplan energía que fluye en una dirección. La energía que ingresa al puerto de salida está acoplada al puerto aislado pero no al puerto acoplado. Un acoplador direccional diseñado para dividir la energía en partes iguales entre dos puertos se llama acoplador híbrido .
Los acopladores direccionales se construyen con mayor frecuencia a partir de dos líneas de transmisión acopladas colocadas lo suficientemente cerca entre sí como para que la energía que pasa a través de una se acople a la otra. Esta técnica se ve favorecida en las frecuencias de microondas donde los diseños de líneas de transmisión se usan comúnmente para implementar muchos elementos de circuito. Sin embargo, los dispositivos de componentes agrupados también son posibles en frecuencias más bajas, como las frecuencias de audio que se encuentran en la telefonía . También en frecuencias de microondas, particularmente en las bandas más altas, se pueden utilizar diseños de guías de ondas . Muchos de estos acopladores de guía de ondas corresponden a uno de los diseños de líneas de transmisión conductoras, pero también hay tipos que son exclusivos de la guía de ondas.
Los acopladores direccionales y divisores de potencia tienen muchas aplicaciones. Estos incluyen proporcionar una muestra de señal para medición o monitoreo, retroalimentación, combinar alimentaciones hacia y desde antenas, formación de haces de antena, proporcionar derivaciones para sistemas distribuidos por cable como la televisión por cable y separar señales transmitidas y recibidas en líneas telefónicas.
Los símbolos más utilizados para acopladores direccionales se muestran en la figura 1. El símbolo puede tener marcado el factor de acoplamiento en dB . Los acopladores direccionales tienen cuatro puertos . El puerto 1 es el puerto de entrada donde se aplica la energía. El puerto 3 es el puerto acoplado donde aparece una parte de la energía aplicada al puerto 1. El puerto 2 es el puerto transmitido por donde sale la energía del puerto 1, menos la parte que fue al puerto 3. Los acopladores direccionales suelen ser simétricos, por lo que también existe el puerto 4, el puerto aislado. Una parte de la energía aplicada al puerto 2 se acoplará al puerto 4. Sin embargo, el dispositivo normalmente no se usa en este modo y el puerto 4 generalmente termina con una carga coincidente (generalmente 50 ohmios). Esta terminación puede ser interna al dispositivo y el usuario no puede acceder al puerto 4. Efectivamente, esto da como resultado un dispositivo de 3 puertos, de ahí la utilidad del segundo símbolo para acopladores direccionales en la figura 1. [1]
Símbolos de la forma;
en este artículo tienen el significado "parámetro P en el puerto a debido a una entrada en el puerto b ".
En la figura 2 se muestra un símbolo para los divisores de potencia. Los divisores de potencia y los acopladores direccionales son esencialmente la misma clase de dispositivo. El acoplador direccional tiende a usarse para dispositivos de 4 puertos que están débilmente acoplados, es decir, solo una pequeña fracción de la potencia de entrada aparece en el puerto acoplado. El divisor de potencia se utiliza para dispositivos con acoplamiento estrecho (comúnmente, un divisor de potencia proporcionará la mitad de la potencia de entrada en cada uno de sus puertos de salida: un divisor de 3 dB ) y generalmente se considera un dispositivo de 3 puertos. [2]
Las propiedades comunes deseadas para todos los acopladores direccionales son un amplio ancho de banda operativo , alta directividad y una buena coincidencia de impedancia en todos los puertos cuando los otros puertos terminan en cargas coincidentes. Algunas de estas y otras características generales se analizan a continuación. [3]
El factor de acoplamiento se define como:
donde P 1 es la potencia de entrada en el puerto 1 y P 3 es la potencia de salida del puerto acoplado (ver figura 1).
