acoplador hibrido

ELEMENTOS ACOPLADORES, HBRIDOS Y DIVISORES DE POTENCIA

Departamento de Teora de la Seal y Comunicaciones Universidad de Sevilla

Microondas CAPTULO I

DTSC

IntroduccinEn muchas aplicaciones de microondas se quiere dividir o combinar potencia tres o ms puertos:Puerto de salida 1

Universidad de Sevilla

Puerto de entrada Puerto de salida 2

Los divisores de potencia: reparten la potencia entre los puertos de salida. Normalmente reparten a partes iguales (divisor de 3 dB). Los acopladores: se pueden disear con relaciones de divisin de potencia arbitrarias. Los hbridos: reparten la potencia proporcionando adems un desfase de 90 180 entre las salidas.MICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Divisores de potenciaReparten la potencia entre los puertos de salida:


MICROONDAS

4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Divisores de potenciaPropiedades de las redes de 3 puertos:


s11 [ S ] = s21 s31

s12 s22 s32

s13 Vi s23 , con sij = + Vj s33

Vk+ = 0 , k j

9 parmetros. Interesara: Red recproca matriz simtrica. Red sin prdidas matriz unitaria. Todos los puertos adaptados diagonal de ceros. Podemos conseguirlo?

3 parmetros

NOMICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Divisores de potenciaUna red de tres puertos sin prdidas y con todos los puertos adaptados no es recproca: circulador.


3 1

2

0 0 1 [ S ] = 1 0 0 0 1 0

Generalmente se busca reciprocidad en los divisores adaptan todos los puertos o se tienen prdidas.MICROONDAS

o no se


DTSC

Divisores de potencia: unin TDivisor de potencia de tres puertos, recproco, sin prdidas de los puertos est desadaptado. uno


Z2

jB

Z3

Z1

MICROONDAS


DTSC

Divisores de potencia: unin TUnin T con guas rectangulares:


Plano - E

Plano - H

MICROONDAS


DTSC

Divisores de potencia: unin TEjemplos de simulacin en 3D con SINGULA de Integrated Engineering Software


MICROONDAS


DTSC

Divisores de potencia: divisor resistivoCmo conseguir adaptacin en todos los puertos en la unin en T? aadiendo prdidas.2 Z0/3

1

Z0/3 + V1 + V Z0/3

+ V2

Z0


Z0

Z2 Zin Z3

+ V3

3Z0

0 1 / 2 1 / 2 [ S ] = 1 / 2 0 1 / 2 1 / 2 1 / 2 0

MICROONDAS


DTSC

Divisores de potencia: divisor WilkinsonDispone de elementos resistivos: prdidas?Cuando los puertos de salida estn adaptados, no presenta prdidas slo se disipa la potencia reflejada.Z02 Z0 /4 2Z0 /4 Z0 2Z0


Z0

3

1

3 2

Z02

1Z0

Z02 Z0

2

MICROONDAS


DTSC

Divisores de potencia: divisor Wilkinson/4 Z 2Z0 Z0

3

Eje de simetraZ0

1

Z0

Z

2


Anlisis modo PAR / modo IMPAR:2Z 2 /4 +V2 r/2 1 + Vg2

2

1

+V1 r/2 Z +V3 1 + Vg3

Eje de simetra Resistencia dividida en dos mitades iguales

3

Puerto 1 dividido en dos mitades igualesMICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Divisores de potencia: divisor WilkinsonAnlisis del modo PAR:Vg 2 = Vg 3 = 2V2Z 2 /4 +V2e r/2 Zine +V1e C.A.

V2e = V3e1 + 2V


1C.A.

Anlisis del modo IMPAR: Vg 2 = Vg 3 = 2V2Z 2 /4 +V2o r/2

V2o = V3o1 + 2V Zino

1

+V1 C.C.

o

C.C.

