I fondamenti degli accoppiatori direzionali RF e come usarli in modo efficace.

Applicazioni a radiofrequenza (RF) come i radar delle automobili, i cellulari 5G, IoT e altre ancora stanno aumentando il numero delle sorgenti RF utilizzate nei sistemi elettronici. Tutte queste sorgenti hanno bisogno di una metodologia per monitorare e controllare i livelli di potenza RF senza contemporaneamente subire perdite sulla linea di trasmissione e sul carico. Inoltre, alcune applicazioni richiedono un'uscita del trasmettitore di alta potenza. I progettisti devono pertanto trovare un modo per monitorare i segnali di uscita senza collegare direttamente le strumentazioni sensibili che potrebbero venire danneggiate da livelli elevati di segnale.

Vi sono poi anche altre sfide, come determinare le caratteristiche di un carico RF come un'antenna su un ampio campo di frequenza e come monitorare le variazioni di carico e il rapporto d'onda stazionaria mentre il trasmettitore è in funzione per prevenire la riflessione di potenze elevate e danni all'amplificatore.

La soluzione a questi requisiti e a queste sfide risiede nell'inserire degli accoppiatori direzionali in una linea di trasmissione. Questi dispositivi permettono di monitorare in modo preciso il flusso di energia RF nella linea e di ridurre contemporaneamente i livelli di potenza di uno specifico valore fisso. Gli accoppiatori direzionali introducono disturbi minimi del segnale della linea principale nel processo di campionamento. Sono in grado di distinguere tra potenza diretta e riflessa e consentono di monitorare l'attenuazione di riflessione o il rapporto di onda stazionaria, fornendo una retroazione delle variazioni di carico durante la trasmissione.

Questo articolo illustra il funzionamento degli accoppiatori direzionali e presenta tre topologie ed esempi pertinenti di Anaren, M/A-Com e Analog Devices. Ne esamina quindi le caratteristiche tipiche e indica come utilizzarle in modo efficace.

Che cos'è un accoppiatore direzionale?

Un accoppiatore direzionale è un dispositivo di misurazione che viene inserito nella linea di trasmissione tra una sorgente RF - come un generatore di segnali, un analizzatore di rete vettoriale o un trasmettitore - e un carico. Misura sia la potenza RF dalla sorgente al carico - la componente diretta - sia la componente riflessa, la potenza rimandata indietro dal carico alla sorgente. Conoscere le componenti dirette e riflesse permette di calcolare la potenza totale, l'attenuazione di riflessione e il rapporto di onda stazionaria del carico.

Gli accoppiatori direzionali sono circuiti a quattro porte configurati come dispositivi a tre o quattro terminali (Figura 1).

Figura 1: Simboli schematici di un accoppiatore direzionale a tre porte (a sinistra) e a quattro porte (a destra). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

In genere, la sorgente è collegata alla porta di ingresso dell'accoppiatore e il carico a quella di uscita o trasmessa. L'uscita della porta accoppiata è una versione attenuata del segnale diretto. Il valore di attenuazione può essere indicato come mostrato nell'esempio a tre porte. La porta isolata terminata internamente nella versione a tre porte viene portata fuori nella versione a quattro porte e la sua uscita è proporzionale al segnale riflesso. Le frecce all'interno del simbolo schematico indicano il percorso della componente. Ad esempio, nella configurazione a quattro porte, la porta di ingresso è diretta alla porta accoppiata, il che indica che riceve la componente diretta, mentre la porta di uscita è collegata alla porta isolata che legge il segnale riflesso. I numeri delle porte non sono standardizzati e cambiano a seconda del produttore. Tra i fornitori, la nomenclatura delle porte è più uniforme.

Gli accoppiatori sono dispositivi simmetrici e le connessioni possono essere invertite. Nel caso del dispositivo a tre porte, con l'inversione della porta di ingresso e di quella di uscita, la porta tre è quella isolata. Nel dispositivo a quattro porte, l'inversione della porta di ingresso e di quella di uscita comporta lo scambio della porta accoppiata e di quella isolata.