El factor de acoplamiento representa la propiedad principal de un acoplador direccional. El factor de acoplamiento es una cantidad negativa, no puede exceder los 0 dB para un dispositivo pasivo y, en la práctica, no excede los −3 dB, ya que más de esto daría como resultado una mayor salida de potencia desde el puerto acoplado que la potencia del puerto transmitido; de hecho, su los roles se invertirían. Aunque es una cantidad negativa, el signo menos frecuentemente se omite (pero sigue implícito) en textos y diagramas y algunos autores [4] llegan incluso a definirlo como una cantidad positiva . El acoplamiento no es constante, sino que varía con la frecuencia. Si bien diferentes diseños pueden reducir la variación, en teoría no se puede construir un acoplador perfectamente plano. Los acopladores direccionales se especifican en términos de precisión de acoplamiento en el centro de la banda de frecuencia. [5]
La pérdida de inserción de la línea principal desde el puerto 1 al puerto 2 (P 1 – P 2 ) es:
Pérdida de inserción:
Parte de esta pérdida se debe a que parte de la energía llega al puerto acoplado y se denomina pérdida de acoplamiento y viene dada por:
Pérdida de acoplamiento:
La pérdida de inserción de un acoplador direccional ideal consistirá enteramente en la pérdida de acoplamiento. Sin embargo, en un acoplador direccional real, la pérdida de inserción consiste en una combinación de pérdida de acoplamiento, pérdida dieléctrica , pérdida del conductor y pérdida VSWR . Dependiendo del rango de frecuencia, la pérdida de acoplamiento se vuelve menos significativa por encima de un acoplamiento de 15 dB, donde las otras pérdidas constituyen la mayor parte de la pérdida total. La pérdida de inserción teórica (dB) frente al acoplamiento (dB) para un acoplador sin disipación se muestra en el gráfico de la figura 3 y en la siguiente tabla. [6]
El aislamiento de un acoplador direccional se puede definir como la diferencia en los niveles de señal en dB entre el puerto de entrada y el puerto aislado cuando los otros dos puertos terminan con cargas coincidentes, o:
Aislamiento:
El aislamiento también se puede definir entre los dos puertos de salida. En este caso, uno de los puertos de salida se utiliza como entrada; el otro se considera el puerto de salida, mientras que los otros dos puertos (de entrada y aislado) terminan en cargas coincidentes.
Como consecuencia:
El aislamiento entre los puertos de entrada y aislados 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 25 dB . El aislamiento se puede estimar a partir del acoplamiento más la pérdida de retorno . El aislamiento debe ser lo más alto posible. En los acopladores reales, el puerto aislado nunca está completamente aislado. Siempre habrá algo de potencia de RF presente. Los acopladores direccionales de guía de ondas tendrán el mejor aislamiento. [7]
La directividad está directamente relacionada con el aislamiento. Se define como:
Directividad:
donde: P 3 es la potencia de salida del puerto acoplado y P 4 es la potencia de salida del puerto aislado.
La directividad debe ser lo más alta posible. La directividad es muy alta a la frecuencia de diseño y es una función de frecuencia más sensible porque depende de la cancelación de dos componentes de onda. Los acopladores direccionales de guía de ondas tendrán la mejor directividad. La directividad no se puede medir directamente y se calcula sumando las mediciones de aislamiento y acoplamiento (negativo) como: [8]
Tenga en cuenta que si se utiliza la definición positiva de acoplamiento, la fórmula da como resultado:
La matriz S para un acoplador direccional simétrico ideal (aislamiento infinito y perfectamente adaptado) viene dada por,
En general, y son números complejos que dependen de la frecuencia. Los ceros en la diagonal principal de la matriz son consecuencia de una coincidencia perfecta: la entrada de energía a cualquier puerto no se refleja en ese mismo puerto. Los ceros en la matriz antidiagonal son consecuencia del perfecto aislamiento entre la entrada y el puerto aislado.
Para un acoplador direccional pasivo sin pérdidas, debemos tener además,
ya que toda la energía que ingresa al puerto de entrada debe salir por uno de los otros dos puertos. [9]
La pérdida de inserción está relacionada con por;
El factor de acoplamiento está relacionado con por;
Las entradas de la diagonal principal distintas de cero están relacionadas con la pérdida de retorno , y las entradas antidiagonales distintas de cero están relacionadas con el aislamiento mediante expresiones similares.