MICROONDAS


DTSC

Divisores de potencia: divisor WilkinsonAnlisis de un puerto que est situado sobre el eje de simetra:2Z 2 /4 +V2 1

1

C.A. +V3 1


+ Zin Z

3

La matriz de dispersin :

Los puertos 2 y 3 estn aislados entre s. No es una matriz unitaria, pero slo la potencia que se refleja en los puertos 2 y 3 experimenta disipaciones en las resistencias. Principal limitacin: funcionamiento de banda estrecha. Se puede conseguir mayor ancho de bada y repartos desiguales de potencia entre los puertos 2 y 3.MICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

0 j j 1 [S] = 0 j 0 2 0 j 0

DTSC Universidad de Sevilla

Divisores de potencia: divisor Wilkinson

MICROONDAS


DTSC

Acopladores direccionalesReparten la potencia entre unos puertos de salida, quedando el restante puerto aislado.Puerto de entrada Puerto de salida Puerto acoplado


Puerto aislado

Propiedades de las redes de 4 puertos: s pueden tener todos los puertos acoplados, no tener prdidas y ser recprocas de 16 parmetros se reduce a 6. s11 s21 [S] = s31 s41MICROONDAS

s12 s22 s32 s42

s13 s23 s33 s43

s14 s24 Vi , con sij = + s34 Vj s44

Vk+ = 0 , k j


DTSC

Acopladores direccionalesTomando s14 = s23 =0 0 [S ] = j e 0

0 0 e j

e j0 0

0 j e 0


La matriz es unitaria: Posibles soluciones:

2 + 2 =1 e j = e j + = (2n + 1)

Acoplador simtrico: = =/2

Acoplador antisimtrico: = 0, =

0 [S ] = j 0

0 0 j

j 0 0

0 j 0

0 [S ] = 0

0 0

0 0

0 0

MICROONDAS


DTSC

Acopladores direccionalesinput

1 4

2 3

through

1 4

2 3

isolated

coupled


Figuras de mrito:Acoplamiento (coupling):

C = 10 log P1

(

P3

) = 20 log (dB)

(dB)

Directividad:

D = 10 log( P3

P4 ) = 20 log

s14

Aislamiento (isolation):

I = 10 log( P1

P4 ) = 20 log s14

(dB)

MICROONDAS


DTSC

Acoplador Bethe-HoleRealizado con dos guas de onda de seccin rectangular acopladas mediante un orificio en el plano comn a ambas.y

x

4 2


3 1

s

z

La componente normal del momento dipolar elctrico y la componente axial del magntico radian con simetra par. La componente transversal del momento magntico lo hace con simetra impar. Una forma de controlar estas amplitudes consiste en desplazar la abertura de la pared lateral de la gua sMICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Acoplador Bethe-HolePor el puerto 1 excitamos el modo TE10 x j z E y = A sen e a Hz = j A x j z cos e a aZ TE10 Hx = A Z TE10 x j z sen e a


La abertura se encuentra en z = s, y = b, z = 0:j A s 0 e sen 2 0 2 m A = a P10 Z10+ 10

2 s 2 2 s sen + 2 2 cos a a a

j A 2 s 0 m 2 s 2 2 s A10 = sen + 2 sen 2 2 cos a a a a P10 0 e Z10

Imponemos A = 0

+ 10

0 m 0 m 2 s 2 s 0 e 2 sen = 2 2 2 cos 2 a a Z10 a Z10

MICROONDAS


DTSC

Acoplador Bethe-HoleSuponiendo una abertura circular llegamos a:2 s = sen = a 4 2 k 02 a 2 1 a2 2k 2 22 0

=

2 2(0 a 2 )

0


Calculamos s para aislar el puerto 4 y del acoplamiento C obtenemos el valor del radio de la abertura.2

Otro tipo de acoplador es:1

3

4

En este caso: s = a/2 y se puede considerar mcos() en lugar de m. Para aislar el puerto se tiene: k 02 cos = 2 2MICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Acoplador de mltiples aberturasPara mejorar la respuesta en frecuencia, en lugar de acoplar los campos por una sola abertura, se utilizan dos o ms orificios separados una distancia g / 4. Supongamos N+1 aberturas.4


g/4 A0- A 0+ r0

A1- A1+ r1 AN-1- AN-1+ rN-1

g/4 AN- AN+ rN

3

1Onda incidente de amplitud A. Abertura n:

2

A+n: coef. de acoplamiento hacia delante A-n: coef. de acoplamiento hacia detrs

MICROONDAS


DTSC

Acoplador de mltiples aberturasSe supone que los planos de referencia de los puertos 1 y 4 pasan por la abertura n = 0 en z = 0. Los planos de referencia de los puertos 2 y 3 pasan por la abertura n = N en z = nd.


