Los aspectos fundamentales de los acopladores direccionales de RF y cómo usarlos de manera efectiva

Los usos de la radiofrecuencia (RF), como el radar automotriz, la telefonía móvil 5G, la Internet de las cosas (IoT) y otros, están expandiendo la cantidad de fuentes de RF utilizadas en sistemas electrónicos. Todas estas fuentes requieren establecer una metodología para monitorear y controlar los niveles de potencia de RF y, al mismo tiempo, no incurrir en pérdidas en la línea y carga de transmisión. Además, algunos de estos usos tienen una señal de salida del transmisor de alta potencia, por lo que los diseñadores deben encontrar la manera de monitorear esas señales sin conectar directamente los instrumentos sensibles que se podrían dañar por los niveles altos de señal.

Existen otros desafíos, como determinar las características de una carga de RF, como una antena en un rango de frecuencia amplio, o monitorear las variaciones de carga y la relación de onda estacionaria mientras el transmisor está en el aire para evitar generar una potencia reflejada alta y dañar el amplificador.

La solución a estos requisitos y desafíos radica en los acopladores direccionales, insertados en una línea de transmisión. Estos permiten monitorear el flujo de energía de RF en la línea de manera precisa y, al mismo tiempo, reducir los niveles de potencia a un número fijo y establecido. Los acopladores direccionales introdujeron perturbaciones mínimas a la señal de la línea principal en el proceso de muestra. Son capaces de diferenciar entre la potencia directa y la reflejada, y permiten monitorear la pérdida de retorno o la relación de onda estacionaria al proporcionar respuestas a los cambios de carga mientras el transmisor está en el aire.

En este artículo, se analiza el funcionamiento de los acopladores direccionales y se presentan tres topologías y sus correspondientes ejemplos de Anaren, M/A-Com y Analog Devices. Luego, se examinan sus características típicas y se explica cómo usarlos de manera efectiva.

¿Qué es un acoplador direccional?

Un acoplador direccional es un dispositivo de medición que se inserta en la línea de transmisión entre una fuente de RF, como un generador de señal, un analizador de red de vectores o un transmisor, y una carga. Mide tanto la potencia de RF de la fuente a la carga (el componente directo), como el componente reflejado, es decir, la potencia que se refleja de la carga a la fuente. Conocer el componente directo y el reflejado permite calcular la potencia total, la pérdida del retorno y la relación de onda estacionaria de la carga.

Los acopladores direccionales son circuitos de cuatro puertos que están configurados como dispositivos de tres o cuatro terminales (Figura 1).

Figura 1: Los símbolos esquemáticos de un acoplador direccional de tres puertos (izquierda) y uno de cuatro puertos (derecha). (Fuente de la imagen: DigiKey)

Por lo general, la fuente está conectada al puerto de entrada del acoplador y la carga, al puerto de salida o transmitido. La señal que sale del puerto acoplado es una versión atenuada de la señal directa. El nivel de atenuación puede estar indicado de la manera que se muestra en el ejemplo del acoplador de tres puertos. El puerto aislado que termina en el interior de la versión con tres puertos sale en la versión con cuatro puertos y la señal que sale de él es proporcional a la señal reflejada. Las flechas dentro del símbolo esquemático indican la ruta que sigue el componente. Por ejemplo, en la configuración de cuatro puertos, desde el puerto de entrada, la ruta se dirige al puerto acoplado, lo que indica que este recibe el componente directo, mientras que el puerto de salida está vinculado al puerto aislado, que lee la señal reflejada. La cantidad de puertos no está estandarizada, y varía dependiendo del fabricante. La nomenclatura portuaria es más uniforme entre los proveedores.

Los acopladores son dispositivos simétricos, y las conexiones se pueden invertir. En el caso del dispositivo de tres puertos, invertir los puertos de entrada y de salida hará que el tercer puerto se convierta en el puerto aislado. En el dispositivo de cuatro puertos, invertir los puertos de entrada y de salida da como resultado el intercambio del puerto acoplado y el aislado.

