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Acoplador.
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN MATURÍN
INFORME DE PRÁCTICA No. 8EL ACOPLADOR DIRECCIONAL
(Laboratorio de Comunicaciones y Microonda)
Bachilleres:Carlos Gómez C.I.: 20.646.042Cristopher González C.I: 21.211.406Carlos Álvarez C.I: Noel Salazar C.I:
Profesor:Ing. Nelson MonteroSección: D (Nocturno)
Maturín, Diciembre de 2015.
INTRODUCCIÓN
Esta práctica tiene por finalidad la medición el factor de acoplamiento de un
acoplador direccional, con la evaluación de la atenuación entre la entrada del acoplador
direccional y su salida acoplada. Por otro lado utilizaremos el medidor SWR como un
indicador de potencia relativa calibrado. Para mantener el detector a cristal en su región
de operación de ley cuadrática, se utilizara el atenuador variable para limitar la potencia
incidente, también mediremos la direccionalidad de un acoplador direccional evaluando
la atenuación entre los puertos acoplados y aislados.
DESARROLLO
OBJETIVOS
El objetivo de esta práctica fue de familiarizarnos con los principios de
operación de un acoplador direccional. Otro objetivo de esta práctica fue de darnos la
capacidad de definir y medir el factor de acoplamiento y la direccionalidad de un
acoplador direccional.
DISCUSIÓN
En general, un acoplador direccional de guía de onda es un componente de
cuatro uniones constituido por dos secciones de guía de onda unidas entre sí de modo
que una fracción conocida de señal de microondas que se propaga en una guía de onda,
acoplará una señal de microonda en la otra guía de onda. La dirección de la propagación
de la señal acoplada se determina por la dirección de la señal en la primera guía. Los
acopladores direccionales se utilizan comúnmente para medir parámetros de la señal
como la potencia de un transmisor o señal reflejada y coeficientes de reflexión sin
perturbar la transmisión. También se utilizan junto con la circuitería apropiada para
regular la salida de los generadores de señal de microondas.
Hay diferentes técnicas para realizar acopladores direccionales de guía de ondas.
Uno de los tipos principales está formado por dos guías de ondas cruzadas que
comparten una pared común. Unas aberturas en la pared común permiten que la señal se
acople de una guía hacia la otra. La figura 8.1 muestra al acoplador direccional que
usted utilizará junto con su representación simbólica.
(a) (b)
Figura 8.1. (a) Un acoplador direccional de guías cruzadas y (b) su representación simbólica
Para explicar el principio de operación de este acoplador, debemos considerar
las distribuciones de los campos eléctricos y magnéticos en el interior de la guía de
onda. La figura 8.2 muestra la distribución de estos campos para el modo dominante en
una guía de onda rectangular. Note que el campo eléctrico posee solo un componente
paralelo a los lados cortos de la guía, la intensidad del campo eléctrico es máxima en el
centro de la guía y 0 en las paredes de la guía. El campo magnético posee una
componente a través del ancho de la guía y otra componente en la dirección de la
propagación de la señal.
(a) corte (b) vista superior
Figura 8.2. Distribución del campo eléctrico (→) y del campo magnético (⇢) para el modo fundamental.
En cualquier plano P, perpendicular a la dirección de propagación el
componente del campo magnético paralelo al plano. Estará en la misma dirección desde
un lado de la guía hacia al otro. El componente del campo magnético paralelo a la
dirección de propagación, cambia de polaridad de cada componente del campo
magnético, cambia cada media longitud de onda.
Para explicar el mecanismo direccional del acoplador, es solo necesario
considerar Hz, el componente del campo magnético en la dirección de la propagación de
la señal. Las aberturas A y B están situadas en cualquier lado del centro de guía
principal como se muestra en la figura 8.3. Las aberturas están situadas para que el
componente del campo magnético de la dirección de la propagación, acoplado a través
de la abertura B, esté 180° fuera de fase con la señal acoplada a través de la abertura A.
Sin embargo, la señal acoplada a través de la abertura B, que se propaga a lo largo del
brazo 3, debe también recorrer media longitud de onda más que la señal acoplada a
través de la abertura A, sumando 180° adicionales a la diferencia de fase entre las dos
(2) señales. En efecto, los dos desplazamientos a la diferencia de fase han puesto
nuevamente a las dos señales en fase, se sumarán para formar una señal que se propaga
a lo largo del brazo 4. Recorren la misma distancia y terminan fuera de fase. Estas
señales se cancelan entre sí por lo que ninguna señal se propaga a lo largo del brazo 4.
La figura 8.3 muestra la orientación de los componentes del campo magnético en
cada uno de los brazos de un acoplador direccional de guías cruzadas, cuando la onda
incidente se alimenta al brazo 1. El acoplamiento de la señal en el acoplador se atribuye
principalmente, al campo magnético; por esta razón se ha omitido el campo eléctrico en
la figura.