Algunos autores definen los números de puerto con los puertos 3 y 4 intercambiados. Esto da como resultado una matriz de dispersión que ya no es todo ceros en la antidiagonal. [10]
Esta terminología define la diferencia de potencia en dB entre los dos puertos de salida de un híbrido de 3 dB . En un circuito híbrido ideal, la diferencia debería ser de 0 dB . Sin embargo, en un dispositivo práctico el equilibrio de amplitud depende de la frecuencia y se aparta de la diferencia ideal de 0 dB . [11]
La diferencia de fase entre los dos puertos de salida de un acoplador híbrido debe ser de 0°, 90° o 180° según el tipo utilizado. Sin embargo, al igual que el equilibrio de amplitud, la diferencia de fase es sensible a la frecuencia de entrada y normalmente variará unos pocos grados. [12]
La forma más común de acoplador direccional es un par de líneas de transmisión acopladas. Se pueden realizar en varias tecnologías, incluidas las tecnologías coaxiales y planas ( stripline y microstrip ). En la figura 4 se muestra una implementación en línea de banda de un acoplador direccional de un cuarto de longitud de onda (λ/4). La energía en la línea acoplada fluye en dirección opuesta a la energía en la línea principal, por lo tanto, la disposición de los puertos no es la misma que se muestra en la figura 1, pero la numeración sigue siendo la misma. Por esta razón a veces se le llama acoplador hacia atrás . [13]
La línea principal es la sección entre los puertos 1 y 2 y la línea acoplada es la sección entre los puertos 3 y 4. Dado que el acoplador direccional es un dispositivo lineal, las notaciones en la figura 1 son arbitrarias. Cualquier puerto puede ser la entrada (se ve un ejemplo en la figura 20), lo que dará como resultado que el puerto conectado directamente sea el puerto transmitido, el puerto adyacente sea el puerto acoplado y el puerto diagonal sea el puerto aislado. En algunos acopladores direccionales, la línea principal está diseñada para operación de alta potencia (conectores grandes), mientras que el puerto acoplado puede usar un conector pequeño, como un conector SMA . La potencia nominal de la carga interna también puede limitar el funcionamiento en la línea acoplada. [14]
La precisión del factor de acoplamiento depende de las tolerancias dimensionales para el espaciado de las dos líneas acopladas. Para las tecnologías de impresión plana, esto se reduce a la resolución del proceso de impresión, que determina el ancho mínimo de pista que se puede producir y también pone un límite a la proximidad de las líneas entre sí. Esto se convierte en un problema cuando se requiere un acoplamiento muy estrecho y los acopladores de 3 dB suelen utilizar un diseño diferente. Sin embargo, se pueden producir líneas estrechamente acopladas en líneas de aire que también permiten la fabricación mediante tecnología plana impresa. En este diseño, las dos líneas están impresas en lados opuestos del dieléctrico en lugar de una al lado de la otra. El acoplamiento de las dos líneas a lo ancho es mucho mayor que el acoplamiento cuando están de canto entre sí. [15]
El diseño de línea acoplada λ/4 es bueno para implementaciones coaxiales y de línea de banda, pero no funciona tan bien en el ahora popular formato de microcinta, aunque existen diseños. La razón de esto es que la microstrip no es un medio homogéneo: hay dos medios diferentes encima y debajo de la tira de transmisión. Esto conduce a modos de transmisión distintos del modo TEM habitual que se encuentra en los circuitos conductores. Las velocidades de propagación de los modos pares e impares son diferentes, lo que provoca dispersión de la señal. Una mejor solución para microstrip es una línea acoplada mucho más corta que λ/4, como se muestra en la figura 5, pero tiene la desventaja de un factor de acoplamiento que aumenta notablemente con la frecuencia. Una variación de este diseño que a veces se encuentra tiene la línea acoplada con una impedancia mayor que la línea principal, como se muestra en la figura 6. Este diseño es ventajoso cuando el acoplador se alimenta a un detector para monitoreo de energía. La línea de impedancia más alta da como resultado un voltaje de RF más alto para una potencia de línea principal determinada, lo que facilita el trabajo del diodo detector. [dieciséis]
El rango de frecuencia especificado por los fabricantes es el de la línea acoplada. La respuesta de la línea principal es mucho más amplia: por ejemplo, un acoplador especificado entre 2 y 4 GHz podría tener una línea principal que podría funcionar entre 1 y 5 GHz . La respuesta acoplada es periódica con la frecuencia. Por ejemplo, un acoplador de línea acoplada λ/4 tendrá respuestas en n λ/4 donde n es un número entero impar. [17]