Del acoplador salen señales de RF. El puerto de salida acoplado y el aislado suelen estar conectados a un detector de pico o de valor eficaz (RMS), que produce una señal de banda base relacionada con los niveles de las potencias directa y reflejada. La combinación del acoplador direccional y los detectores asociados a él se llama reflectómetro.

En algunos casos, se pueden conectar dos acopladores direccionales para formar un acoplador direccional doble. Esto se hace para minimizar las pérdidas entre el puerto acoplado y el aislado.

Especificaciones del acoplador direccional

Los acopladores direccionales tienen varias características clave, entre las que se encuentran el ancho de banda, la potencia nominal de entrada, la pérdida de inserción, la planitud de la frecuencia, el coeficiente de acoplamiento, la directividad, el aislamiento y la razón de onda estacionaria de voltaje (VSWR) residual.

Ancho de banda: El ancho de banda del acoplador indica el rango de frecuencias, en hercios, sobre el cual está diseñado para funcionar el acoplador dentro de sus especificaciones.

Potencia nominal de entrada: Los acopladores tienen una potencia de entrada máxima, expresada en vatios, tanto para la onda continua (CW) como para las señales de entrada pulsadas. Estos son los niveles de potencia máximos que puede manejar el dispositivo sin sufrir una degradación del rendimiento ni un daño físico.

Pérdida de inserción: Describe la pérdida de potencia, expresada en decibelios (dB), como resultado de la inserción del dispositivo en la ruta de transmisión principal.

Planitud de la frecuencia: La planitud de la frecuencia especifica las variaciones de la respuesta de amplitud de la ruta de transmisión principal, en dB, sobre el ancho de banda especificado del dispositivo en función de la variación de la frecuencia de la señal de entrada.

Coeficiente o factor de acoplamiento: El coeficiente de acoplamiento es la relación entre la potencia en el puerto de entrada y la potencia en el puerto acoplado, en dB, cuando todos los puertos del acoplador están adaptados de manera adecuada. Esta es una de las características principales de los acopladores direccionales. La salida del puerto acoplado es proporcional al nivel de potencia en la ruta directa entre el puerto de entrada y el puerto de salida por este factor conocido. Se puede conectar el puerto de salida acoplado a otros instrumentos, como un osciloscopio, sin correr el riesgo de sobrecargar el instrumento.

Aislamiento: La relación, en dB, entre la potencia en el puerto de entrada y la potencia en el puerto aislado si todos los puertos están correctamente adaptados.

Directividad: La relación, en dB, entre la potencia en el puerto acoplado y la potencia en el puerto aislado si todos los puertos están correctamente adaptados. En el caso de un acoplador de tres puertos, se realizan dos mediciones de potencia: una en la dirección normal y otra con los puertos de entrada y de salida invertidos. Esta especificación es una forma de medir la separación entre el componente directo y el reflejado; por lo general, cuanto mayor es la directividad, mejor es el rendimiento del acoplador. La directividad no se puede medir directamente, pero se calcula en función del aislamiento y de las mediciones del aislamiento inverso.

VSWR residual: La razón de onda estacionaria calculada con todos los puertos del acoplador correctamente adaptados. Esta es una forma de calcular la impedancia inherente del acoplador.

Topologías de los acopladores direccionales

Los distintos diseños de acopladores direccionales se pueden ejecutar de distintas maneras. Las tres topologías más comunes son las de las líneas de transmisión resistivas puenteadas o acopladas, o la de los transformadores de RF. La topología basada en los transformadores de RF utiliza dos transformadores de RF (Figura 2). En ella, el transformador T₁ detecta la corriente de la línea principal entre el puerto de entrada y la carga. Un segundo transformador, el T₂, detecta el voltaje en la línea principal con relación a la tierra. El factor de acoplamiento está controlado por la relación de transformación del transformador, N.