Figura 8.3. Orientación de los componentes del campo magnético en un acoplador direccional de guías cruzadas.
La potencia de la señal acoplada en la guía de ondas secundaria es una función
de la dimensión de las aberturas. La relación entre potencia incidente y potencia de la
señal acoplada en el puerto de muestreo, se denomina factor de acoplamiento, y se anota
C. Si la señal se alimenta al puerto 1 y el puerto 3 es el muestreo o puerto acoplado,
entonces el factor de acoplamiento puede calcularse en dB como:
Factor de acoplamiento C (dB) = 10 ∙ log( P1
P3)
Donde P1 es la potencia de la señal incidente (potencia total de entrada).
P3 es la potencia de la señal acoplado en el brazo 3.
Debe recordarse que la potencia en el puerto 2 será menor que la potencia
alimentada en el puerto 1, debido al acoplamiento de una cierta cantidad de potencia
hacia la guía de onda secundaria. Esta diferencia puede despreciarse cuando el factor de
acoplamiento es alto. La direccionalidad de un acoplador de guía cruzada es
generalmente mayor a 15 dB.
En el acoplador direccional tiene lugar un pequeño acoplamiento del campo
eléctrico. Sin embargo, la componente del campo eléctrico no experimenta el mismo
desplazamiento de fase de 180° y cancelación. El resultado es que se haya algo de señal
acoplada en el puerto aislado (puerto 4). La relación de la potencia acoplada en el puerto
de muestreo (puerto 3) respecto a la potencia acoplada en el puerto aislado (puerto 4)
cuando la señal incidente se alimenta al puerto 1 se denomina direccionalidad del
acoplador. Por simetría, la direccionalidad también puede definirse como la relación
entre la potencia en el puerto 3 cuando la señal incidente se alimenta al puerto 1
respecto a la potencia en el puerto 3 cuando la señal incidente se alimenta en el puerto 2,
por lo tanto, la direccionalidad D en dB puede calcularse como:
Direccionalidad D (dB) = 10 ∙ log( P3(1⟶2)
P4(1⟶2)) = 10 ∙ log( P3(1⟶2)
P3( 2⟶1))
La direccionalidad de un acoplador direccional de guía cruzadas puede variar
desde 20 a 40 dB, dependiendo de la frecuencia. Pueden construirse acopladores que
requieren direccionalmente más altas utilizando aberturas de orificios múltiples. Hoy en
día es común encontrar acopladores direccionales de aberturas múltiples, con anchos de
banda en el orden de una octava y direccionalidades de más de 40 dB.
EQUIPAMIENTO REQUERIDO
Descripción Modelo
Fuente de alimentación del Oscilador Gunn 9501
Medidor SWR 9502
Oscilador Gunn 9510
Detector de Cristal 9522
Acoplador Direccional 9523
Carga Adaptada (2) 9531
Atenuador Variable 9532
Cable de Conexión y Accesorios 9590
Soporte de Guía de Onda 9591
RESUMEN DEL PROCEDIMIENTO
En este ejercicio, usted medirá en factor de acoplamiento de un acoplador direccional,
evaluando la atenuación entre la entrada del acoplador direccional y su salida acoplada.
Usted utilizará al medidor SWR como un indicador de potencia relativa calibrado. Para
mantener al detector a cristal en su región de operación de ley cuadrática, usted realizará
MEDIDOR SWRFUENTE DE
ALIMENTACIÓN DEL OSCILADOR DE
GUNN
al atenuador variable para limitar la potencia incidente, de modo similar usted medirá la
direccionalidad de un acoplador direccional evaluando la atenuación entre los puertos
acoplados y aislados.
PROCEDIMIENTO
1. Primero nos aseguramos de que todos los interruptores de potencia estén en la
posición 0 (off) y colocamos los módulos como se muestran en la siguiente
figura 8.5.:
Figura 8.5. Arreglo de los módulos
2. Luego se procede al montaje de los demás componentes como se muestran en la
siguiente figura 8.6.:
Figura 8.6. Instalación utilizada para obtener una lectura de referencia.
3. Seguidamente realizaron los siguientes ajustes en la fuente de alimentación del
oscilador Gunn.
Voltaje................................................................................ Min
Modo.................................................................................. 1 kHz
Rango del medidor............................................................. 10 V
4. Luego de hacer los ajustes, seleccionamos el interruptor de RANGO -30 dB en el
medidor SWR y ajustamos la perilla de control de ganancia a su valor máximo y
seleccionamos el ancho de banda de 20 Hz.
5. Después encendimos la fuente de alimentación del oscilador Gunn y el medidor
SWR. Esperamos alrededor de 1 a 2 minutos parar que así la fuente se calentara y
después ajustamos el voltaje de la fuente de alimentación a 8 V.
6. Luego se realizo ajuste en el atenuador variable para obtener una lectura de -35 dB
en el medidor SWR.