j 2 A = AK r , K f = 3P10+ n 3 f n

s 2 0 sen 2 20 a Z 10 s 2 0 sen 2 + 20 a Z 10

2 s 2 s sen + 2 2 cos 2 a a a 2 s 2 s sen 2 2 cos 2 a a a

j 2 A = AK r , K b = 3P10 n 3 b n

Sumando las componentes acopladas en cada abertura con los desfases adecuados: NA3 = AK f e jN rn3n =0

A4 = AK b rn3e j 2 nn =0

N

MICROONDAS


DTSC

Acoplador de mltiples aberturasEl acoplamiento C queda: N 3 C (dB ) = 20 log K f 20 log rn n =0


La directividad D queda:

D(dB) = C (dB) 20 log K b 20 log rn3e j 2 nn=0

N

SC es prcticamente invariable con la frecuencia. D puede tener variaciones rpidas controladas con S: se puede aproximar una respuesta deseada para la directividad.

MICROONDAS


DTSC

Acoplador de mltiples aberturasQDC Series Broadband Waveguide Directional CouplersCharacteristics


Broadband Low VSWR High Directivity Minimum Coupling Variation with Frequency

Product Description

QuinStar products QDC series broadband directional couplers are multi-hole waveguide couplers. The QDC series couplers are offered in 7 waveguide sizes from 18.0 to 110 GHz. Nominal coupling of 10 dB, 20 dB, 30 dB, and 40 dB are offered as standard products. Two different mechanical configurations or outlines are offered for these waveguide couplers - one with E-plane bend and the other with H-plane bend in the coupled port to suit the physical layout of all applications or test set requirements.

MICROONDAS



Acoplador de lneas acopladas

http://paginas.fe.up.pt/~hmiranda/etele/microstrip/MICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Acoplador de lneas acopladasComprobamos que es un circuito simtrico:3Z0 2V +V1 I1 ZCe , ZCo I2

4

Z0

I3 +V3

I4

3

4+V4

Z0

Z0

1

2 +V2


1

2

Aplicaremos el anlisis modo par / modo impar:Z0 V I3 e +V3 e I4 e

4I1e

Z0 -V

Z0

I3 o +V3 o

I4 o

4I1o

Z0

Z0 V

+V1

3e 1

ZCe

I2

e

+V4 e

2+V2 e

Z0

Z0

+V1

3o 1

ZCo

I2

o

+V4 o

2+V2 o

Z0

V

MICROONDAS


DTSC

Acoplador de lneas acopladasCalculamos la impedancia de entrada y adaptamos:e o e o e o 2 Z in Z in + Z 0 Z in + Z in 2 Z in Z in Z 02 e o Z in = = Z0 + e = Z 0 Z in Z in = Z 02 e o o Z in + Z in + 2 Z 0 Z in + Z in + 2 Z 0

(

)

(

)


Z Ce Z Co = Z 02Las tensiones en los puertos 1 y 3 son:

V1 = V V 3= V V = Ve 1 o 1

jC tan 1 C 2 + j tan

Z Ce Z Co C= Z Ce + Z Co

MICROONDAS


DTSC

Acoplador de lneas acopladasLas tensiones en los puertos 2 y 4:

V2 = V + V = Ve 2 o 2

1 C 2 jsen + 1 C 2 cos

V4 = V2e V2o = 0Universidad de Sevilla Representamos |V2/V| y | V3/V |:|Vi / V|2 1

V2 / V1-C2 C2

V3 / V0 /2 3/2 2 5/2 3

MICROONDAS


DTSC

Acoplador LangeLas principales limitaciones del acoplador de lnea acoplada son:Las lneas deben colocarse demasiado prximas entre s para alcanzar acoplamientos fuertes (3 dB). Las velocidades de fase de los modos par e impar son diferentes, lo que deteriora la respuesta en frecuencia.


El acoplador Lange resuelve algunas de las limitaciones reseadas, al utilizar varias lneas paralelas acopladas.s

1

Z0

w

Z0 /4

3

1

Z0

Z0 /4

3

4

Z0

Z0

2

2

Z0

Z0

4

DobladoMICROONDAS

(a)

Desdoblado4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

(b)

DTSC

Acoplador Lange desdobladoSe puede modelar mediante cuatro lneas de transmisin en paralelo.4 3 4 ' Ze4 , Zo4 '/4

3


1

/4

2

1

2

Se puede reducir el circuito equivalente de cuatro lneas a uno de dos lneas, y as poder trabajar como si se tratara de un acoplador de lnea acoplada sencillo. La nica diferencia est en que las impedancias caractersticas de los modos par e impar han cambiado.