Una única sección acoplada λ/4 es buena para anchos de banda inferiores a una octava. Para lograr mayores anchos de banda se utilizan múltiples secciones de acoplamiento λ/4. El diseño de tales acopladores se realiza de manera muy similar al diseño de filtros de elementos distribuidos . Las secciones del acoplador se tratan como secciones de un filtro y, al ajustar el factor de acoplamiento de cada sección, se puede hacer que el puerto acoplado tenga cualquiera de las respuestas de filtro clásicas, como máximamente plana ( filtro Butterworth ), ondulación igual ( Filtro Cauer ), o una respuesta de ondulación especificada ( filtro Chebychev ). La ondulación es la variación máxima en la salida del puerto acoplado en su banda de paso , generalmente citada como más o menos un valor en dB del factor de acoplamiento nominal. [18]
Se puede demostrar que los acopladores direccionales de línea acoplada tienen frecuencias puramente reales y puramente imaginarias en todas las frecuencias. Esto conduce a una simplificación de la matriz S y al resultado de que el puerto acoplado siempre está en fase de cuadratura (90°) con el puerto de salida. Algunas aplicaciones hacen uso de esta diferencia de fase. Dejando , el caso ideal de operación sin pérdidas se simplifica a, [19]
El acoplador de ramales consta de dos líneas de transmisión paralelas físicamente acopladas entre sí con dos o más ramales entre ellas. Los ramales están espaciados λ/4 y representan secciones de un diseño de filtro de múltiples secciones de la misma manera que las múltiples secciones de un acoplador de línea acoplada excepto que aquí el acoplamiento de cada sección se controla con la impedancia de los ramales. . La línea principal y acoplada son de la impedancia del sistema. Cuantas más secciones haya en el acoplador, mayor será la relación de impedancias de los ramales. Las líneas de alta impedancia tienen pistas estrechas y esto suele limitar el diseño a tres secciones en formatos planos debido a limitaciones de fabricación. Se aplica una limitación similar para factores de acoplamiento inferiores a 10 dB ; El bajo acoplamiento también requiere vías estrechas. Las líneas acopladas son una mejor opción cuando se requiere un acoplamiento flojo, pero los acopladores de líneas secundarias son buenos para un acoplamiento estrecho y se pueden usar para híbridos de 3 dB . Los acopladores de ramales no suelen tener un ancho de banda tan amplio como el de las líneas acopladas. Este estilo de acoplador es bueno para implementar en formatos de barra sólida, dieléctrico de aire y de alta potencia, ya que la estructura rígida es fácil de soportar mecánicamente. [20]
Los acopladores de líneas secundarias se pueden utilizar como cruces como alternativa a los puentes aéreos, que en algunas aplicaciones provocan una cantidad inaceptable de acoplamiento entre las líneas que se cruzan. En teoría, un cruce ideal de un ramal no tiene acoplamiento entre los dos caminos que lo atraviesan. El diseño es un acoplador de 3 derivaciones equivalente a dos acopladores híbridos de 90° de 3 dB conectados en cascada . El resultado es efectivamente un acoplador de 0 dB . Cruzará las entradas a las salidas diagonalmente opuestas con un retardo de fase de 90° en ambas líneas. [21] [22]
La construcción del acoplador Lange es similar al filtro interdigital con líneas paralelas entrelazadas para lograr el acoplamiento. Se utiliza para acoplamientos fuertes en el rango de 3 dB a 6 dB . [23]
Los primeros divisores de potencia de las líneas de transmisión eran simples uniones en T. Estos sufren de un aislamiento muy deficiente entre los puertos de salida: una gran parte de la potencia reflejada desde el puerto 2 llega al puerto 3. Se puede demostrar que, en teoría, no es posible hacer coincidir simultáneamente los tres puertos de un puerto pasivo sin pérdidas. tres puertos y un aislamiento deficiente es inevitable. Sin embargo, es posible con cuatro puertos y esta es la razón fundamental por la que se utilizan dispositivos de cuatro puertos para implementar divisores de potencia de tres puertos: los dispositivos de cuatro puertos se pueden diseñar de manera que la energía que llega al puerto 2 se divida entre el puerto 1. y el puerto 4 (que termina con una carga coincidente) y ninguno (en el caso ideal) va al puerto 3. [24]
