ACOPLADORES. ATENUADORES. T - MÁGICA

MONTIEL, Rafael

INTRODUCCIÓN

Debido a las condiciones de alta frecuencia y componentes de varias

frecuencias, a la potencia puesta en juego, a las condiciones de adaptación

de impedancia y al efecto de reflexión de potencia desde la antena, la cual

representa la carga de los sistemas de transmisión microondas, el proceso

de medición de potencia en transmisores hace necesario crear instrumentos

que usen elementos especiales para no perturbar las condiciones de trabajo

del sistema.

Hay instrumentos que hacen uso de procesos fotométricos, caloríficos

y elementos de acoplamiento. Este último, es el proceso más simple y usado

para la medición de potencia a pesar de ser usado además para otros

propósitos. En el caso de la T mágica se utiliza como elemento acoplador

pero por sus propiedades únicas es posible utilizarla para la implementación

de instrumentos como el radar.

Los atenuadores son elementos utilizados en prácticamente todas las

áreas de la electrónica y especialmente en las telecomunicaciones dado a

que tiene una única función básica de disminuir la potencia de las señales.

ACOPLADORES

Son dispositivos pasivos que permiten detectar y separar las ondas

incidentes y reflejadas presentes en una línea de transmisión, por ejemplo,

aquella que une la salida de un transmisor de radio con el sistema irradiante.

Como se muestra en la figura 1, el componente posee cuatro puertos;

entrada, transmitido, acoplado y aislado. El término “Línea Principal” se

refiere a la sección que se encuentra entre los puertos 1 y 2. En algunos

acopladores direccionales, la línea principal es diseñada para la operación de

altos niveles de potencia, mientras que el puerto de acople emplea

conectores coaxiales. El puerto de aislado posee, interna o externamente,

una carga igualada, es decir, se trata de que la impedancia de entrada tenga

el mismo valor de la impedancia de salida, es usualmente de 50ohms. Debe

puntualizarse que, como el acoplador direccional es un componente lineal,

cualquier puerto podría ser la entrada, el conectado al mismo directamente

será el puerto de transmitido, el puerto adyacente será el de acoplado y el

ubicado diagonalmente, el puerto aislado.

CARACTERÍSTICAS DE LOS ACOPLADORES

Los acopladores se construyen usando microcintas, stripline (línea de

transmisión plana de placas paralelas por las que pueden propagarse modos

TEM), coaxial y guías de onda. Están caracterizados por los siguientes

parámetros, generalmente son especificados por el fabricante de cada

acoplador en específico:

Adaptación o pérdidas de retorno (A, LR): la diferencia en dB entre la

potencia incidente a la entrada de un circuito de microondas y la potencia

reflejada o retornada cuando el resto de las puertas están terminadas con

sus impedancias de referencia.

Pérdidas de inserción (LI): Relación en dB entre los niveles de potencia

de entrada y de salida. Cuando el circuito tiene más de dos puertas, las

pérdidas de inserción se refieren a la diferencia en dB entre los niveles de

potencia entre la puerta de entrada y la puerta privilegiada de salida cuando

el resto de las puertas están terminadas con sus impedancias de referencia.

En un acoplador direccional ideal, la pérdida de la línea principal, desde el

puerto 1 al puerto 2 debido a la potencia acoplada en la salida es:

Relación de acoplamiento (C): Relación en dB entre la potencia de

entrada y la potencia en la salida menos privilegiada de un dispositivo de

más de dos puertas cuando el resto de las puertas están terminadas con sus

impedancias de referencia. El factor de acople se define como:

Aislamiento (I): La relación en dB entre la potencia a la entrada y la

potencia a la salida de una puerta idealmente aislada de la entrada cuando el

resto de las puertas están terminadas con sus impedancias de referencia. Si

el aislamiento es alto, los acopladores direccionales son excelentes para

combinar señales que alimenten una sola línea para un receptor de dos

tonos. En la figura, una señal entra por el puerto P3 y otra entra por el puerto

P2, mientras que ellas salen por el puerto P1. La señal del puerto P3 hacia el

puerto P1 experimentará 10dB de pérdida y la señal del puerto P2 hacia el

puerto P1 tendrá 0.5dB de pérdida. La carga interna en el puerto de

aislamiento disipará las pérdidas de las señales provenientes de los puertos

P2 y P3.

