En un modelo simplificado describiremos los fundamentos de los acopladores direccionales coaxiales con un bucle de acoplamiento. El principio es esencialmente el mismo para la mayoría de los otros acopladores direccionales.
Los acopladores direccionales coaxiales utilizan el hecho de que la dirección del campo eléctrico (campo E) entre el conductor interno y externo es igual para la onda delantera y la inversa. Sin embargo, el campo magnético (campo H), con la dirección alrededor del conductor interno de la línea coaxial, tiene una dirección de rotación opuesta para la onda delantera y la inversa. Ejemplificaremos esto en un acoplador de bucle direccional correspondiente a la Fig. 1.
Fig. 1
La potencia de radiofrecuencia (rf) que fluye desde el amplificador a la carga da como resultado un campo eléctrico radial desde el conductor interno al conductor externo (tierra) y un campo magnético circular entre el conductor interno y el externo.
Una pequeña parte del campo eléctrico se acopla capacitivamente del conductor interno a la placa de acoplamiento del bucle de acoplamiento. Esto conduce a un voltaje de rf de esta placa contra tierra y una corriente de rf que fluye sobre los espaciadores metálicos eléctricamente principales por igual a través de las dos resistencias de 50 ohmios a tierra. Este voltaje que surge debido al acoplamiento capacitivo de la onda delantera es igual en ambos puertos y positivo. En lo siguiente llamamos a este voltaje + Vcap.
Como ya se mencionó, la onda delantera también genera un campo magnético circular, que es vertical y orientado en el sentido de las agujas del reloj a la dirección de la propagación. Este campo magnético se encuentra alrededor del conductor interno y está unido por el conductor externo. Una pequeña parte de este campo magnético penetra en el bucle de acoplamiento. El bucle de acoplamiento, que consiste en la placa de acoplamiento, los dos espaciadores metálicos, las dos resistencias y el suelo entre las resistencias, está construyendo un circuito cerrado. El llamado flujo magnético a través del bucle de acoplamiento induce una Iind de corriente en este bucle cerrado. Esta corriente genera un voltaje positivo + Vind en el puerto 1, que fluye a través de la resistencia en el puerto 1. Después de pasar esta resistencia, la corriente inducida fluye a lo largo del suelo hasta la resistencia en el puerto 2. La dirección de esta corriente a través de la resistencia en el puerto 2 es opuesta a la corriente a través de la resistencia en el puerto 1. Esto conduce a un voltaje negativo en el puerto 2, antes de que la corriente vuelva a la placa de acoplamiento.
Si se puede obtener mediante una geometría apropiada, que Vcap y Vind son iguales en amplitud y fase, esto dará como resultado el doble de voltaje en el puerto 1, agregando V cap y V ind, mientras que agregar Vcap y –Vind en el puerto 2 conducirá a voltaje cero. En este caso, la onda delantera acopla una parte de la potencia transportada al puerto 1, mientras que nada de ella se acopla al puerto 2.
Para la onda inversa con la misma dirección del campo E pero la dirección contraria del campo H es viceversa. Aquí el acoplamiento capacitivo e inductivo se agrega en el puerto 2 mientras se extinguen entre sí en el puerto 1.
En el puerto 1 solo se mide una parte proporcional de la onda delantera y en el puerto 2 solo una parte proporcional de la onda inversa. Por lo tanto, el acoplador direccional puede medir por separado la onda hacia adelante y hacia atrás.
En la práctica, nunca encontrará las condiciones ideales que se acaban de describir. Si Vcap y Vind no son exactamente iguales, la onda de avance acoplará una pequeña parte de la potencia de avance al puerto 2 también. De manera similar, la onda inversa acoplará una pequeña parte al puerto 1.
Si, por ejemplo, la onda delantera acopla una milésima parte de la potencia transportada al puerto 1, el acoplador direccional tiene un factor de acoplamiento de -30 db. Considere además un ejemplo, donde se mide -65 dB en el puerto 2 (en lugar de idealmente – infinity dB) debido a una pequeña diversidad entre el acoplamiento capacitivo e inductivo (incluso con una coincidencia ideal de la línea principal sin una onda inversa). En este caso, hay una diferencia en el acoplamiento del puerto 1 y el puerto 2 de 35 dB. Este factor se denomina directividad de un acoplador direccional, que en este ejemplo es de 35 dB.
La directividad es una medida de cuán bien el acoplamiento capacitivo e inductivo de un acoplador direccional se empareja en amplitud y fase. Recomendamos una directividad de al menos 30 dB, mejor de 35 a 40 dB. Después de nuestras explicaciones sobre los dos voltajes Vcap y Vind anteriores, puede imaginar que no solo la geometría del bucle de acoplamiento, sino también la calidad e igualdad de las dos resistencias de 50 ohmios tienen una fuerte influencia en la directividad del acoplador direccional.
En resumen, hemos mostrado cómo funciona un acoplador direccional y, específicamente, cómo un acoplador direccional perfecto es capaz de medir la onda hacia adelante y hacia atrás por separado. Además, definimos la directividad de los parámetros de un acoplador direccional y su conexión a una geometría no simétrica.