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Introducción a los ingenieros de RF: ¿cómo diseñar circuitos acopladores direccionales?

Fecha de lanzamiento: 2021-12-28Fuente del autor: KinghelmVistas: 841


En aplicaciones de radiofrecuencia (RF), como radares automotrices, celulares 5g e Internet de las cosas, el uso de fuentes de RF en sistemas electrónicos aumenta día a día. Todas estas fuentes de RF deben intentar monitorear y controlar el nivel de potencia de RF sin causar pérdida de línea de transmisión y carga. Además, algunas aplicaciones requieren una salida de transmisor de alta potencia, por lo que los diseñadores deben intentar monitorear la señal de salida en lugar de conectar directamente instrumentos sensibles para evitar daños causados ​​por un alto nivel de señal.


Además, existen muchos otros desafíos: cómo determinar las características de las cargas de RF (como las antenas) en un amplio rango de frecuencias; Cómo monitorear el cambio de carga y la relación de onda estacionaria cuando el transmisor está en estado de transmisión para evitar una gran potencia reflejada y daños al amplificador.


Estos requisitos y desafíos se pueden resolver simplemente conectando el acoplador direccional a la línea de transmisión. Este método puede monitorear con precisión el flujo de energía de RF en la línea y reducir el nivel de potencia en una cantidad fija conocida. En el proceso de muestreo, el acoplador direccional tiene poca interferencia con la señal de la línea principal. Además, la potencia directa y reflejada se puede separar, lo que permite monitorear la pérdida de retorno o la relación de onda estacionaria, para proporcionar retroalimentación de cambio de carga durante la transmisión.


Este artículo analiza el funcionamiento de acopladores direccionales, presenta tres topologías y productos relacionados lanzados por ANAREN, M/A-COM y dispositivos analógicos. Luego, este documento presenta en detalle las características típicas del producto y muestra los métodos de uso efectivo.



¿Qué es un acoplador direccional?



El acoplador direccional es un tipo de equipo de medición que se puede conectar a la línea de transmisión entre la fuente de RF y la carga, como un generador de señal, un analizador de red vectorial y un transmisor para medir la potencia de RF (componente directo) desde la fuente de RF a la carga y la potencia reflejada desde atrás. cargar a la fuente de RF (componente reflejado). Si se miden los componentes directo y reflejado, se puede calcular la potencia total, la pérdida de retorno y la relación de onda estacionaria de la carga.


El circuito de cuatro puertos del acoplador direccional se puede configurar como un dispositivo de tres o cuatro terminales (Fig. 1).



Figura 1: símbolos esquemáticos del acoplador direccional de tres puertos (izquierda) y de cuatro puertos (derecha). (fuente de la imagen: electrónica digi key)



Generalmente, la fuente de alimentación está conectada al puerto de entrada del acoplador y la carga está conectada al puerto de salida o transmisión. La salida del puerto de acoplamiento es la señal directa atenuada. El valor de atenuación se muestra en el diagrama esquemático del dispositivo de tres puertos. En equipos de tres puertos, el puerto de aislamiento tiene una terminación interna; En un dispositivo de cuatro puertos, la salida del puerto es directamente proporcional a la señal reflejada. Las flechas dentro de los símbolos esquemáticos indican las rutas de los componentes. Por ejemplo, en una configuración de cuatro puertos, el puerto de entrada apunta al puerto de acoplamiento, lo que indica que recibe el componente directo, mientras que el puerto de salida está conectado al puerto de aislamiento, que se utiliza para leer la señal reflejada. Los números de puerto no están estandarizados y varían de un fabricante a otro. Sin embargo, los nombres de los puertos de varios proveedores son relativamente uniformes.


El acoplador es un dispositivo simétrico y la conexión de cada puerto es intercambiable. Para dispositivos de tres puertos, invertir los puertos de entrada y salida convierte al puerto 3 en un puerto aislado. En un dispositivo de cuatro puertos, al invertir los puertos de entrada y salida se intercambian los puertos de acoplamiento y aislamiento.

La salida del acoplador es una señal de RF. La salida del puerto de acoplamiento y aislamiento generalmente está conectada a un detector de pico o RMS, que puede generar señales de banda base relacionadas con los niveles de potencia directa y reflejada. El acoplador direccional se combina con el detector de correlación para formar un reflectómetro.