Le uscite dell'accoppiatore sono segnali RF. Le uscite della porta accoppiata e di quella isolata sono solitamente collegate a un rilevatore di picco o RMS, il che produce un segnale in banda base collegato ai livelli di potenza diretta e riflessa. La combinazione dell'accoppiatore direzionale e dei relativi rilevatori è detta riflettometro.

In alcuni casi, due accoppiatori direzionali sono collegati in serie, a formare un doppio accoppiatore direzionale. Questo collegamento serve a ridurre al minimo le perdite tra la porta accoppiata e quella isolata.

Specifiche dell'accoppiatore direzionale

Gli accoppiatori direzionali sono specificati da diverse caratteristiche chiave, tra cui larghezza di banda, potenza nominale in ingresso, perdita di inserzione, stabilità in frequenza, coefficiente di accoppiamento, direttività, isolamento e rapporto di onda stazionaria (ROS) residua in tensione.

Larghezza di banda: la larghezza di banda dell'accoppiatore indica il campo di frequenze, in hertz, su cui l'accoppiatore è progettato per funzionare entro le sue specifiche.

Potenza nominale in ingresso: gli accoppiatori hanno una potenza nominale massima in ingresso, espressa in watt, sia per i segnali a onda continua (CW) che per quelli di ingresso pulsati. Questi sono i livelli massimi di potenza che il dispositivo può gestire senza incorrere in un deterioramento delle prestazioni o in danni fisici.

Perdita di inserzione: indica la perdita di potenza, espressa in decibel (dB), dovuta all'inserimento del dispositivo nel percorso di trasmissione principale.

Stabilità in frequenza: specifica la variazione della risposta in ampiezza del percorso di trasmissione principale, in dB, sulla larghezza di banda specificata del dispositivo in funzione della variazione della frequenza del segnale di ingresso.

Coefficiente o fattore di accoppiamento: il coefficiente di accoppiamento è il rapporto tra la potenza in ingresso e la potenza in dB sulla porta accoppiata, quando l'accoppiatore è terminato correttamente su tutte le porte. Questa è una delle caratteristiche principali dell'accoppiatore direzionale. L'uscita della porta accoppiata è proporzionale al livello di potenza nel percorso diretto dall'ingresso all'uscita per questo fattore noto. L'uscita accoppiata può essere collegata ad altri strumenti, come un oscilloscopio, senza il pericolo di sovraccaricarli.

Isolamento: il rapporto, in dB, tra la potenza sulla porta di ingresso e quella sulla porta isolata con tutte le porte terminate correttamente.

Direttività: il rapporto, in dB, tra la potenza sulla porta accoppiata e quella sulla porta isolata con tutte le porte terminate correttamente. Nel caso di un accoppiatore a tre porte, vengono effettuate due misurazioni di potenza: una nella normale direzione avanti e una con le porte di ingresso e di uscita invertite. Questa specifica è una misura della separazione delle componenti dirette e riflesse. In genere, più alta è la direttività migliori sono le prestazioni dell'accoppiatore. La direttività non può essere misurata direttamente, ma viene calcolata sulla base delle misurazioni dell'isolamento e dell'isolamento invertito.

ROS residuo in tensione: il rapporto di onda stazionaria misurato con l'accoppiatore terminato correttamente su tutte le porte. Questa è una misura della corrispondenza dell'impedenza intrinseca dell'accoppiatore.

Topologie degli accoppiatori direzionali

I progetti degli accoppiatori direzionali possono essere realizzati in diversi modi. Le tre topologie più comuni sono trasformatori RF, linee di trasmissione a ponte resistivo o accoppiate. La topologia basata su trasformatori RF utilizza due trasformatori RF (Figura 2). Qui, il trasformatore T₁ rileva la corrente della linea principale tra l'ingresso e il carico. Un secondo trasformatore, T₂, rileva la tensione sulla linea principale rispetto alla terra. Il fattore di accoppiamento è controllato dal rapporto spire del trasformatore, N.