El valor de ajuste del atenuador variable fue de 9,3 mm.
7. Luego hicimos máxima la señal con la perilla de Frecuencia Central en el medidor
SWR.
8. Se vario el voltaje de la fuente de alimentación del oscilador Gunn para obtener una
señal máxima. Como la aguja del medidor SWR no excedió el máximo de la escala
no fue necesario aumentar la atenuación provista por el atenuador variable.
9. Ajustamos el atenuador variable para tener una lectura de -30 dB en el medidor
SWR.
Para lograr esto llevamos el atenuador variable a 9,6 mm.
10. Después desconectamos el cable del oscilador Gunn de la fuente de alimentación y
armamos la instalación como se muestra a continuación en la figura 8.7.:
Figura 8.7. Instalación utilizada para medir el factor de acoplamiento.
11. Se hizo reconexión del cable de la fuente de alimentación del oscilador Gunn.
12. Seleccionamos el rango apropiado para leer el nivel relativo de la señal acoplada.
El nivel de la señal acoplada fue de -50,25 dB.
13. Luego calculamos el factor de acoplamiento del acoplador direccional restando el
nivel de la señal acoplada del valor de referencia de -30 dB.
El factor de acoplamiento C=−30,0 dB−50,25 dB=−20,52dB.
14. Seleccionamos el rango de -30 dB en el medidor SWR.
15. Después se ajustó el atenuador variable para obtener una lectura de -30 dB en el
medidor SWR. Ya que pudimos obtener este valor, no fue necesario registrar un
lectura conveniente si no que registramos la pedida que fue de -30 dB.
16. Luego desconectamos otra vez el cable de la fuente de alimentación al oscilador
Gunn para hacer la siguiente instalación de la figura 8.8.:
Figura 8.8. Instalación utilizada para medir la direccionalidad del acoplador direccional.
17. seguidamente se conecto nuevamente el cable de la fuente de alimentación del
oscilador Gunn.
18. En el medidor SWR seleccionamos el rango que nos permitió leer el nivel relativo
de la señal presente en el puerto aislado del acoplador direccional.
Nivel de señal en el puerto aislador fue de -54,5 dB. (Rango de -50 dB)
19. Después calculamos la direccionalidad del acoplador direccional restando el nivel
de señal del puerto aislado del nivel de referencia del paso 15.
Direccionalidad D=−30 dB – 54,5 dB=24,4dB.
20. Para finalizar llevamos la perilla de control de voltaje de la fuente de alimentación
del oscilador Gunn a su posición MIN y colocamos todos los interruptores de
potencia en la posición OFF. Desarmamos la instalación y la colocamos en sus
respectivos lugares.
PREGUNTAS DE REVISIÓN
1. ¿Qué es un acoplador direccional?
Un acoplador direccional de guía de onda es un componente de cuatro uniones
constituido por dos secciones de guía de onda unidas entre si de modo que una fracción
conocida de señal de microondas que se propaga en una guía de onda, acoplará una
señal de microonda en la otra guía de onda.
2. Brevemente, explique los principios de operación de un acoplador direccional de dos
aperturas y guías de ondas superpuestas.
Las aberturas A y B están situadas en cualquier lado del centro de guía principal.
Las aberturas están situadas para que el componente del campo magnético en la
dirección de la propagación, acoplado a través de la abertura B, esté 180º fuera de fase
con la señal acoplada a través de la abertura A. sin embargo, la señal acoplada a través
de la abertura B, que se propaga a lo largo del brazo 3, debe también recorrer media
longitud de onda mas que la señal acoplada a través de la abertura A, sumando 180º
adicionales a la diferencia de fase entre las dos señales. Los dos desplazamientos de fase
han puesto nuevamente a las dos señales en fase, se sumaran para formar una señal que
se propaga a lo largo del brazo 3; y las señales acopladas que viajan a lo largo del brazo
4, recorren la misma distancia y terminan fura de fase.
3. Nombre y brevemente explique los parámetros principales que se utilizan para
comparar acopladores direccionales.
Los acopladores direccionales son utilizados generalmente para medir
parámetros de la señal como la potencia de un trasmisor o señal reflejada y coeficiente
de reflexión sin perturbar la transmisión. También se utilizan junto con la circuitería
apropiada para regular la salida de los generadores de señal de microondas.
4. ¿Cuál debería ser la direccionalidad de un acoplador direccional ideal?
La direccionalidad de un acoplador direccional ideal debería ser cuando la
componente del campo eléctrico no experimenta el mismo desplazamiento de fase de
180º y cancelación.
CONCLUSIÓN
El realizar esta práctica tiene como objetivo principal conocer los principios de
operación de un acoplador direccional, a si como familiarizar al estudiante con los
conceptos básicos del factor de acoplamiento y direccionalidad aplicados a los
acopladores direccionales; por otro lado aprender técnica para medir estos parámetros.