Directividad (D): La relación en dB entre la potencia a la entrada y la

potencia retornada a otra entrada del circuito cuando el resto de las puertas

están terminadas con sus impedancias de referencia.

Pérdidas en Exceso (LE): Atenuación adicional en dB sobre la

atenuación nominal de reparto en un circuito divisor de potencia cuando las

puertas están terminadas con su impedancia de referencia.

Uniformidad: la máxima diferencia en dB en la potencia de salida en

cualquiera de las puertas del circuito en el ancho de banda del dispositivo.

TIPOS DE ACOPLADORES

Acopladores direccionales

El Acoplador direccional es un dispositivo de microondas de cuatro puertas.

La energía que incide por la puerta 1 se reparte entre la 2 y la 3, quedando la

puerta 4 aislada. La puerta 3 suele llamarse puerta acoplada. La relación

entre las potencias incidente y acoplada es el nivel de acoplo y caracteriza el

acoplador. Así hay acopladores de 10, 20, 60 dB. Es habitual que el propio

dispositivo incluya una carga adaptada en puerta 4 para evitar reflexiones en

ella, quedando sólo con tres puertas accesibles exteriormente.

Acoplador Bethe-Hole

Está compuesto por dos guías de onda de sección rectangular acopladas

mediante un orificio en el plano común a ambas.

Acoplador Bethe-Hole

Acoplador de Múltiples Aperturas

Funciona con el mismo principio del acoplador Bethe-Hole solo que para

mejorar la respuesta en frecuencia, en lugar de acoplar los campos por una

sola abertura, se utilizan dos o más orificios separados una distancia λg / 4.

Acoplador de Múltiples Aperturas

Acopladores Híbridos

Un acoplador híbrido es un acoplador direccional que realiza un reparto

equitativo de la potencia entre su rama directa y acoplada. Debido al reparto

de potencia que hace, las pérdidas de inserción y la relación de acoplamiento

toman un valor de 3dB.

Acoplador Branch Line

Acoplador rectangular y para el de líneas acopladas, las señales se

encuentran desfasadas 90º. Por la forma en que está construido el acoplador

híbrido tiene un alto grado de simetría, de tal manera que cualquiera de los

puertos puede ser usado como puerto de entrada o salida. El puerto de

salida (2,3) estará en el lado opuesto del puerto de entrada (1) y el puerto (4)

permanece en el mismo lado que el puerto de entrada.

Desde el punto de vista del funcionamiento del acoplador, si se aplica una

señal en el puerto (1), la potencia que entra en este puerto se transmite hacia

los puertos (2) y (3), por lo que se dice que estos puertos están "acoplados"

con el puerto (1), no se transfiere ninguna potencia hacia el puerto (4) y en

este caso se considera que él puerto permanece "aislado" del puerto (1).

Además tiene la característica que en todas sus conexiones internas

presenta un mismo valor de impedancia, generalmente 50Ω.

Acoplador Híbrido de Cuadratura.

Anillo Híbrido

Una unión híbrida es una red de cuatro puertas en la que al igual que en los

demás acopladores la señal incidente en una puerta cualquiera se divide

entre otras dos mientras que el cuarto puerto permanece aislado pero la

señal presenta un defasaje de 180°.

Anillo Híbrido

ATENUADORES

Los atenuadores son componentes que reducen la potencia de la

señal, en una cantidad previamente prefijada o de forma variable,

absorbiendo o reflejando parte de su energía y disipándola en forma de calor.

Entre las propiedades del atenuador debe estar la adaptación de las puertas

de entrada y salida, lo cual se refiere a que idealmente un atenuador debe

tener impedancias iguales a los circuitos en su entrada y en la carga (salida).

