Principes de base des coupleurs directionnels RF et comment les utiliser efficacement

Les applications radiofréquences (RF) comme les radars automobiles, le réseau cellulaire 5G, l'Internet des objets (IoT) et autres utilisent de plus en plus de sources RF dans leurs systèmes électroniques. Toutes ces sources nécessitent une méthodologie pour surveiller et contrôler les niveaux de puissance RF tout en évitant de générer des pertes au niveau de la ligne de transmission et de la charge. De plus, certaines applications nécessitent une sortie d'émetteur haute puissance, ce qui incite les concepteurs à trouver un moyen de surveiller les signaux de sortie sans raccorder directement des instruments sensibles qui pourraient être endommagés par des niveaux de signal élevés.

Il existe d'autres difficultés, notamment en ce qui concerne la manière de déterminer les caractéristiques d'une charge RF, comme une antenne fonctionnant dans une vaste plage de fréquences, ou encore la façon de surveiller les variations de charge et le rapport d'ondes stationnaires lorsque l'émetteur diffuse des signaux pour éviter de générer une forte puissance réfléchie et d'endommager l'amplificateur.

Pour répondre à ces exigences et surmonter ces difficultés, il existe une solution : insérer des coupleurs directionnels dans une ligne de transmission. Ils permettent de surveiller précisément le flux d'énergie RF au niveau de la ligne tout en réduisant les niveaux de puissance à une valeur fixe connue. Les coupleurs directionnels introduisent des perturbations minimes dans le signal de la ligne principale lors du processus d'échantillonnage. Ils sont capables de différencier une puissance directe d'une puissance réfléchie et de surveiller les pertes par réflexion ou le rapport d'ondes stationnaires en fournissant une rétroaction sur les modifications de charge en cours d'émissions.

Cet article traite du fonctionnement des coupleurs directionnels et présente trois topologies et exemples appropriés proposés par Anaren, M/A-Com et Analog Devices. Il détaille ensuite leurs caractéristiques typiques et explique comment les utiliser efficacement.

Qu'est-ce qu'un coupleur directionnel ?

Un coupleur directionnel est un dispositif de mesure inséré dans la ligne de transmission entre une source RF (comme un générateur de signaux, un analyseur de réseau vectoriel ou un émetteur) et une charge. Il mesure à la fois la puissance RF de la source à la charge (la composante directe) et la composante réfléchie, c'est-à-dire la puissance réfléchie renvoyée de la charge à la source. Le fait de connaître les composantes directe et réfléchie permet de calculer la puissance totale, les pertes par réflexion et le rapport d'ondes stationnaires de la charge.

Les coupleurs directionnels sont des circuits à quatre ports configurés en tant que dispositifs à trois ou quatre bornes (Figure 1).

Figure 1 : Symboles schématiques représentant un coupleur directionnel à trois ports (à gauche) et un coupleur directionnel à quatre ports (à droite). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La source est généralement connectée au port d'entrée du coupleur et la charge au port de sortie ou de transmission. La sortie du port couplé correspond à une version atténuée du signal direct. La valeur d'atténuation peut être indiquée, comme le montre l'exemple à trois ports. Le port isolé avec terminaison interne dans la version à trois ports ressort dans la version à quatre ports, et sa sortie est proportionnelle au signal réfléchi. Les flèches sur le symbole schématique indiquent le trajet des composantes. Par exemple, dans la configuration à quatre ports, le port d'entrée pointe vers le port couplé, indiquant qu'il reçoit la composante directe, alors que le port de sortie est relié au port isolé qui mesure le signal réfléchi. Le nombre de ports n'est pas standard et diffère selon les fabricants. La nomenclature des ports est davantage uniformisée parmi les fournisseurs.

Les coupleurs sont des dispositifs symétriques, et les connexions peuvent être inversées. Dans le cas d'un dispositif à trois ports, si les ports d'entrée et de sortie sont inversés, le port trois devient le port isolé. Dans le dispositif à quatre ports, si les ports d'entrée et de sortie sont inversés, le port couplé prend la place du port isolé et inversement.

