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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