Figura 2: La topologia dell'accoppiatore direzionale basato su trasformatore RF usa due trasformatori RF per rilevare sia la componente diretta che quella riflessa sulla linea principale. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il funzionamento teorico di questo tipo di accoppiatore direzionale può essere analizzato combinando le tensioni indotte singolarmente da ogni trasformatore sulla linea accoppiata e sommando poi i risultati (Figura 3). V_in è la tensione diretta e V_L è la tensione riflessa.

Figura 3: Analisi dell'accoppiatore basato su trasformatore valutando individualmente il contributo in tensione di entrambi i trasformatori alla linea accoppiata. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il contributo del trasformatore di rilevamento della corrente alla linea accoppiata per la porta accoppiata (V_F') e quella isolata (V_R') viene calcolato nello schema superiore in cui è stato omesso il trasformatore di rilevamento della tensione. In modo analogo, il contributo a queste porte dato dal trasformatore di rilevamento della tensione omettendo il trasformatore di rilevamento della corrente viene calcolato nello schema inferiore come V_F" e V_R". La tensione sulla porta accoppiata, V_F, viene determinata sommando V_F' e V_F":

Equazione 1

La tensione risultante sulla porta accoppiata è la tensione di ingresso divisa per il rapporto spire del trasformatore.

Analogamente, combinando VR' e VR" si ottiene la tensione sulla porta isolata:

Equazione 2

La tensione sulla porta isolata si ottiene sottraendo la tensione riflessa divisa per il rapporto spire del trasformatore. Il segno negativo indica che la tensione riflessa è di 180° fuori fase con la tensione diretta.

Prestazioni di questo tipo dell'accoppiatore direzionale sono buone su un ampio campo di frequenze, come visto in M/A-Com MACP-011045, la cui larghezza di banda si estende da 5 a 1225 MHz. Questo accoppiatore basato su trasformatore ha un fattore di accoppiamento di 23 dB e una potenza nominale di 10 W. L'isolamento dipende dalla frequenza e varia da 45 dB, per frequenze inferiori a 30 MHz, a 27 dB oltre 1 GHz. Utilizza un contenitore a montaggio superficiale di 6,35 x 7,11 x 4,1 mm, che lo rende compatibile con la maggior parte delle applicazioni wireless.

Gli accoppiatori basati su linee di trasmissione accoppiate si basano su cavi coassiali o linee di trasmissione a circuito stampato. Il meccanismo posiziona due o più linee di trasmissione, di solito un quarto d'onda, molto vicine, così che una piccola quantità controllata di potenza del segnale vada dalla linea principale a una o più linee accoppiate (Figura 4).

Figura 4: Esempio di un accoppiatore bidirezionale che utilizza linee di trasmissione accoppiate. Le linee sono di solito sezioni di quarto d'onda alla frequenza centrale progettata. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

L'ingresso viene applicato alla porta 1 e la maggior parte della potenza viene erogata al carico sulla porta 2. Una piccola quantità di potenza è accoppiata alle linee secondarie collegate alle porte 3 e 4. La porta 3 è la porta accoppiata. Qui, il livello di potenza è una percentuale fissa della potenza applicata. Il coefficiente di accoppiamento, una funzione della geometria delle linee accoppiate, descrive la potenza sulla porta accoppiata. La potenza riflessa è accoppiata alla porta 4, che è quella isolata.

11302-20 di Anaren è un tipico accoppiatore direzionale per linee di trasmissione accoppiate che copre un campo di frequenza da 190 a 400 MHz in grado di gestire fino a 100 W. Offre un fattore di accoppiamento nominale di 20 dB con una perdita di inserzione di 0,3 dB. È inserito in un contenitore a montaggio superficiale di 16,51 x 12,19 x 3,58 mm ed è destinato al monitoraggio del livello di potenza e alle misurazioni ROS in tensione per trasmettitori di potenza moderata. Le dimensioni di questo tipo di accoppiatore sono legate al campo di frequenza. Più la frequenza operativa diminuisce, più la lunghezza deve aumentare. In genere sono utilizzati per UHF e frequenze più alte, che possono accettare dimensioni più piccole.

