Divisores de potencia y acopladores direccionales

Los divisores de potencia (también divisores de potencia y, cuando se usan a la inversa, combinadores de potencia ) y los 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 que la señal se use en otro circuito. Una característica esencial de los acopladores direccionales es que solo acoplan la potencia 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 potencia en partes iguales entre dos puertos se denomina acoplador híbrido .

Los acopladores direccionales se construyen con mayor frecuencia a partir de dos líneas de transmisión acopladas colocadas lo suficientemente juntas 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 usar diseños de guía 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 los divisores de potencia tienen muchas aplicaciones. Estos incluyen proporcionar una muestra de señal para medición o monitoreo, retroalimentación, combinación de alimentaciones hacia y desde antenas, formación de haz de antena, suministro de derivaciones para sistemas distribuidos por cable, como televisión por cable, y separación de señales transmitidas y recibidas en líneas telefónicas.

Los símbolos que se utilizan con mayor frecuencia para los 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 energía. El puerto 3 es el puerto acoplado donde aparece una parte de la potencia aplicada al puerto 1. El puerto 2 es el puerto transmitido 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 conectará al puerto 4. Sin embargo, el dispositivo normalmente no se usa en este modo y el puerto 4 generalmente termina con una carga coincidente.(típicamente 50 ohmios). Esta terminación puede ser interna al dispositivo y el puerto 4 no es accesible para el usuario. 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]

En la figura 2 se muestra un símbolo para los divisores de potencia. Los divisores de potencia y los acopladores direccionales son, en esencia, la misma clase de dispositivo. El acoplador direccional tiende a usarse para dispositivos de 4 puertos que solo están débilmente acoplados, es decir, solo una pequeña fracción de la potencia de entrada aparece en el puerto acoplado. El divisor de potencia se usa 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]

Un acoplador direccional de 10 dB 1,7–2,2 GHz. De izquierda a derecha: puerto de entrada, acoplado, aislado (terminado con una carga) y transmitido.
Un divisor/combinador de potencia de 3 dB 2,0–4,2 GHz.
Figura 1 . Dos símbolos utilizados para acopladores direccionales
Figura 2 . Símbolo del divisor de potencia
Figura 3 . Gráfico de pérdida de inserción por acoplamiento
Figura 4 . Acoplador direccional λ/4 de una sección
Figura 6 . Acoplador direccional de sección corta con línea principal de 50 Ω y línea acoplada de 100 Ω
Figura 7 . Circuito equivalente de elementos agrupados de los acopladores representados en las figuras 5 y 6
Figura 8 . Un acoplador direccional de formato plano de 5 secciones
Figura 9 . Acoplador de ramal de 3 tramos implementado en formato plano
Figura 10 . División de potencia de unión en T simple en formato plano
Figura 11 . Divisor Wilkinson en formato coaxial
Figura 12 . Acoplador de anillo híbrido en formato plano
Figura 13 . Divisor de poder
Figura 14 . Un acoplador direccional de orificios múltiples
Figura 15 . Camiseta mágica
Figura 16 . Transformador híbrido de 3 dB para un sistema de 50 Ω
Figura 17 . Acoplador direccional mediante transformadores
Figura 18 . Circuito en T resistivo simple para un sistema de 50 Ω
Figura 19 . Híbrido de puente resistivo de 6 dB para un sistema de 600 Ω
Figura 20 . Configuración de prueba del receptor de dos tonos
Figura 21 . Redes divisoras y combinadoras utilizadas con amplificadores para producir un amplificador de estado sólido de alta potencia de 40 dB (ganancia de voltaje 100)
Figura 22 . Disposición de fase en un combinador de potencia híbrido.
Figura 23 . Combinación de fase de dos antenas