El término acoplador híbrido se aplicaba originalmente a acopladores direccionales de línea acoplada de 3 dB , es decir, acopladores direccionales en los que las dos salidas son cada una la mitad de la potencia de entrada. Esto también significaba un acoplador de cuadratura de 3 dB con salidas desfasadas 90°. Ahora, cualquier conector de 4 puertos combinado con brazos aislados y división de potencia igual se denomina acoplador híbrido o híbrido. Otros tipos pueden tener diferentes relaciones de fase. Si es de 90°, es un híbrido de 90°, si es de 180°, un híbrido de 180° y así sucesivamente. En este artículo, acoplador híbrido sin calificación significa un híbrido de línea acoplada. [25]
El divisor de potencia Wilkinson consta de dos líneas de transmisión paralelas desacopladas λ/4. La entrada se alimenta a ambas líneas en paralelo y las salidas terminan con el doble de la impedancia del sistema puenteada entre ellas. El diseño se puede realizar en formato plano, pero tiene una implementación más natural en coaxial: en plano, las dos líneas deben mantenerse separadas para que no se acoplen, sino que deben juntarse en sus salidas para que puedan terminarse, mientras que En coaxial, las líneas se pueden tender una al lado de la otra dependiendo de los conductores exteriores coaxiales para el apantallamiento. El divisor de potencia de Wilkinson resuelve el problema de coincidencia de la unión en T simple: tiene un VSWR bajo en todos los puertos y un alto aislamiento entre los puertos de salida. Las impedancias de entrada y salida en cada puerto están diseñadas para ser iguales a la impedancia característica del sistema de microondas. Esto se logra haciendo que la impedancia de línea del sistema sea impedancia: para un sistema de 50 Ω , las líneas de Wilkinson son de aproximadamente 70 Ω [26]
Los acopladores direccionales de línea acoplada se describen arriba. Cuando el acoplamiento está diseñado para ser de 3 dB , se denomina acoplador híbrido. La matriz S para un acoplador híbrido simétrico ideal se reduce a;
Los dos puertos de salida tienen una diferencia de fase de 90° (-i a −1), por lo que se trata de un híbrido de 90°. [27]
El acoplador de anillo híbrido , también llamado acoplador de carrera de ratas, es un acoplador direccional de cuatro puertos de 3 dB que consta de un anillo de línea de transmisión de 3λ/2 con cuatro líneas en los intervalos que se muestran en la figura 12. La entrada de energía en el puerto 1 se divide y viaja en ambos sentidos alrededor del anillo. En los puertos 2 y 3 la señal llega en fase y se suma mientras que en el puerto 4 está desfasada y se cancela. Los puertos 2 y 3 están en fase entre sí, por lo que este es un ejemplo de híbrido de 0°. La Figura 12 muestra una implementación plana, pero este diseño también se puede implementar en coaxial o guía de ondas. Es posible producir un acoplador con un factor de acoplamiento diferente de 3 dB haciendo que cada sección λ/4 del anillo tenga impedancias altas y bajas alternativamente, pero para un acoplador de 3 dB todo el anillo está hecho de impedancias de puerto; para un acoplador de 50 Ω diseñar el anillo sería de aproximadamente 70 Ω . [28]
La matriz S para este híbrido viene dada por;
El anillo híbrido no es simétrico en sus puertos; elegir un puerto diferente como entrada no necesariamente produce los mismos resultados. Con el puerto 1 o el puerto 3 como entrada, el anillo híbrido es un híbrido de 0° como se indica. Sin embargo, usar el puerto 2 o el puerto 4 como entrada da como resultado un híbrido de 180°. [29] Este hecho conduce a otra aplicación útil del anillo híbrido: se puede utilizar para producir señales de suma (Σ) y diferencia (Δ) a partir de dos señales de entrada, como se muestra en la figura 12. Con entradas a los puertos 2 y 3, el La señal Σ aparece en el puerto 1 y la señal Δ aparece en el puerto 4. [30]
En la figura 13 se muestra un divisor de potencia típico. Idealmente, la potencia de entrada se dividiría en partes iguales entre los puertos de salida. Los divisores se componen de múltiples acopladores y, al igual que los acopladores, pueden invertirse y usarse como multiplexores . El inconveniente es que para un multiplexor de cuatro canales, la salida consta de sólo 1/4 de la potencia de cada uno y es relativamente ineficiente. La razón de esto es que en cada combinador la mitad de la potencia de entrada va al puerto 4 y se disipa en la carga de terminación. Si las dos entradas fueran coherentes, las fases podrían disponerse de tal manera que la cancelación se produjera en el puerto 4 y luego toda la energía pasaría al puerto 1. Sin embargo, las entradas del multiplexor suelen provenir de fuentes totalmente independientes y, por lo tanto, no son coherentes. La multiplexación sin pérdidas sólo se puede realizar con redes de filtrado. [31]