MICROONDAS


DTSC

Acoplador Lange desdobladoSe puede considerar que cada lnea se acopla con la lnea que se encuentra ms prxima.Cm Cm Cm Cm

'

'Cex


Cex

Cin

Cin

Cex

Cex

Teniendo en cuenta que en una lnea microstrip acoplada:Z Ce = 1 vC e

Z Co = 1 vC o

Se trata de calcular las capacidades del modo par (Ce4) e impar (Co4) del sistema de 4 lneas, en funcin de las capacidades Ce=Cex y Co=Cex+2Cm del sistema de 2 lneas acopladas.MICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Acoplador Lange desdobladoAnlisis de modo par / impar:' ' ' '

2Cm 2Cm

2Cm 2Cm

2Cm 2Cm


Cex

Cin

Cin

Cex

Cex Cin Cin (b) Impar Cex

(a) Par

Ce 4 = Cex + Cin

Co 4 = Cex + Cin + 6Cm

Se puede suponer la siguiente relacin entre Cin, Cm y Cex:

Cex Cm Cin = Cex Cex + CmMICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Acoplador Lange desdobladoSe llega al siguiente resultado:

Ce 4 =

Ce (3Ce + Co ) Ce + C o

, Co 4 =y

Co (3Co + Ce ) C e + CoZ Co = 1 vC o , se


Utilizando expresiones del tipo: llega a lo siguiente:

Z Ce = 1 vC e

Z e 4 = Z Ce

Z Ce + Z Co Z + Z Co , Z o 4 = Z Co Ce , 3Z Co + Z Co 3Z Ce + Z Co

Con

Ze4 Zo4 C= ; Z 02 = Z e 4 Z o 4 , de donde sale: Z e4 + Z o44C 3 + 9 8C 2 = Z0 2C (1 C ) (1 + C )MICROONDAS

Z 0e

Z 0o

4C + 3 9 8C 2 = Z0 2C (1 + C ) (1 C )



Acoplador Lange

MICROONDAS


DTSC

Acopladores hbridosSon acopladores de 3 dB. Existen dos tipos:Simtrico, o hbrido de 90. Antisimtrico, o hbrido de 180.


[ S ] 90

0 1 0 1 j 0 1 1 0 1 1 0 0 j = j 0 0 1 , [ S ] 180 = 2 1 0 2 0 1 0 j 1 0

1 0 0 1 0 1 1 0

Veremos tres:Acoplador de lnea secundaria. Anillo hbrido. T-mgica.

MICROONDAS


DTSC

Acoplador de lnea secundaria (branch line)Es un acoplador hbrido de 90 muy extendido en tecnologa microstrip.1Z0 Z0/2 /4 /4 Z0

2+

1

11 1

1/2

21 1 1 1

Vg4 Z0 Z0 + Vg1 1

1


4

1/2

31

4

Z0

Z0/2

Z0

3

Simetra

mtodo de descomposicin modo par / modo impar:4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

MICROONDAS

DTSC

Acoplador de lnea secundaria (branch line)Mtodo de descomposicin modo par / modo impar:Modo par: circuito abierto sobre el eje de simetra.1 + V

11 1

1/2

21 1 1 + V 1

/4

11 1

1/2 /8

21 1 1


1 + V

1 1

1 1 1/2

4

31

Tres redes en cascada

A B 1 0 0 j 2 1 0 1 1 j = = C D e j 1 j 2 0 j 1 2 j 1 123 14 244 123 4 3L.T. en C.A longitud 8 L.T. de Z0 =1 2 y longitud 4 L.T. en C.A longitud 8

De las equivalencias entre los distintos parmetros:

e =

2 1 = (1 + j ) A+ B+C+ D 2MICROONDAS

A+ BC D =0 e = A+ B+C+ D


DTSC

Acoplador de lnea secundaria (branch line)Modo impar: cortocircuito sobre el eje de simetra.1 + V

11 1

1/2

21 1 1 + V 1

/4

11 1

1/2 /8

21 1 1

1

1 1

1 1 1/2


+ V

4

31

Tres redes en cascada

1 0 0 A B j 2 1 0 1 1 j = = C D o j 1 j 2 0 j 1 2 j 1 1 24 14 244 1 24 4 3 4 3 4 3L.T. en C.C longitud 8 L.T. de Z0 =1 2 y longitud 4 L.T. en C.C longitud 8