En algunos casos, la conexión espalda con espalda de dos acopladores direccionales puede formar un acoplador direccional doble para minimizar las fugas entre el puerto de acoplamiento y el puerto de aislamiento.



Especificación del acoplador direccional



El acoplador direccional tiene varias características clave, que incluyen ancho de banda, potencia de entrada nominal, pérdida de inserción, planicidad de frecuencia, coeficiente de acoplamiento, directividad, aislamiento y relación de onda estacionaria de voltaje residual (VSWR).


Ancho de banda: el ancho de banda del acoplador representa el rango de frecuencia en Hertz. Dentro de este rango de frecuencia, el acoplador puede funcionar dentro del rango de especificación.


Potencia de entrada nominal: para señales de entrada de onda continua (CW) y pulsos, el acoplador tiene la potencia de entrada nominal máxima en vatios. Este valor representa la potencia máxima que el dispositivo puede manejar sin reducir el rendimiento ni causar daños físicos.


Pérdida de inserción: se utiliza para describir la pérdida de potencia causada por el acceso del equipo a la ruta de transmisión principal, en dB.


Planicidad de frecuencia: la planicidad de frecuencia se refiere al cambio de respuesta de amplitud de la ruta de transmisión principal dentro del ancho de banda específico del equipo. Este valor es función del cambio de frecuencia de la señal de entrada, en dB.
Coeficiente de acoplamiento: el coeficiente de acoplamiento se refiere a la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida del puerto de acoplamiento cuando todos los puertos del acoplador están terminados correctamente, en dB. Esta es una de las principales características del acoplador direccional. La salida del puerto de acoplamiento es directamente proporcional al nivel de potencia del camino directo (de entrada a salida) y el coeficiente de escala es un valor conocido. La salida del puerto de acoplamiento se puede conectar a otros instrumentos como un osciloscopio sin riesgo de sobrecarga del instrumento.


Aislamiento: cuando todos los puertos están correctamente terminados, la relación de potencia entre el puerto de entrada y el puerto de aislamiento está en dB.


Directividad: cuando todos los puertos están correctamente terminados, la relación de potencia entre el puerto de acoplamiento y el puerto de aislamiento está en dB.
Para acopladores de tres puertos, generalmente se realizan dos mediciones de potencia: una bajo terminación directa normal y la otra bajo conexión inversa de los puertos de entrada y salida. Esta especificación se utiliza para medir el grado de separación de los componentes directos y de reflexión; Generalmente, cuanto mayor sea la directividad, mejor será el rendimiento del acoplador. La directividad no se puede medir directamente, solo se puede calcular a través de los valores medidos de aislamiento y aislamiento inverso.


VSWR residual: la relación de onda estacionaria medida cuando todos los puertos del acoplador están terminados correctamente. Este valor se utiliza para medir la adaptación de impedancia inherente del acoplador.



Topología del acoplador direccional



El diseño del acoplador direccional se puede realizar de varias maneras. Las tres topologías más comunes son transformador de RF, puente de resistencia y línea de transmisión acoplada. La topología basada en transformador de RF utiliza dos transformadores de RF (Figura 2). El transformador T1} se utiliza para detectar la corriente de la línea principal entre la entrada y la carga. El otro transformador T2 se utiliza para detectar la tensión a tierra de la línea principal. El coeficiente de acoplamiento depende de la relación de vueltas del transformador n.


Figura 2: la topología del acoplador direccional basada en un transformador de RF utiliza dos transformadores de RF para detectar componentes directos y reflejados en la línea principal. (fuente de la imagen: electrónica digi key)


Combinando el voltaje inducido de cada transformador en la línea de acoplamiento y sumando los resultados, se puede realizar el análisis de funcionamiento teórico de este tipo de acoplador direccional (Fig. 3). Vin, es el voltaje directo y VL, es el voltaje reflejado.