El acoplador de ramales descrito anteriormente también se puede implementar en una guía de ondas. [32]
Uno de los acopladores direccionales de guía de ondas más comunes y simples es el acoplador direccional de Bethe-hole. Consta de dos guías de ondas paralelas, una apilada encima de la otra, con un agujero entre ellas. Parte de la energía de una guía se lanza a través del agujero hacia la otra. El acoplador Bethe-hole es otro ejemplo de acoplador hacia atrás. [33]
El concepto del acoplador Bethe-hole se puede ampliar proporcionando múltiples orificios. Los agujeros están espaciados λ/4. El diseño de tales acopladores tiene paralelos con las líneas de transmisión acopladas de múltiples secciones. El uso de múltiples orificios permite ampliar el ancho de banda diseñando las secciones como Butterworth, Chebyshev o alguna otra clase de filtro. El tamaño del orificio se elige para proporcionar el acoplamiento deseado para cada sección del filtro. Los criterios de diseño son lograr un acoplamiento sustancialmente plano junto con una alta directividad sobre la banda deseada. [34]
El acoplador de ranura corta Riblet son dos guías de ondas una al lado de la otra con la pared lateral en común en lugar del lado largo como en el acoplador de orificio Bethe. Se corta una ranura en la pared lateral para permitir el acoplamiento. Este diseño se utiliza frecuentemente para producir un acoplador de 3 dB . [35]
El acoplador de fase inversa Schwinger es otro diseño que utiliza guías de ondas paralelas, esta vez el lado largo de una es común con la pared lateral corta de la otra. Se cortan dos ranuras descentradas entre las guías de ondas espaciadas λ/4. El Schwinger es un acoplador hacia atrás. Este diseño tiene la ventaja de una respuesta de directividad sustancialmente plana y la desventaja de un acoplamiento fuertemente dependiente de la frecuencia en comparación con el acoplador Bethe-hole, que tiene poca variación en el factor de acoplamiento. [36]
El acoplador de guía cruzada Moreno tiene dos guías de ondas apiladas una encima de la otra como el acoplador Bethe-hole, pero en ángulo recto entre sí en lugar de paralelas. Entre las guías de ondas se cortan dos agujeros descentrados, generalmente en forma de cruz, a una distancia entre sí en diagonal. El acoplador Moreno es bueno para aplicaciones de acoplamiento apretado. Es un compromiso entre las propiedades de los acopladores Bethe-hole y Schwinger, donde tanto el acoplamiento como la directividad varían con la frecuencia. [37]
El anillo híbrido comentado anteriormente también se puede implementar en una guía de ondas. [38]
La división coherente de la energía se logró por primera vez mediante simples uniones en T. En frecuencias de microondas, las tees de guía de ondas tienen dos formas posibles: el plano E y el plano H. Estas dos uniones dividen la energía en partes iguales, pero debido a las diferentes configuraciones de campo en la unión, los campos eléctricos en los brazos de salida están en fase para la T del plano H y están desfasados 180° para la T del plano E. La combinación de estos dos tees para formar un tee híbrido se conoce como tee mágico . La T mágica es un componente de cuatro puertos que puede realizar la suma vectorial (Σ) y la diferencia (Δ) de dos señales de microondas coherentes. [39]
El transformador híbrido estándar de 3 dB se muestra en la figura 16. La energía en el puerto 1 se divide en partes iguales entre los puertos 2 y 3, pero en antifase entre sí. Por tanto, el transformador híbrido es un híbrido de 180°. La toma central suele terminar internamente, pero es posible sacarla como puerto 4; en cuyo caso el híbrido se puede utilizar como un híbrido de suma y diferencia. Sin embargo, el puerto 4 presenta una impedancia diferente a la de los otros puertos y requerirá un transformador adicional para la conversión de impedancia si es necesario utilizar este puerto con la misma impedancia del sistema. [40]
Los transformadores híbridos se utilizan comúnmente en telecomunicaciones para conversión de 2 a 4 cables. Los teléfonos telefónicos incluyen un convertidor para convertir la línea de 2 hilos en 4 hilos del auricular y el micrófono. [41]
