Dans un modèle simplifié, nous décrirons les principes fondamentaux des coupleurs directionnels coaxiaux à une boucle de couplage. Le principe est essentiellement le même pour la plupart des autres coupleurs directionnels.
Les coupleurs directionnels coaxiaux utilisent le fait que la direction du champ électrique (champ E) entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur est égale pour l’onde avant et l’onde inverse. Cependant, le champ magnétique (champ H), avec la direction autour du conducteur interne de la ligne coaxiale a un sens de rotation opposé pour l’onde avant et l’onde inverse. Nous illustrerons cela au niveau d’un coupleur de boucle directionnelle correspondent à la Fig. 1.
Fig. 1
La puissance de radiofréquence (rf) circulant de l’amplificateur vers la charge se traduit par un champ électrique radial du conducteur intérieur vers le conducteur extérieur (masse) et un champ magnétique circulaire entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur.
Une petite partie du champ électrique se couple de manière capacitive du conducteur intérieur à la plaque de couplage de la boucle de couplage. Ceci conduit à une tension rf de cette plaque contre la masse et à un courant rf qui circule sur les entretoises métalliques électriquement conductrices également à travers les deux résistances de 50 ohms jusqu’à la masse. Cette tension due au couplage capacitif de l’onde directe est égale sur les deux ports et positive. Dans ce qui suit, nous appelons cette tension + Vcap.
Comme déjà mentionné, l’onde directe génère également un champ magnétique circulaire, qui est vertical et orienté dans le sens horaire par rapport à la direction de propagation. Ce champ magnétique est situé autour du conducteur interne et est lié par le conducteur externe. Une petite partie de ce champ magnétique pénètre dans la boucle de couplage. La boucle de couplage, constituée de la plaque de couplage, des deux entretoises métalliques, des deux résistances et de la masse entre les résistances constitue un circuit fermé. Le flux dit magnétique à travers la boucle de couplage induit un courant I Ind dans cette boucle fermée. Ce courant génère une tension positive + Vind au port 1, traversant la résistance au port 1. Après passage de cette résistance, le courant induit I Id circule le long de la masse vers la résistance au niveau du port 2. Le sens de ce courant traversant la résistance au port 2 est opposé au courant traversant la résistance au port 1. Ceci conduit à une tension négative–Vind au niveau du port 2, avant que le courant ne revienne vers la plaque de couplage.
Si l’on peut obtenir par une géométrie appropriée, que Vcap et Vind sont égaux en amplitude et en phase, cela se traduira par deux fois la tension sur le port 1, en ajoutant V cap et V ind, tandis que l’ajout de Vcap et –Vind sur le port 2 conduira à une tension nulle. Dans ce cas, l’onde directe couple une partie de la puissance transportée au port 1 tandis que rien de celle-ci ne couple au port 2.
Pour l’onde inverse avec la même direction du champ E mais la direction contraire du champ H, c’est l’inverse. Ici, le couplage capacitif et inductif s’ajoute sur le port 2 tandis qu’ils s’éteignent l’un l’autre sur le port 1.
Sur le port 1 on ne mesure qu’une partie proportionnelle de l’onde avant et sur le port 2 seulement une partie proportionnelle de l’onde inverse. Ainsi, le coupleur directionnel peut mesurer séparément l’onde avant et l’onde inverse.
En pratique, vous ne trouverez jamais les conditions idéales telles que décrites ci-dessus. Si Vcap et Vind ne sont pas exactement égaux, l’onde directe couplera également une petite partie de l’alimentation directe au port 2. De même, l’onde inverse couplera une petite partie au port 1.
Si par exemple l’onde directe couple un millième de la puissance transportée au port 1, le coupleur directionnel a un facteur de couplage de -30 db. Considérons plus loin un exemple, où l’on mesure -65 dB sur le port 2 (au lieu de idéalement – infinity dB) en raison d’une faible diversité entre le couplage capacitif et inductif (même avec une correspondance idéale de la ligne principale sans onde inverse). Dans ce cas, il existe une différence de couplage du port 1 et du port 2 de 35 dB. Ce facteur est appelé directivité d’un coupleur directionnel, qui est dans cet example de 35 dB.
La directivité est une mesure de la façon dont le couplage capacitif et inductif d’un coupleur directionnel sont adaptés en amplitude et en phase. Nous recommandons une directivité d’au moins 30 dB, mieux 35 à 40 dB. Après nos explications sur les deux tensions Vcap et Vind ci-dessus, vous pouvez imaginer que non seulement la géométrie de la boucle de couplage mais aussi la qualité et l’égalité des deux résistances de 50 ohms ont une forte influence sur la directivité du coupleur directionnel.
Pour résumer, nous avons montré comment fonctionne un coupleur directionnel et plus précisément comment un coupleur directionnel parfait est capable de mesurer l’onde avant et arrière séparément. De plus, nous avons défini la directivité des paramètres d’un coupleur directionnel et sa connexion à une géométrie non symétrique.