Obtenemos:

o =

2 1 = (1 j ) A+ B+C+ D 2

A+ BC D =0 o = A+ B+C+ D

MICROONDAS


DTSC

Acoplador de lnea secundaria (branch line)Superponemos las soluciones:V V e + o = 0 2 2 V V j V 2 = e + o = V 2 2 2 V1 =


V3 =

V V 1 e o = V 2 2 2

V 4 =

V V e o = 0 2 2

Por simetra tenemos la matriz de dispersin:0 j 1 0 j 0 0 1 [S ] = 1 2 1 0 0 j 0 1 j 0 MICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Anillo hbridoEs un acoplador hbrido de 180 muy extendido en tecnologa microstrip.2 () Z0 1/4 Z0 /4 + Vg1 1

11 1 2

1

21


1

Z0 2

3/4 1 1

3Z0

+ /4 Vg3

1

3

41

() 4

Z0

Simetra

mtodo de descomposicin modo par / modo impar:

MICROONDAS


DTSC

Anillo hbridoDescomposicin modo par / modo impar para los puertos 1 y 3:Modo par: circuito abierto sobre el eje de simetra. 11+ Vg1 1 1 1 2 + Vg1

2

1

1

1 2 /8

/4 2

1

21


2 1 + Vg3

2

3/8

1

1

3

41

Tres redes en cascadaj 2 1

0 0 0 1 A B 1 j 2 1 = = C D e j 2 1 j 2 0 j 2 1 j 2 14243 14 244 14 244 4 3 4 3

Queda:

L.T. en C.A longitud 8

L.T. de Z0 = 2 y longitud 4

L.T. en C.A longitud 3 8

e =

2 j = A+ B+C+ D 2

e =

A+ BC D j = A+ B+C+ D 2

MICROONDAS


DTSC

Anillo hbridoModo impar: cortocircuito sobre el eje de simetra.1 + Vg1

11

1

21 1 + Vg1

1

1 2 /8

/4 2

1

21

2 2

2

3/8


1 + Vg3

1

1

3

41

Tres redes en cascada0 0 0 1 1 A B j 2 1 = = j 2 1 j 2 C D 0 j 2 1 j 2 o 4 244 4 244 4243 14 3 1 4 3 1L.T. en C.C longitud 8

j 2 1

Queda:

L.T. de Z 0 = 2 y longitud 4

L.T. en C.C longitud 8

2 j o = = A+ B+C + D 2MICROONDAS

o =

A+ BC D j = A+ B+C + D 2


DTSC

Anillo hbridoSuperponemos las soluciones:V V e + o = 0 2 2 V V j V 2 = e + o = V 2 2 2 V V j V3 = e o = V 2 2 2 V1 = V 4 = V V e o = 0 2 2


Hay que repetir el anlisis con los puertos 2 y 4:1

11 2 2 1

1

2

1 + Vg2

11

1 2 /8

/4 2

1

2

1 + Vg2

2

3/8

1

1

1

3

4

+ Vg4

MICROONDAS


DTSC

Anillo hbridoPara los puertos 2 y 4 se tiene: A B 1 C D = e j 2 j 2 ; 1 A B 1 C D = o j 2 j 2 1

V1 =

V V j e + o = V 2 2 2


V 2 =

V V e + o = 0 2 2 V V V3 = e o = 0 2 2V V j e o = V 2 2 2

V 4 =

Y la matriz de dispersin queda:0 1 1 0 [S ] = j 2 1 0 0 1 MICROONDAS

1 0 0 1 0 1 1 0


DTSC

T-mgicaEs un acoplador hbrido de 180 muy extendido en tecnologa de () gua de ondas.4

2


3 1 ()

Los brazos 2 y 3 forman una unin T plano H, as que cuando 1 es el puerto de entrada, las salidas 2 y 3 estn en fase. El puerto 4 queda aislado, porque las lneas de campo corresponden a un modo al corte. Los brazos 2 y 3 forman con 4 una unin T plano E, as que cuando 4 es la entrada, las salidas 2 y 3 estn en contrafase y en fase, respectivamente, quedando 1 aislado.MICROONDAS 4 INGENIERO DE TELECOMUNICACIN

DTSC

Otros acopladores Moreno Crossed-Guide: Acoplador Riblet short-slot:3 2


4

1

Acoplador Schwinger reversed-plane:4

Bobina hbrida:

2+M

3-M

/4

1

MICROONDAS


acoplador hibrido

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