Para frecuencias más bajas (menos de 600 MHz ) es posible una implementación compacta de banda ancha mediante transformadores de RF . En la figura 17 se muestra un circuito destinado a un acoplamiento débil y se puede entender de la siguiente manera: Llega una señal en un par de líneas. Un transformador reduce el voltaje de la señal y el otro reduce la corriente. Por lo tanto, la impedancia coincide. El mismo argumento es válido para cualquier otra dirección de una señal a través del acoplador. El signo relativo del voltaje y la corriente inducidos determina la dirección de la señal saliente. [42]
El acoplamiento viene dado por;
Para un acoplamiento de 3 dB , es una división igual de la señal entre el puerto transmitido y el puerto acoplado, y el puerto aislado termina en el doble de la impedancia característica: 100 Ω para un sistema de 50 Ω . Un divisor de potencia de 3 dB basado en este circuito tiene las dos salidas en una fase de 180° entre sí, en comparación con las líneas acopladas λ/4 que tienen una relación de fase de 90°. [43]
Se puede utilizar un circuito en T simple de resistencias como divisor de potencia, como se muestra en la figura 18. Este circuito también se puede implementar como un circuito delta aplicando la transformada Y-Δ . La forma delta utiliza resistencias que son iguales a la impedancia del sistema. Esto puede resultar ventajoso porque siempre hay disponibles resistencias de precisión del valor de la impedancia del sistema para la mayoría de las impedancias nominales del sistema . El circuito en T tiene los beneficios de simplicidad, bajo costo y ancho de banda intrínsecamente amplio. Tiene dos inconvenientes importantes; Primero, el circuito disipará potencia ya que es resistivo: una división igual dará como resultado una pérdida de inserción de 6 dB en lugar de 3 dB . El segundo problema es que hay una directividad de 0 dB que conduce a un aislamiento muy deficiente entre los puertos de salida. [44]
La pérdida de inserción no es un problema para una división desigual de potencia: por ejemplo -40 dB en el puerto 3 tiene una pérdida de inserción menor que 0,2 dB en el puerto 2. El aislamiento se puede mejorar a expensas de la pérdida de inserción en ambos puertos de salida Reemplazo de las resistencias de salida con almohadillas en T. La mejora del aislamiento es mayor que la pérdida de inserción añadida. [45]
Se puede crear un verdadero divisor/acoplador híbrido con, teóricamente, aislamiento y directividad infinitos a partir de un circuito puente resistivo. Al igual que el circuito en T, el puente tiene una pérdida de inserción de 6 dB . Tiene la desventaja de que no se puede utilizar con circuitos desequilibrados sin la adición de transformadores; sin embargo, es ideal para líneas de telecomunicaciones balanceadas de 600 Ω si la pérdida de inserción no es un problema. Las resistencias en el puente que representan puertos generalmente no son parte del dispositivo (con la excepción del puerto 4 que bien puede dejarse terminado internamente de forma permanente), siendo proporcionadas por las terminaciones de línea. Por tanto, el dispositivo consta esencialmente de dos resistencias (más la terminación del puerto 4). [46]
La salida acoplada del acoplador direccional se puede utilizar para monitorear la frecuencia y el nivel de potencia en la señal sin interrumpir el flujo de energía principal en el sistema (excepto para una reducción de potencia; consulte la figura 3). [47]
Si el aislamiento es alto, los acopladores direccionales son buenos para combinar señales para alimentar una sola línea a un receptor para pruebas de receptores de dos tonos . En la figura 20, una señal ingresa al puerto P 3 y otra ingresa al puerto P 2 , mientras que ambas salen del puerto P 1 . La señal del puerto P 3 al puerto P 1 experimentará una pérdida de 10 dB y la señal del puerto P 2 al puerto P 1 tendrá una pérdida de 0,5 dB . La carga interna en el puerto aislado disipará las pérdidas de señal del puerto P 3 y del puerto P 2 . Si se ignoran los aisladores en la figura 20, la medición del aislamiento (del puerto P 2 al puerto P 3 ) determina la cantidad de energía del generador de señales F 2 que se inyectará en el generador de señales F 1 . A medida que aumenta el nivel de inyección, puede provocar la modulación del generador de señal F1 , o incluso el bloqueo de la fase de inyección. Debido a la simetría del acoplador direccional, la inyección inversa ocurrirá con los mismos posibles problemas de modulación del generador de señal F2 por F1 . Por lo tanto, los aisladores se utilizan en la figura 20 para aumentar efectivamente el aislamiento (o directividad) del acoplador direccional. En consecuencia, la pérdida de inyección será el aislamiento del acoplador direccional más el aislamiento inverso del aislador. [48]
