6.5: Acoplador Direccional

El acoplamiento se puede explotar para realizar un nuevo tipo de elemento llamado acoplador direccional. El esquema de un acoplador direccional se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a) y una realización de microcinta se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b). Un acoplador direccional utilizable tiene una longitud de línea acoplada de al menos un cuarto

Figura\(\PageIndex{1}\): Acopladores direccionales: (a) esquemático; y (b) acoplador de microcinta acoplado hacia atrás. (Tenga en cuenta que no todos los acopladores son acopladores de onda hacia atrás como se muestra en (a)).

Parámetro	Ideal	Ideal (\(\text{dB}\))	Típico
Acoplamiento,\(C\)	\(-\)	\ (\ text {dB}\)) ">\(-\)	\(3-40\text{ dB}\)
Transmisión,\(T\)	\(|\sqrt{1-1/C^{2}}|\)	\ (\ text {dB}\)) ">\(20\log |\sqrt{1-1/C^{2}}|\)	\(-0.5\text{ dB}\)
Directividad,\(D\)	\(∞\)	\ (\ text {dB}\)) ">\(∞\)	\(40\text{ dB}\)
Aislamiento,\(I\)	\(∞\)	\ (\ text {dB}\)) ">\(∞\)	\(40\text{ dB}\)

Tabla\(\PageIndex{1}\): Parámetros ideales y típicos de un acoplador direccional.

longitud de onda, con longitudes de línea más largas que resultan en un funcionamiento de ancho de banda Los acopladores direccionales se utilizan para muestrear una onda viajera en una línea y para inducir una imagen generalmente mucho más pequeña de la onda en otra línea. Es decir, las olas que viajan hacia adelante y hacia atrás están separadas. Aquí una cantidad prescrita de la energía incidente se acopla fuera del sistema. Así, por ejemplo, un acoplador de\(20\text{ dB}\) microcinta es un par de líneas de microcinta acopladas en las que la entrada\(1/100\) de energía está acoplada desde una línea de microcinta a la otra.

Haciendo referencia a la Figura\(\PageIndex{1}\), se especifica un acoplador en términos de los siguientes parámetros (siempre verifique la magnitud de los factores, ya que algunos papeles y libros sobre acopladores utilizan la inversa de los\(C\) utilizados aquí):

• Factor de acoplamiento:
  \(\begin{array}{lll}{C=V_{1}^{+}/V_{3}^{-}}&{=}&{\text{inverse of the voltage fraction "transferred"}}\\{}&{}&{\text{(coupled) across to the opposite arm }(C>1).}\end{array}\)
• Factor de transmisión (inverso de la pérdida de inserción):
  \(\begin{array}{lll}{T=V_{2}^{-}/V_{1}^{+}}&{=}&{\text{transmission directly through the "primary" arm}}\\{}&{}&{\text{of the structure }(T<1).}\end{array}\)
• Factor de directividad:
  \(\begin{array}{lll}{D=V_{3}^{-}/V_{4}^{-}}&{=}&{\text{measure of the undesired coupling from Port 1 to}}\\{}&{}&{\text{Port 4 relative to the signal level at Port 3 }(D>1).}\end{array}\)
• Factor de aislamiento:
  \(\begin{array}{lll}{I=V_{1}^{+}/V_{4}^{-}}&{=}&{\text{isolation between Port 4 and Port 1 }(I>1).}\end{array}\)

Es habitual cotizar estas cantidades en decibelios. Por ejemplo, el factor de acoplamiento en decibelios es\(C|_{\text{dB}} = 20 \log C\). Por lo que el\(20\text{ dB}\) acoplamiento indica que el factor de acoplamiento es\(10\). Un acoplador ideal de cuarto de onda tiene\(D = ∞\) (es decir, directividad infinita) y

\[\label{eq:1}C=\frac{Z_{0e}+z_{0o}}{Z_{0e}-Z_{0o}} \]

En decibelios el acoplamiento es

\[\label{eq:2}C|_{\text{dB}} = 20\log\left(\frac{Z_{0e}+Z_{0o}}{Z_{0e}-Z_{0o}}\right) \]

Los parámetros típicos e ideales de un acoplador direccional se dan en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Dado que un acoplador ideal no disipa la potencia, la magnitud del coeficiente de transmisión es

\[\label{eq:3}|T|=|\sqrt{1-1/C^{2}}| \]

Hay muchos tipos de acopladores direccionales, y las fases de las olas que viajan en los puertos no necesariamente coincidirán. El acoplador de microcinta que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b) tiene acoplamiento máximo cuando las líneas tienen un cuarto de longitud de onda. \(^{1}\)A la frecuencia en la que están a un cuarto

Figura\(\PageIndex{2}\): Líneas acopladas paralelas con capacitores agrupados que reducen la longitud de las líneas acopladas.

longitud de onda larga, la diferencia de fase entre las ondas viajeras que entran en el Puerto 1 y salen en el Puerto 2 será\(90^{\circ}\).

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Directional Coupler Isolation

Un acoplador direccional sin pérdidas tiene acoplamiento\(C = 20\text{ dB}\)\(0.8\), factor de transmisión y directividad\(20\text{ dB}\). ¿Cuál es el aislamiento? Exprese su respuesta en decibelios.

Solución

Factor de acoplamiento:\(C=V_{1}^{+}/V_{3}^{-}\)

Factor de transmisión:\(T=V_{2}^{-}/V_{1}^{+}\)

Factor de directividad:\(D=V_{3}^{-}/V_{4}^{-}\)

Factor de aislamiento:\(I=V_{1}^{+}/V_{4}^{-}\)

Figura\(\PageIndex{3}\)

\[D=20\text{ dB}=10\quad\text{and}\quad C=20\text{ dB}=10\nonumber \]

por lo que el aislamiento es

\[I=\frac{V_{1}^{+}}{V_{4}^{-}}=\frac{V_{3}^{-}}{V_{4}^{-}}\cdot\frac{V_{1}^{+}}{V_{3}^{-}}=D\cdot C=10\cdot 10=100=40\text{ dB}\nonumber \]

6.5.1 Acoplador Direccional con Capacitores Acumulados

Los acopladores direccionales que utilizan solo líneas de transmisión acopladas pueden ser grandes a bajas frecuencias, ya que la longitud mínima es aproximadamente de un cuarto de longitud de onda. Esto puede ser un problema en RF y frecuencias bajas de microondas, digamos, a continuación\(3\text{ GHz}\). La longitud de la línea se puede reducir incorporando elementos agrupados, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\) (a).

Notas al pie

[1] Esto se muestra en una derivación detallada proporcionada en la Sección 11.4 de [1].