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ACOPLADOR DIRECCIONAL MEDICIN DE POTENCIA

Maracay, 21 de Mayo de 2015INTRODUCCIN

Un acoplador direccional es una red pasiva de cuatro puertos donde uno de los puertos queda aislado respecto al puerto de entrada. De los otros dos puertos, uno es el que recibe la mayor parte de la seal incidente y el otro el que recibe una parte fija de la seal. Dicho de otra manera, es una red de cuatro accesos que tiene dos pares de accesos desacoplados. Esto implica que la matriz de parmetros S presenta cuatro elementos que no pertenecen a la diagonal principal nulos. Adems, la red es recproca y se considerada idealmente sin prdidas. Bsicamente, consta de dos lneas de transmisin y un mecanismo de acoplo entre ellas.

Los acopladores direccionales cumplen muchas funciones en los circuitos de microondas entre las que se encuentran su utilizacin para tomar muestras de seales para sistemas de control, aplicaciones en amplificadores balanceados, mezcladores, instrumentos de medicin y filtros. Muchos de estos usos requieren acoples altos (del orden de 3dB) los cuales pueden ser difciles de realizar por limitaciones tcnicas si a la vez se desea mantener una baja ocupacin de rea.

MARCO TEORICO

Los acopladores direccionales son dispositivos pasivos usados en el campo de la radio tecnologa. Estos dispositivos acoplan parte de la potencia transmitida a travs de una lnea de transmisin hacia otro puerto, a menudo usando dos lneas de transmisin dispuestas lo suficientemente cerca para que la energa que circula por una de las lneas se acople a la otra.

Como se muestra en la figura, un acoplador tiene 4 puertos: entrada, salida, acoplado y aislado. El trmino lnea principal se refiere a la lnea entre los puertos 1 y 2. En algunos acopladores direccionales, la lnea principal est diseada para operar en alta potencia (grandes conectores), mientras que el puerto acoplado puede usar un conector pequeo SMA. A menudo el puerto aislado est conectado a una carga adaptada, interna o externa (normalmente 50 ohms). Debera tenerse en cuenta que el acoplador direccional, al ser un dispositivo lineal, la notacin de la Figura 1 es arbitraria. Cualquier puerto puede ser la entrada, de este modo la salida sera el puerto al que est conectado directamente la entrada, el puerto acoplado seria el puerto adyacente al de entrada, y el aislado seria el puerto en diagonal.

El puerto acoplado es usado para obtener la informacin (por ejemplo frecuencia y nivel de potencia) de la seal sin interrumpir el flujo de principal en el sistema. Cuando la potencia del puerto 3 es la mitad de la de entrada (por ejemplo 3 dB inferior a la entrada), la potencia en la lnea de transmisin principal est tambin 3 dB por debajo de la de entrada y es igual a la potencia acoplada. Este tipo de acopladores son los llamados hbridos de 90 grados, hbridos o acopladores 3 dB.

Las propiedades comunes deseadas para todos los acopladores direccionales son un ancho de banda amplio, alta directividad y una buena impedancia de adaptacin en todos los puertos cuando los otros puertos estn conectados a cargas adaptadas. Estas caractersticas de los acopladores direccionales hbridos y no hbridos se explican por s mismas. Otras caractersticas generales sern discutidas a continuacin.

FACTOR DE ACOPLAMIENTO

El factor de acoplamiento es definido como:

Donde P1 es la potencia de entrada en el puerto 1 y P3 es la potencia de salida en el puerto acoplado. El factor de acoplamiento representa la propiedad primaria de un acoplador direccional. El acoplamiento no es constante, varia con la frecuencia. Mientras que varios diseos pueden reducir esta variacin , es imposible construir un acoplador perfecto sin ninguna variacin a la frecuencia. Los acopladores direccionales son especificados en trminos de exactitud en la frecuencia central de la banda de operacin. Por ejemplo un acoplamiento de 10 dB +/-0.5 dB significa que el acoplador direccional puede tener un acoplamiento de 9.5 dB a 10.5 dB en la frecuencia central de la banda.

La precisin es debida a las tolerancias dimensionales en la separacin entre las dos lneas acopladas. Otra especificacin es la sensibilidad a la frecuencia. Una mayor sensibilidad a la frecuencia permitir una banda de frecuencias operativa ms ancha. Se usan mltiples secciones de acoplamiento de un cuarto de longitud de onda para obtener un mayor ancho de banda de frecuencia. Normalmente este tipo de acoplador direccional es diseado para una relacin de ancho de banda de frecuencia y para un mximo de ondulacin de acoplamiento dentro de la banda de frecuencias. Por ejemplo, un tpico diseo de acoplador con un ancho de banda de frecuencia de 2:1 que produce un acoplamiento de 10 dB con una ondulacin de +/- 0.1 dB, utilizando la especificacin previa de exactitud, tendra un acoplamiento de 9.6 +/- 0.1 dB hasta 10.4 +/- 0.1 dB a lo largo del rango de frecuencias.