Figura 2: La topología de los acopladores direccionales basada en los transformadores de RF utiliza dos transformadores de RF para detectar los componentes directos y reflejados en la línea principal. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El funcionamiento teórico de este tipo de acoplador direccional se puede analizar combinando los voltajes que cada transformador induce en la línea acoplada de manera individual y, luego, sumando los resultados (Figura 3). V_in es el voltaje directo y V_L es el voltaje reflejado.

Figura 3: Análisis de los acopladores basados en transformadores mediante el estudio del voltaje que ambos transformadores aportan a la línea acoplada de manera individual. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La contribución del transformador de detección de corriente a la línea acoplada para el puerto acoplado (V_F') y para el aislado (V_R') se calcula en el diagrama superior, en el que no aparece el transformador de detección de voltaje. De manera similar, en el diagrama inferior, en el que no aparece el transformador de detección de corriente, se calcula la contribución a esos puertos del transformador de detección de voltaje (V_F” y V_R”). El voltaje en el puerto acoplado, V_F, se calcula mediante la suma de V_F’ y V_F”:

 Ecuación 1

El voltaje resultante en el puerto acoplado es el voltaje de entrada dividido por la relación de transformación del transformador.

Del mismo modo, la combinación de VR’ y VR” da como resultado el voltaje en el puerto aislado:

 Ecuación 2

El voltaje en el puerto aislado se calcula restando el voltaje reflejado dividido por la relación de transformación del transformador. El signo negativo muestra que el voltaje reflejado está desfasado en 180 ° con respecto al voltaje directo.

El rendimiento de este tipo de acoplador direccional es bueno en un rango de frecuencia amplio, como podemos ver en el MACP-011045 de M/A-Com, que tiene un ancho de banda que se extiende entre los 5 megahercios y los 1225 megahercios (MHz). Este acoplador basado en un transformador tiene un factor de acoplamiento de 23 dB y una potencia de salida de 10 vatios. El aislamiento depende de la frecuencia y varía entre los 45 dB para las frecuencias inferiores a 30 MHz y los 27 dB para las frecuencias superiores a 1 gigahercio (GHz). Tiene un paquete de montaje en superficie con dimensiones de 6.35 milímetros (mm) x 7.11 mm x 4.1 mm, lo que hace que sea compatible con la mayoría de las aplicaciones inalámbricas.

Los acopladores de líneas de transmisión acopladas se basan en cables coaxiales o en líneas de transmisión de circuito impreso. El mecanismo coloca dos o más líneas de transmisión, generalmente de un cuarto de onda de longitud, muy cerca, de modo que una pequeña cantidad controlada de energía de la señal se escapa de la línea principal y pasa a una o más líneas acopladas (Figura 4).

Figura 4: Un ejemplo de acoplador direccional doble que utiliza líneas de transmisión acopladas. Las líneas suelen ser secciones de un cuarto de longitud de onda en la frecuencia central diseñada. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El puerto 1 es el puerto de entrada, y la mayor parte de la energía pasa a la carga a través del puerto 2. Se acopla una pequeña cantidad de energía a las líneas secundarias conectadas a los puertos 3 y 4. El puerto 3 es el puerto acoplado. En él, el nivel de potencia es un porcentaje fijo de la potencia aplicada. El coeficiente de acoplamiento, una función de la geometría de las líneas acopladas, describe la potencia en el puerto acoplado. La potencia reflejada está acoplada al puerto 4, el puerto aislado.

El 11302-20 de Anaren es un acoplador direccional de línea de transmisión acoplada típico que cubre un rango de frecuencia de entre 190 MHz y 400 MHz, capaz de conducir hasta 100 vatios. Ofrece un factor de acoplamiento nominal de 20 dB con una pérdida de inserción de 0.3 dB. Está contenido en un paquete de montaje en superficie de 16.51 mm x 12.19 mm x 3.58 mm, y está diseñado para monitorear el nivel de potencia y las mediciones de la VSWR en los transmisores de potencia moderada. Las dimensiones de este tipo de acoplador están relacionadas con el rango de frecuencia. A medida que disminuye la frecuencia operativa, la longitud debe aumentar. Por lo general, se utilizan para UHF y frecuencias más altas, en las que las dimensiones pueden ser más pequeñas.

