In un modello semplificato descriveremo i fondamenti degli accoppiatori direzionali coassiali con un anello di accoppiamento. Il principio è essenzialmente lo stesso per la maggior parte degli altri accoppiatori direzionali.
Gli accoppiatori direzionali coassiali utilizzano il fatto che la direzione del campo elettrico (E-field) tra conduttore interno ed esterno è uguale per l’onda in avanti e l’onda inversa. Tuttavia, il campo magnetico (campo H), con la direzione attorno al conduttore interno della linea coassiale ha una direzione di rotazione opposta per l’onda in avanti e l’onda inversa. Esemplificheremo questo in un accoppiatore ad anello direzionale corrispondente alla Fig. 1.
Fig. 1
La potenza a radiofrequenza (rf) che scorre dall’amplificatore al carico si traduce in un campo elettrico radiale dal conduttore interno al conduttore esterno (massa) e un campo magnetico circolare tra conduttore interno ed esterno.
Una piccola parte del campo elettrico si accoppia capacitivamente dal conduttore interno alla piastra di accoppiamento del circuito di accoppiamento. Questo porta ad una tensione rf di questa piastra contro terra e una corrente rf che scorre sopra i distanziatori metallici elettricamente leader ugualmente attraverso i due resistori da 50 ohm a terra. Questa tensione che si verifica a causa dell’accoppiamento capacitivo dell’onda in avanti è uguale su entrambe le porte e positiva. Di seguito chiamiamo questa tensione + Vcap.
Come già accennato, l’onda in avanti genera anche un campo magnetico circolare, che è verticale e in senso orario orientato alla direzione della propagazione. Questo campo magnetico si trova attorno al conduttore interno ed è legato dal conduttore esterno. Una piccola parte di questo campo magnetico penetra nel ciclo di accoppiamento. L’anello di accoppiamento, costituito dalla piastra di accoppiamento, dai due distanziatori metallici, dai due resistori e dal terreno tra i resistori, sta costruendo un circuito chiuso. Il cosiddetto flusso magnetico attraverso il ciclo di accoppiamento induce una corrente Iind in questo anello chiuso. Questa corrente genera una tensione positiva + Vind alla porta 1, che scorre attraverso il resistore alla porta 1. Dopo aver superato questo resistore, la corrente indotta Iind scorre lungo il terreno fino al resistore alla porta 2. La direzione di questa corrente attraverso il resistore alla porta 2 è opposta alla corrente attraverso il resistore alla porta 1. Ciò porta ad una tensione negativa-Vind alla porta 2, prima che la corrente ritorni alla piastra di accoppiamento.
Se si può ottenere da una geometria appropriata, che Vcap e Vind sono uguali in ampiezza e fase, questo si tradurrà in due volte la tensione sulla porta 1, aggiungendo V cap e V ind, mentre l’aggiunta di Vcap e –Vind sulla porta 2 porterà a zero tensione. In questo caso l’onda in avanti coppie una parte della potenza trasportata alla porta 1 mentre nulla di esso coppie alla porta 2.
Per l’onda inversa con la stessa direzione del campo E ma direzione contraria del campo H è viceversa. Qui l’accoppiamento capacitivo e induttivo si aggiunge sulla porta 2 mentre si estinguono a vicenda sulla porta 1.
Sulla porta 1 si misura solo una parte proporzionale dell’onda in avanti e sulla porta 2 solo una parte proporzionale dell’onda inversa. Così l’accoppiatore direzionale può misurare separatamente l’onda in avanti e indietro.
In pratica non troverai mai le condizioni ideali come appena descritto. Se Vcap e Vind non sono esattamente uguali, l’onda in avanti accoppierà anche una piccola parte della potenza in avanti alla porta 2. Allo stesso modo l’onda inversa accoppierà una piccola parte alla porta 1.
Se ad esempio l’onda in avanti accoppia un millesimo della potenza trasportata alla porta 1, l’accoppiatore direzionale ha un fattore di accoppiamento di -30 db. Considerare ulteriormente un esempio, dove si misura -65 dB sulla porta 2 (invece di idealmente – infinity dB) a causa di una piccola diversità tra accoppiamento capacitivo e induttivo (anche con una corrispondenza ideale della linea principale senza un’onda inversa). In questo caso c’è una differenza nell’accoppiamento della porta 1 e della porta 2 di 35 dB. Questo fattore è chiamato la direttività di un accoppiatore direzionale, che è in questo esempio 35 dB.
La direttività è una misura di quanto bene l’accoppiamento capacitivo e induttivo di un accoppiatore direzionale sia abbinato in ampiezza e fase. Si consiglia una direttività di almeno 30 dB, meglio 35 a 40 dB. Dopo le nostre spiegazioni sulle due tensioni Vcap e Vind sopra, puoi immaginare che non solo la geometria del loop di accoppiamento, ma anche la qualità e l’uguaglianza dei due resistori da 50 ohm hanno una forte influenza sulla direttività dell’accoppiatore direzionale.
Per riassumere, abbiamo mostrato come funziona un accoppiatore direzionale e in particolare, come un perfetto accoppiatore direzionale è in grado di misurare l’onda in avanti e indietro separatamente. Inoltre, abbiamo definito la direttività dei parametri di un accoppiatore direzionale e la sua connessione a una geometria non simmetrica.