Les sorties du coupleur sont des signaux RF. Les sorties du port couplé et du port isolé sont généralement connectées à un détecteur de crête ou RMS, qui produit un signal de bande de base associé aux niveaux de puissance directe et réfléchie. La combinaison du coupleur directionnel et des détecteurs associés est appelée « réflectomètre ».

Dans certaines situations, deux coupleurs directionnels sont connectés tête-bêche et forment ainsi un double coupleur directionnel. Cela permet de réduire les fuites entre le port couplé et le port isolé.

Spécifications des coupleurs directionnels

Plusieurs caractéristiques clés définissent les coupleurs directionnels, notamment la largeur de bande, la puissance d'entrée nominale, la perte d'insertion, la planéité de fréquence, le coefficient de couplage, la directivité, l'isolement et le rapport d'ondes stationnaires en tension résiduelle (ROS).

Largeur de bande : la largeur de bande du coupleur indique la plage de fréquences, en hertz, sur laquelle le coupleur est conçu pour fonctionner selon ses spécifications.

Puissance d'entrée nominale : les coupleurs sont définis par une puissance nominale d'entrée maximale, exprimée en watts, à la fois pour les ondes entretenues et pour les signaux d'entrée impulsionnels. Il s'agit des niveaux de puissance maximum que le dispositif peut traiter sans dégradation des performances ni dommages matériels.

Perte d'insertion : décrit la perte de puissance, exprimée en décibels (dB), provoquée par l'insertion du dispositif dans le trajet de transmission principal.

Planéité de fréquence : la planéité de fréquence indique la variation de réponse en amplitude du trajet de transmission principal, en dB, sur la largeur de bande spécifiée du dispositif par rapport à la variation de la fréquence du signal d'entrée.

Coefficient de couplage ou facteur de couplage : le coefficient de couplage correspond au rapport entre la puissance d'entrée et la puissance au niveau du port couplé, en dB, lorsque le coupleur est correctement raccordé à tous les ports. Il s'agit de l'une des caractéristiques principales du coupleur directionnel. La sortie du port couplé est proportionnelle au niveau de puissance du trajet direct de l'entrée à la sortie, multiplié par ce facteur connu. La sortie couplée peut être connectée à d'autres instruments, comme un oscilloscope, sans risque de surcharger l'instrument.

Isolement : le rapport, en dB, entre la puissance au niveau du port d'entrée et celle au niveau du port isolé lorsque tous les ports sont correctement raccordés.

Directivité : le rapport, en dB, entre la puissance au niveau du port couplé et la puissance au niveau du port isolé lorsque tous les ports sont correctement raccordés. Dans le cas d'un coupleur à trois ports, deux mesures de puissance sont réalisées : une dans le sens direct normal et une autre avec les ports d'entrée et de sortie inversés. Cette spécification est une mesure de la séparation des composantes directe et réfléchie. En général, plus la directivité est élevée, meilleures sont les performances du coupleur. La directivité ne peut pas être mesurée directement, mais elle est calculée à partir des mesures d'isolement et d'isolement inversé.

Rapport d'ondes stationnaires en tension résiduelle : le rapport d'ondes stationnaires mesuré lorsque tous les ports du coupleur sont correctement raccordés. Il s'agit d'une mesure de l'impédance inhérente du coupleur.

Topologies des coupleurs directionnels

Les conceptions de coupleurs directionnels peuvent être réalisées de différentes façons. Les trois topologies les plus souvent utilisées sont les suivantes : avec transformateurs RF, avec pont résistif ou avec lignes de transmission couplées. La topologie basée sur les transformateurs RF utilise deux transformateurs RF (Figure 2). Ici, le transformateur T₁ détecte le courant de la ligne principale entre l'entrée et la charge. Un second transformateur, T₂, détecte la tension de la ligne principale par rapport à la terre. Le facteur de couplage est contrôlé par le rapport de transformation du transformateur, N.