La última topología de los acopladores direccionales es el puente direccional, un circuito relacionado con el clásico puente de Wheatstone. El detector de RMS y de VSWR ADL5920 de Analog Devices utiliza esta topología (Figura 5).

Figura 5: Un esquema simplificado del puente bidireccional utilizado en el detector de RMS y de VSWR ADL5920 de Analog Devices. El cálculo que se muestra deriva una directividad de 33 dB basada en el análisis de una condición adaptada adecuadamente. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El ADL5920 utiliza un puente resistivo para separar los voltajes directos y los reflejados de una línea de transmisión. El cálculo que se muestra computa la directividad teórica del dispositivo para las frecuencias bajas con la terminación nominal. El resultado es una directividad de 33 dB. Las señales de salida V_REV y V_FWD del puente se introducen en las etapas del detector de RMS con un rango dinámico de 60 dB. Las señales que salen del detector se leen linealmente en dB. Un tercer puerto de salida, derivado de la diferencia entre las salidas directas y las reflejadas, produce un voltaje proporcional a la pérdida de retorno en dB. El acoplador de puente cubre un rango de frecuencia de entre 9 kHz y 7 GHz, con una potencia de salida de 33 dBm (2 vatios) para una carga equivalente de 50 ohmios (Ω). La pérdida de inserción varía entre los 0.9 dB a los 10 MHz y los 2 dB a los 7 GHz. El dispositivo está encapsulado en un paquete de montaje en superficie de 5 mm x 5 mm, con un espesor de 0.75 mm.

Analog Devices ofrece una placa de evaluación para el ADL5920, el ADL5920-EVALZ. Está completamente llena y requiere una fuente de alimentación de 5 voltios y 200 miliamperios (mA). Los puertos de entrada y de salida están disponibles a través de conectores de 2.92 mm, al igual que los puertos de salida principales. El esquema muestra las conexiones que suele requerir el ADL5920 (Figura 6). Esta es una herramienta ideal para probar el ADL5920 fácilmente.

Figura 6: El esquema de la placa de evaluación ADL5920-EALZ muestra las conexiones típicas requeridas para el detector bidireccional de RMS y de VSWR ADL5920 de Analog Devices. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El uso del puente resistivo del acoplador direccional genera un rango de frecuencia más amplio, muy similar a la corriente continua (CC). Las versiones de transformador y de línea de transmisión tienen anchos de banda más restrictivos, pero ambos son capaces de alcanzar límites de potencia más altos.

Cualquiera de estos dispositivos se puede utilizar para obtener una muestra de la potencia de entrada que se usa en los circuitos de monitoreo de señales. Esa muestra se puede medir para determinar el nivel de potencia, la frecuencia y la modulación utilizando instrumentos tradicionales, como un osciloscopio o un analizador de espectro. La información obtenida también se puede integrar a un ciclo de respuestas que ajuste el puerto de salida para mantenerlo dentro de los límites deseados.

Las condiciones de la carga se ven reflejadas en la razón de onda estacionaria de voltaje (VSWR). La VSWR de la carga en el puerto de salida se puede calcular utilizando los puertos de salida acoplado y aislado, que representan los voltajes directo y reflejado, respectivamente.

 Ecuación 3

La pérdida de retorno se puede calcular a partir de la VSWR:

 Ecuación 4

Conclusión

El acoplador direccional es un dispositivo de medición muy útil para los diseñadores de sistemas de RF. No solo ofrece una vista a escala de amplitud de los niveles de potencia de la RF, sino que también separa los componentes de señal directa y reflejada que ayudan a caracterizar la carga. Como se mencionó anteriormente, existen tres topologías de acoplador de uso común que cuentan con estos puertos de salida y vienen en un tamaño pequeño, compatible con los dispositivos inalámbricos.