L'ultima topologia di un accoppiatore direzionale è il ponte direzionale, un circuito che si riferisce al classico ponte di Wheatstone. Questa topologia è usata con il rilevatore RMS e ROS in tensione ADL5920 di Analog Devices (Figura 5).

Figura 5: Schema semplificato del ponte bidirezionale utilizzato nel rilevatore RMS e ROS in tensione ADL5920 di Analog Devices. Il calcolo mostrato deriva una direttività di 33 dB basata sull'analisi di una condizione terminata correttamente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

ADL5920 utilizza un ponte resistivo per separare la tensione diretta e quella riflessa in una linea di trasmissione. Il calcolo mostrato calcola la direttività teorica del dispositivo per le basse frequenze con la terminazione di capacità nominale. Il risultato è una direttività di 33 dB. Le uscite V_REV e V_FWD del ponte vengono alimentate agli stadi del rilevatore RMS con un intervallo dinamico di 60 dB. Le uscite del rilevatore leggono linearmente in dB. Una terza uscita derivata dalla differenza tra l'uscita diretta e quella riflessa produce una tensione proporzionale all'attenuazione di riflessione in dB. L'accoppiatore a ponte copre un campo di frequenza da 9 kHz a 7 GHz con una potenza nominale di 33 dBm (2 W) per un carico corrispondente di 50 Ω. La perdita di inserzione varia da 0,9 dB a 10 MHz a 2 dB a 7 GHz. Questo dispositivo è racchiuso in un contenitore a montaggio superficiale di 5x5 mm con uno spessore di 0,75 mm.

Analog Devices fornisce ADL5920-EVALZ, una scheda di valutazione per ADL5920. È una scheda completa e richiede una fonte di alimentazione da 5 V, 200 mA. Ingressi e uscite sono disponibili tramite connettori da 2,92 mm, così come le uscite primarie. Lo schema mostra le connessioni tipiche richieste per ADL5920 (Figura 6). Si tratta di uno strumento ideale per provare ADL5920 con il minimo sforzo.

Figura 6: Lo schema della scheda di valutazione ADL5920-EALZ mostra le tipiche connessioni richieste per il rilevatore RMS e ROS in tensione bidirezionale ADL5920 di Analog Devices. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'implementazione a ponte resistivo dell'accoppiatore direzionale offre il campo di frequenza più ampio, avvicinandosi molto alla corrente continua (c.c.). Le versioni con trasformatore e linea di trasmissione hanno larghezze di banda più restrittive, ma supportano entrambe limiti di potenza più elevati.

Tutti questi dispositivi possono essere utilizzati per prelevare un campione della potenza di ingresso da usare nei circuiti di monitoraggio dei segnali. Il campione risultante può essere misurato per stabilire il livello di potenza, la frequenza e la modulazione utilizzando strumenti tradizionali come un oscilloscopio o un analizzatore di spettro. I dati possono anche essere integrati come parte di un anello di retroazione che regola l'uscita per mantenerla entro i limiti desiderati.

Le condizioni sul carico sono indicate dal rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione. Il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione del carico sulla porta di uscita può essere calcolato utilizzando le uscite sia della porta accoppiata che della porta isolata, che rappresentano rispettivamente la tensione diretta e la tensione riflessa.

 Equazione 3

L'attenuazione di riflessione può essere calcolata dal ROS in tensione:

Equazione 4

Conclusione

L'accoppiatore direzionale è un dispositivo di misurazione utile per chi progetta sistemi RF. Offre non solo una vista in scala dell'ampiezza dei livelli di potenza RF, ma separa anche le componenti dirette e riflesse del segnale, agevolando la caratterizzazione del carico. Come è stato mostrato, sono disponibili tre topologie di accoppiatori di uso comune che forniscono queste uscite in piccoli contenitori compatibili con i dispositivi wireless.