Figure 2 : La topologie de coupleur directionnel basée sur des transformateurs RF utilise deux transformateurs RF pour détecter à la fois la composante directe et la composante réfléchie de la ligne principale. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le fonctionnement théorique de ce type de coupleur directionnel peut être analysé en combinant les tensions induites sur la ligne couplée par chaque transformateur individuellement, puis en additionnant les résultats (Figure 3). V_in correspond à la tension directe et V_L correspond à la tension réfléchie.

Figure 3 : Analyse d'un coupleur basé sur des transformateurs grâce à l'analyse de la contribution individuelle de chaque transformateur à la ligne couplée en matière de tension. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La contribution du transformateur de détection de courant apportée à la ligne couplée pour le port couplé (V_F’) et le port isolé (V_R’) est calculée sur le schéma du haut en supprimant le transformateur de détection de tension du schéma. De même, la contribution du transformateur de détection de tension apportée à ces ports, en supprimant le transformateur de détection de courant, est calculée sur le schéma du bas avec V_F” et V_R”. La tension au niveau du port couplé, V_F, est déterminée en additionnant V_F’ et V_F” :

Équation 1

La tension ainsi obtenue au niveau du port couplé correspond à la tension d'entrée divisée par le rapport de transformation du transformateur.

De la même façon, la combinaison de VR’ et VR” donne la tension au niveau du port isolé :

Équation 2

La tension au niveau du port isolé correspond à la tension réfléchie (en négatif) divisée par le rapport de transformation du transformateur. Le signe moins montre que la tension réfléchie est déphasée de 180° par rapport à la tension directe.

Les performances de ce type de coupleur directionnel sont satisfaisantes sur une vaste plage de fréquences, comme celle du MACP-011045 de M/A-Com, dont la largeur de bande s'étend de 5 à 1225 mégahertz (MHz). Ce coupleur basé sur des transformateurs présente un facteur de couplage de 23 dB et une puissance nominale de 10 W. Son isolement dépend de la fréquence. Il va de 45 dB (pour les fréquences inférieures à 30 MHz) à 27 dB (pour les fréquences supérieures à 1 GHz). Il utilise un boîtier à montage en surface de 6,35 mm x 7,11 mm x 4,1 mm, ce qui le rend compatible avec la plupart des applications sans fil.

Les coupleurs basés sur des lignes de transmission couplées utilisent des câbles coaxiaux ou des lignes de transmission à circuit imprimé. Le mécanisme rapproche étroitement deux lignes de transmission ou plus, généralement d'une longueur d'un quart d'onde, pour qu'une petite quantité contrôlée de la puissance du signal fuite de la ligne principale vers une ou plusieurs lignes couplées (Figure 4).

Figure 4 : Exemple de double coupleur directionnel utilisant des lignes de transmission couplées. Les lignes sont généralement des sections d'un quart de longueur d'onde à la fréquence centrale spécifiée. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

L'entrée est appliquée au port 1 et la plupart de la puissance est transmise à la charge au niveau du port 2. Une petite quantité de puissance est couplée aux lignes secondaires connectées aux ports 3 et 4. Le port 3 est le port couplé. Le niveau de puissance au niveau de ce port correspond à un pourcentage fixe de la puissance appliquée. Le coefficient de couplage, qui dépend de la géométrie des lignes couplées, décrit la puissance au niveau du port couplé. La puissance réfléchie est couplée au port 4, le port isolé.

Le dispositif 11302-20 d'Anaren est un coupleur directionnel à lignes de transmission couplées typique couvrant une plage de fréquences de 190 à 400 MHz et capable de gérer jusqu'à 100 W. Il fournit un facteur de couplage nominal de 20 dB avec une perte d'insertion de 0,3 dB. Il est contenu dans un boîtier à montage en surface de 16,51 mm x 12,19 mm x 3,58 mm et est conçu pour surveiller les mesures de niveau de puissance et de rapport d'ondes stationnaires en tension des émetteurs à puissance modérée. Les dimensions de ce type de coupleur varient selon la plage de fréquences. Si la fréquence de fonctionnement est réduite, la longueur doit augmenter. Ces coupleurs sont généralement utilisés avec des ultra-hautes fréquences et des fréquences supérieures, avec lesquelles les dimensions peuvent être réduites.