PRDIDAS

En un acoplador direccional, las prdidas de la lnea principal desde el puerto 1 al puerto 2 (P1 P2) se denominan prdidas por insercin. Prdidas por insercin:

Gran parte de estas prdidas son debidas a la potencia desviada hacia el puerto 3, estas prdidas se denominan prdidas por acoplamiento y se calculan:

Prdidas por acoplamiento:

En un acoplador direccional ideal, las prdidas por insercin y las prdidas por acoplamiento son idnticas. En la prctica, las prdidas por insercin sern una combinacin de prdidas de acoplamiento, prdidas dielctricas, prdidas del conductor y prdidas por ROE. Dependiendo del rango de frecuencias, las prdidas por acoplamiento son menos significantes con un acoplamiento superior a 15 dB. En este caso las otras prdidas constituyen la mayor parte del total de prdidas. En la Figura 2 se muestra un grfico con la relacin terica entre las prdidas por insercin (dB) y el factor de acoplamiento (dB).

METODOLOGA EXPERIMENTAL

La elaboracin de este procedimiento experimental para la medicin de potencia, se llev a cabo utilizando los instrumentos y componente con los cuales se cuenta en el laboratorio que a continuacin se mencionan:

Indicador de R.O.E Oscilador de barrido Lnea ranurada Adaptador de gua de lnea coaxial Stub de cortocircuito Acoplador direccional Carga adaptada de 12,5 cm

Se procedi a llevar a cabo el montaje adecuado indicado en la gua de laboratorio, y disponer de los componentes e instrumentos antes mencionados para realizar dicho montaje, para as de esta manera cumplir con el objetivo principal de esta prctica, el cual es obtener una medicin acertada de la potencia

Luego, se obtuvieron mediciones de R.O.E que presentaban algunas variaciones en su lectura, motivo por el cual se realizaron ajustes en dicho montaje para una correcta lectura del mismo, para posterior a esto obtener los clculos acertados de la potencia

Una vez realizado este paso, se procedi de la siguiente manera:

Activacin del oscilador de barrido Se estableci la longitud del stub de cortocircuito a 5,6 cm Se fij la escala de atenuacin del indicador de R.O.E en 50 dB.

Nota: se debe tener en cuenta que para realizar de manera exitosa este procedimiento, el acoplador direccional es un dispositivo adaptado en impedancia a la lnea en la cual vamos a medir, y est conectado en serie entre la carga y el transmisor. l puede ser un cable coaxial o una gua de ondas de 50 .

RESULTADOS

Terminado el procedimiento anterior, se pudo observar la deflexin de R.O.E, proporcionado por el indicador de Rgimen de onda estacionaria, el cual luego de varias mediciones, obtuvimos tres lecturas que oscilaron entre 1.15 dB a 1.20 dB.

ANLISIS DE RESULTADOS

Una vez obtenidos los resultados se determino que la deflexin arrojada durante la prctica fue de nivel bajo, y esto se debe a que se utilizo un adaptador de gua de onda coaxial, la cual adapta la gua de onda a una lnea de transmisin coaxial de 60 . Por esta razn se puede concluir que hubo transmisin de potencia en cualquier direccin y el R.O.E obtenido ser inferior a 1,25 dB por lo cual se considera aceptable las lecturas obtenidas ya que un R.O.E de mximo 1.5 dB se encuentra dentro de los limites aceptable de seguridad para los equipos actuales utilizados para este tipo de experimento.

CONCLUSIONES

Para concluir esta prctica, podemos entonces entender que en las mediciones del R.O.E existen ciertos parmetros que nos indican que tan acertada y exacta es nuestra medicin, algunas de ellas son:

Si las tres mediciones obtenidas son menores a 2.0, entonces la instalacin es segura para operar. Si las tres medidas son menores a 1.3, entonces la instalacin est bastante buena Si las mediciones son superiores a 3.0 en todos los canales, los ms probable es que exista un cortocircuito o una conexin abierta en los conectores de coaxial. Otra posibilidad, es que el cable coaxial este cortado interiormente. No usar la radio hasta que pueda encontrar el problema. Si la medicin obtenida en el canal bajo es mayor que la obtenida en el canal alto, entonces la antena est elctricamente corta. Si es a la inversa, est elctricamente larga; y si las medidas son iguales entonces tiene el largo correcto.

BIBLIOGRAFIAS

[1] Robert E. Collin, (2001). "Foundations for Microwave Engineering", New York, Wiley-Intersc.

[2] David M. Pozar, (2005)."Microwave Engineering", New York, John Wiley & Sons.