De igual modo, un atenuador ideal no debe introducir cambios a la forma de

onda de la señal de entrada o distorsión de fase en el sistema en el cual se

inserta.

Tipos de Atenuadores

Los atenuadores utilizados en los sistemas de microondas son generalmente

Los atenuadores están constituidos por circuitos T o Π en su

estructura interna como se muestra en las siguientes figuras:

Circuito T Circuito Π

En la práctica es posible conseguir diferentes acopladores resultando

de la disposición en cascada de alguno de estos dos atenuadores resistivos.

Ambos circuitos tienen el mismo efecto si embargo por motivos de

acoplamiento de impedancias se selecciona uno u otro cuando se va a

trabajar con sistemas de baja potencia. Para el caso de los atenuadores

coaxiales y de guía de onda estos serían su circuito equivalente.

El nivel de atenuación se mide en dB y representa la pérdida de

potencia de la señal a la salida del circuito. Este se calcula haciendo la

relación de potencia de entrada sobre la potencia de salida.

Los atenuadores de guías de onda utilizan láminas resistivas de un material

dieléctrico como se indica en la figura:

Existen dos tipos de atenuadores: fijos y variables.

Los atenuadores fijos ya traen un nivel de atenuación prefijado por el

fabricante en decibeles a diferencia de los atenuadores variables que

generalmente traen un potenciómetro o perilla para calibrar manualmente el

nivel de atenuación deseado.

Aplicación de Atenuadores

Los atenuadores son utilizados en una gran variedad de aplicaciones y

puede satisfacer casi cualquier requerimiento donde se necesite una

reducción de potencia. Debido a su función básica de disminuir la potencia

de las señales, es posible aplicarlo en todas las ramas de la electrónica

generalmente con el propósito de proteger ciertos equipos. Además son

utilizados en una gran cantidad de dispositivos, es posible que se encuentren

ya incluidos dentro de los mismos entre los que más se destacan los

amplificadores y más que todo los amplificadores de sonido, además brindan

un gran soporte al momento de desarrollar nuevos equipos tecnológicos ya

que sirven de protección en caso de la utilización de un exceso de potencia.

Para el caso de los sistemas microondas se utilizan más que nada para

controlar el nivel de potencia suministrado a la carga, es decir la potencia

irradiada por las antenas.

Atenuadores Fijos

Cable Coaxial Guía de Onda

Atenuadores Variables

Cable Coaxial Guía de Onda

T – MÁGICA

La T mágica es un acoplador híbrido de 180º muy avanzado en

tecnología de guías de onda con unas propiedades muy especiales, ya que

cuando se tiene una entrada, la potencia no es dividida equitativamente entre

los tres puertos restantes como es de esperarse debido a diferentes

polarizaciones en los campos electromagnéticos y a la configuración de los

puertos.

Consta de un plano E y un plano H, este último está formado por los

brazos 2 y 3 en una unión T con el brazo 1 ( ) cuando este es la entrada,

haciendo que las salidas 2 y 3 queden en fase y el puerto 4 ( ) quede

aislado. En el plano E las los brazos 2 y 3 forman con 4 una unión T, así

cuando 4 es la entrada las salidas 2 y 3 están en contratase y en fase

respectivamente, es decir con una diferencia de fase entre los puertos 2 y 3

de 180°, quedando 1 aislado.

Diagrama de la T Mágica

Plano H Plano E

La T mágica fue desarrollada durante la segunda guerra mundial por lo cual

su principal uso fue en radares y antenas militares que trabajen con

microondas, siendo implementada además para la construcción de algunos

klystron. Por su capacidad de proveer campos eléctricos de salida con

polaridades iguales y diferentes según se utilice también puede ser aplicar

como combinador - divisor de potencia o como un acoplador común, en otros

dispositivos que lo requieran.

T-Mágica

ESQUEMA DE RADIACIÓN DE LA T – MAGICA

Plano H

Plano E

BIBLIOGRAFÍA

http://www.atmmicrowave.com

http://www.megaind.com

http://www.microlab.fxr.com

http://www.microwaveeng.com

http://www.waveguide-components.com