La dernière topologie de coupleur directionnel est celle basée sur un pont directionnel, un circuit lié au pont de Wheatstone classique. Cette topologie est utilisée avec le détecteur RMS et ROS ADL5920 d'Analog Devices (Figure 5).

Figure 5 : Schéma simplifié du pont bidirectionnel utilisé dans le détecteur RMS et ROS ADL5920 d'Analog Devices. Les calculs présentés donnent une directivité de 33 dB d'après l'analyse d'un raccordement correct. (Source de l'image : Analog Devices)

Le détecteur ADL5920 utilise un pont résistif pour séparer la tension directe de la tension réfléchie dans une ligne de transmission. Les calculs présentés permettent d'obtenir la directivité théorique du dispositif à de basses fréquences avec la terminaison nominale spécifiée. Le résultat correspond à une directivité de 33 dB. Les sorties V_REV et V_FWD du pont alimentent les étages du détecteur RMS avec une plage dynamique de 60 dB. Les sorties du détecteur sont mesurées de façon linéaire en dB. Une troisième sortie dérivée de la différence entre la sortie directe et la sortie réfléchie produit une tension proportionnelle aux pertes par réflexion en dB. Le coupleur basé sur un pont couvre une plage de fréquences de 9 kHz à 7 GHz avec une puissance nominale de 33 dBm (2 W) pour une charge correspondante de 50 ohms (Ω). La perte d'insertion varie de 0,9 dB à 10 MHz jusqu'à 2 dB à 7 GHz. Le dispositif est fourni dans un boîtier à montage en surface de 5 mm x 5 mm avec une épaisseur de 0,75 mm.

Analog Devices fournit une carte d'évaluation pour le détecteur ADL5920, l'ADL5920-EVALZ. Elle est entièrement équipée et nécessite une source d'alimentation de 5 V et 200 mA. Les entrées et sorties sont disponibles via des connecteurs de 2,92 mm, comme les sorties principales. Le schéma présente les raccordements typiques pour l'ADL5920 (Figure 6). Il s'agit d'un outil idéal pour tester l'ADL5920 avec un minimum d'effort.

Figure 6 : Le schéma de la carte d'évaluation ADL5920-EALZ présente les raccordements typiques nécessaires pour le détecteur bidirectionnel RMS et ROS ADL5920 d'Analog Devices. (Source de l'image : Analog Devices)

L'implémentation du pont résistif du coupleur directionnel offre la plus vaste plage de fréquences possible, proche du courant continu (CC). Les modèles à transformateurs et à lignes de transmission présentent des largeurs de bande plus restrictives, mais offrent des limites de puissance supérieures.

N'importe lequel de ces dispositifs peut être utilisé pour recueillir un échantillon de la puissance d'entrée à utiliser dans les circuits de surveillance des signaux. Cet échantillon peut alors être mesuré pour déterminer le niveau de puissance, la fréquence et la modulation à l'aide d'instruments traditionnels comme un oscilloscope ou un analyseur de spectre. Les données peuvent également être intégrées à la boucle de rétroaction qui ajuste la sortie afin de la maintenir dans les limites souhaitées.

Les conditions au niveau de la charge sont indiquées par le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS). Le rapport d'ondes stationnaires en tension de la charge au niveau du port de sortie peut être calculé en utilisant les sorties du port couplé et du port isolé, qui représentent la tension directe et la tension réfléchie, respectivement.

Équation 3

Les pertes par réflexion peuvent être calculées à partir du rapport d'ondes stationnaires en tension :

Équation 4

Conclusion

Le coupleur directionnel est un dispositif de mesure utile pour les concepteurs de systèmes RF. Il fournit non seulement un aperçu des niveaux de puissance RF par rapport à l'amplitude, mais il sépare également les composantes du signal direct et du signal réfléchi permettant de caractériser la charge. Comme indiqué ici, il existe trois topologies de coupleurs fréquemment utilisées qui fournissent ces sorties dans des boîtiers compacts compatibles avec des dispositifs sans fil.