 

Figura 3: análisis del acoplador basado en transformador mediante el análisis del voltaje de dos transformadores en la línea de acoplamiento. (fuente de la imagen: electrónica digi key)


En la figura anterior, para calcular el voltaje del puerto de acoplamiento (VF % % % % % % % ') y el voltaje del puerto de aislamiento (VR % % % % %') en la línea de acoplamiento, conecte el transformador de detección de corriente, pero retire el transformador de detección de voltaje. De manera similar, el transformador de detección de corriente se retira en la figura siguiente y el transformador de detección de voltaje se conecta al puerto para calcular VF "y VR". El voltaje del puerto de acoplamiento VF se puede obtener sumando VF % % % % % 'y VF ":



 公式 1



Por lo tanto, el voltaje del puerto de acoplamiento es igual al voltaje de entrada dividido por la relación de vueltas del transformador.


De manera similar, el voltaje del puerto de aislamiento se puede obtener sumando VR % % % % % 'y VR ":


 Fórmula 2



El voltaje del puerto de aislamiento es igual al voltaje reflejado dividido por el número negativo de relación de vueltas del transformador. El signo negativo indica voltaje reflejado y voltaje directo de 180 °. Fuera de fase.


Este tipo de acoplador direccional tiene un buen rendimiento en un amplio rango de frecuencia. Por ejemplo, el rango de ancho de banda de macp-011045 de M/A-COM es de 5 a 1225 MHz. Este acoplador basado en transformador tiene un coeficiente de acoplamiento de 23 dB y una potencia nominal de 10 W. El aislamiento depende de la frecuencia. Cuando el rango de frecuencia es de menos de 30 MHz a más de 1 GHz, el rango de aislamiento correspondiente es de 45 dB a 27 dB. En un paquete de montaje en superficie, el dispositivo mide 6.35 mm x 7.11 mm x 4.1 mm, por lo que es compatible con la mayoría de las aplicaciones inalámbricas.


El acoplador basado en la línea de transmisión acoplada está compuesto por un cable coaxial o una línea de transmisión de circuito impreso. Este mecanismo organiza estrechamente dos o más líneas de transmisión (generalmente 1/4 de la longitud de onda) de modo que una pequeña cantidad de potencia de señal controlada se escapa de la línea principal a una o más líneas de acoplamiento (Fig. 4).


Figura 4: ejemplo de un acoplador direccional dual que utiliza una línea de transmisión acoplada. La longitud de la línea de transmisión suele ser 1/4 de la longitud de onda central de la banda de frecuencia de diseño. (fuente de la imagen: electrónica digi key)



Puerto de conexión de entrada 1, la mayor parte de la energía se transmite a la carga del puerto de conexión 2. Una pequeña cantidad de energía se acopla a las líneas auxiliares que conectan los puertos 3 y 4. El puerto 3 es un puerto de acoplamiento. El nivel de potencia del puerto representa un porcentaje fijo de la potencia de entrada. El coeficiente de acoplamiento se puede utilizar para describir la potencia del puerto de acoplamiento, que depende de la disposición geométrica de la línea de acoplamiento. La potencia reflejada se acopla al puerto 4 (puerto aislado).


El 11302-20} de ANAREN es un acoplador direccional de línea de transmisión acoplada típico con un rango de frecuencia de 190 a 400 MHz y una potencia de procesamiento de hasta 100 W. El coeficiente de acoplamiento nominal del dispositivo es de 20 dB y la pérdida de inserción es de 0.3 dB. El paquete es de montaje en superficie y tiene un tamaño de 16.51 x 12.19 x 3.58 mm. Se puede utilizar para monitorear el nivel de potencia y la medición VSWR de transmisores de potencia media. El tamaño de este tipo de acoplador está relacionado con el rango de frecuencia. Cuanto menor sea la frecuencia de trabajo, mayor será la longitud. Por lo tanto, se usa comúnmente en aplicaciones UHF y de alta frecuencia, y el tamaño del equipo correspondiente es pequeño.


La última topología del acoplador direccional es el puente direccional y el circuito está relacionado con el puente de Wheatstone clásico. Los detectores adl5920 RMS y VSWR de dispositivos analógicos utilizan esta topología (Figura 5).