Las aplicaciones del híbrido incluyen comparadores monopulso, mezcladores , combinadores de potencia, divisores, moduladores y sistemas de antenas de radar en fase . Se pueden utilizar dispositivos en fase (como el divisor Wilkinson) y acopladores híbridos en cuadratura (90°) para aplicaciones de divisores de potencia coherentes. En la siguiente sección se proporciona un ejemplo de híbridos en cuadratura que se utilizan en una aplicación de combinador de potencia coherente. [49]
En el hogar se utiliza una versión económica del divisor de potencia para dividir señales de televisión por cable o de televisión por aire a múltiples televisores y otros dispositivos. Los divisores multipuerto con más de dos puertos de salida suelen constar internamente de varios acopladores en cascada. El servicio de Internet de banda ancha nacional puede ser proporcionado por empresas de televisión por cable ( Internet por cable ). El cable módem de Internet del usuario doméstico está conectado a un puerto del divisor. [50]
Dado que los circuitos híbridos son bidireccionales, se pueden utilizar para combinar energía de manera coherente y también para dividirla. En la figura 21, se muestra un ejemplo de una señal dividida para alimentar múltiples amplificadores de baja potencia y luego recombinada para alimentar una sola antena con alta potencia. [51]
Las fases de las entradas a cada combinador de potencia están dispuestas de manera que las dos entradas estén desfasadas 90° entre sí. Dado que el puerto acoplado de un combinador híbrido está desfasado 90° con respecto al puerto transmitido, esto hace que las potencias se sumen en la salida del combinador y se cancelen en el puerto aislado: en la figura 22 se muestra un ejemplo representativo de la figura 21. Tenga en cuenta que hay un cambio de fase fijo adicional de 90° en ambos puertos en cada combinador/divisor que no se muestra en los diagramas por simplicidad. [52] Aplicar energía en fase a ambos puertos de entrada no obtendría el resultado deseado: la suma en cuadratura de las dos entradas aparecería en ambos puertos de salida, es decir, la mitad de la potencia total de cada uno. Este enfoque permite el uso de numerosos amplificadores menos costosos y de menor potencia en el circuito en lugar de un único TWT de alta potencia . Otro enfoque más es hacer que cada amplificador de estado sólido (SSA) alimente una antena y dejar que la energía se combine en el espacio o se use para alimentar una lente conectada a una antena. [53]
Las propiedades de fase de un acoplador híbrido de 90° se pueden utilizar con gran ventaja en circuitos de microondas . Por ejemplo, en un amplificador de microondas balanceado las dos etapas de entrada se alimentan a través de un acoplador híbrido. El dispositivo FET normalmente tiene una coincidencia muy pobre y refleja gran parte de la energía incidente. Sin embargo, dado que los dispositivos son esencialmente idénticos, los coeficientes de reflexión de cada dispositivo son iguales. El voltaje reflejado de los FET está en fase en el puerto aislado y tiene una diferencia de 180° en el puerto de entrada. Por lo tanto, toda la energía reflejada de los FET va a la carga en el puerto aislado y ninguna energía llega al puerto de entrada. Esto da como resultado una buena coincidencia de entrada (VSWR bajo). [54]
Si se utilizan líneas de fase coincidente para una entrada de antena a un acoplador híbrido de 180° como se muestra en la figura 23, se producirá un nulo directamente entre las antenas. Para recibir una señal en esa posición, habría que cambiar el tipo de híbrido o la longitud de la línea. Rechazar una señal de una dirección determinada o crear el patrón de diferencia para un radar monopulso es un buen enfoque. [55]
Los acopladores de diferencia de fase se pueden utilizar para crear inclinación del haz en una estación de radio FM VHF , retrasando la fase hacia los elementos inferiores de un conjunto de antenas . De manera más general, los acopladores de diferencia de fase, junto con retardos de fase fijos y conjuntos de antenas, se utilizan en redes de formación de haces como la matriz de Butler , para crear un haz de radio en cualquier dirección prescrita. [56]
Este artículo incorpora material de dominio público del Manual de ingeniería de sistemas de radar y guerra electrónica (número de informe TS 92-78). Departamento de Aviónica de la División de Armas del Centro de Guerra Aérea Naval . Consultado el 9 de junio de 2006 . (págs. 6–4.1 a 6–4.5 Divisores de potencia y acopladores direccionales).