Figura 5: diagrama esquemático simplificado del puente bidireccional utilizado para los detectores adl5920 RMS y VSWR de dispositivos analógicos. Cuando todos los puertos están terminados correctamente, la directividad es de 33 dB y el cálculo se muestra en la figura. (fuente de la imagen: dispositivos analógicos)



El adl5920 utiliza un puente de resistencia para separar los voltajes directo y reflejado en la línea de transmisión. Como se muestra en la figura, la directividad teórica de los equipos de baja frecuencia se puede calcular cuando todos los puertos están terminados correctamente. La directividad obtenida es de 33 dB. En el puente, las señales de salida de vrev y vfwd se transmiten al detector en cascada RMS (el rango dinámico es de 60 dB). La salida del detector se puede leer linealmente en dB. El tercer voltaje de salida derivado de la diferencia entre la salida directa y la salida reflejada es directamente proporcional a la pérdida de retorno, en dB. El acoplador basado en puente tiene un rango de frecuencia de 9 kHz a 7 GHz y una potencia nominal de 33 DBM (2 W) con una carga correspondiente de 50 Ω. En el rango de frecuencia de 10 MHz a 7 GHz, el rango de pérdida de inserción correspondiente es de 0.9 DB a 2 dB. El equipo está empaquetado en un paquete de montaje en superficie de 5 x 5 mm con un espesor de 0.75 mm.


Analog Devices lanzó la placa de evaluación adl5920-evalz para adl5920. Esta placa de evaluación completamente configurada requiere una fuente de alimentación de 5 V y 200 Ma. Las entradas, salidas y salidas principales se conectan mediante conectores de 2.92 mm. El siguiente esquema muestra las conexiones típicas requeridas para el adl5920 (Figura 6). La placa de evaluación es una herramienta ideal para probar fácilmente adl5920.



Figura 6: diagrama esquemático de la placa de evaluación adl5920-ealz muestra las conexiones típicas requeridas para los detectores RMS y VSWR bidireccionales adl5920 de dispositivos analógicos. (fuente de la imagen: dispositivos analógicos)



El acoplador direccional realizado mediante puente de resistencia proporciona el rango de frecuencia más amplio, que se acerca básicamente a la corriente continua (CC). El acoplador basado en transformador y línea de transmisión tiene más limitaciones de ancho de banda, pero la potencia nominal es mayor.


Cualquiera de los dispositivos anteriores puede extraer muestras de potencia de entrada para circuitos de monitoreo de señales. El nivel de potencia, la frecuencia y la modulación se pueden determinar midiendo las muestras con la ayuda de instrumentos tradicionales como un osciloscopio o un analizador de espectro. Los datos también se pueden integrar en el circuito de retroalimentación para ajustar la salida y permanecer dentro del rango requerido.


El estado de carga se puede representar mediante la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR). La carga VSWR del puerto de salida se puede calcular utilizando las salidas del puerto de acoplamiento y el puerto de aislamiento (es decir, voltaje directo y voltaje reflejado).


Fórmula 3



VSWR puede calcular la pérdida de retorno:



Fórmula 4

Resumen



El acoplador direccional es un equipo de medición muy útil para los diseñadores de sistemas de RF. No solo puede proporcionar una vista proporcional de amplitud del nivel de potencia de RF, sino también separar los componentes de la señal directa y reflejada, lo cual es útil para el análisis de características de carga. Como se mencionó anteriormente, existen tres topologías de acopladores comunes que pueden proporcionar estas salidas, que no solo son de tamaño pequeño, sino que también son compatibles con dispositivos inalámbricos.


La marca "kinghelm" fue registrada originalmente por la empresa golden beacon. Golden beacon es un fabricante de venta directa de antenas GPS y antenas Beidou. Tiene una gran popularidad y reputación en la industria de posicionamiento y navegación GPS de Beidou. Los productos de I+D y producción se utilizan ampliamente en navegación y posicionamiento por satélite BDS, comunicación inalámbrica y otros campos. Los principales productos incluyen: red rj45-rj45, conector de interfaz de red, adaptador de conector RF, conector de cable coaxial, conector tipo C, interfaz HDMI, interfaz tipo C, pin y bus, SMA, FPC, conector de antena FFC, transmisión de señal de antena conector impermeable, interfaz HDMI, USB conector, línea terminal, cableado del tablero terminal, regleta de terminales, línea RF, etiqueta RFID RF Antena de navegación de posicionamiento, cable de conexión de antena de comunicación, antena de varilla de goma, antena de ventosa, Antena 433, antena 4G, antena de módulo GPS, etc. Es ampliamente utilizado en la industria aeroespacial, de comunicaciones, militar, de instrumentación, de seguridad, médica y otras industrias.

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