Les coupleurs directionnels sont des composants standard des systèmes de mesure micro-ondes/ondes millimétriques. Ils servent à l'isolation, la séparation et le mélange de signaux, notamment pour la surveillance de la puissance, la stabilisation de la puissance de sortie d'une source, l'isolation de la source du signal, les tests de balayage de fréquence en transmission et en réflexion, etc. Il s'agit d'un diviseur de puissance micro-ondes directionnel, composant indispensable des réflectomètres à balayage de fréquence modernes. On en trouve généralement plusieurs types : à guide d'ondes, à ligne coaxiale, à ligne microruban et à microruban.
La figure 1 est un schéma de la structure. Elle comprend principalement deux parties : la ligne principale et la ligne auxiliaire, reliées entre elles par divers orifices, fentes et interstices. Ainsi, une partie de la puissance injectée par le point « 1 » à l’extrémité de la ligne principale est transmise à la ligne auxiliaire. En raison des interférences ou de la superposition des ondes, la puissance ne circule que dans un seul sens sur la ligne auxiliaire (transmission directe), la transmission étant quasi nulle dans l’autre sens (transmission inverse).
La figure 2 est un coupleur croisé, l'un des ports du coupleur est connecté à une charge d'adaptation intégrée.
Application du coupleur directionnel
1, pour le système de synthèse de puissance
Un coupleur directionnel 3 dB (communément appelé pont 3 dB) est généralement utilisé dans un système de synthèse de fréquence multiporteuse, comme illustré ci-dessous. Ce type de circuit est courant dans les systèmes distribués d'intérieur. Après le passage des signaux f1 et f2 provenant de deux amplificateurs de puissance à travers un coupleur directionnel 3 dB, la sortie de chaque canal contient deux composantes de fréquence, f1 et f2, dont l'amplitude est réduite de 3 dB. Si l'une des bornes de sortie est connectée à une charge absorbante, l'autre peut servir d'alimentation pour un système de mesure d'intermodulation passive. Pour améliorer encore l'isolation, il est possible d'ajouter des composants tels que des filtres et des isolateurs. L'isolation d'un pont 3 dB bien conçu peut dépasser 33 dB.
Le coupleur directionnel est utilisé dans le système de combinaison de puissance numéro un.
La zone de ravin directionnel, autre application de la combinaison de puissance, est illustrée figure (a) ci-dessous. Dans ce circuit, la directivité du coupleur directionnel est exploitée de manière astucieuse. En supposant un couplage de 10 dB et une directivité de 25 dB pour les deux coupleurs, l'isolation entre les extrémités f1 et f2 est de 45 dB. Si les entrées de f1 et f2 sont toutes deux à 0 dBm, la sortie combinée est de -10 dBm. À titre de comparaison, pour un coupleur Wilkinson (figure (b)) dont l'isolation typique est de 20 dB, le même signal d'entrée de 0 dBm donne, après synthèse, une isolation de -3 dBm (sans tenir compte des pertes d'insertion). Par rapport à la condition inter-échantillon, le signal d'entrée de la figure (a) est augmenté de 7 dB afin que sa sortie soit identique à celle de la figure (b). À ce stade, l'isolation entre f1 et f2 sur la figure (a) diminue de 38 dB. Le résultat final de la comparaison montre que la méthode de synthèse de puissance par coupleur directionnel offre une puissance supérieure de 18 dB à celle du coupleur Wilkinson. Ce dispositif convient à la mesure de l'intermodulation de dix amplificateurs.
Un coupleur directionnel est utilisé dans le système de combinaison de puissance 2
2, utilisé pour la mesure de l'anti-interférence du récepteur ou la mesure des signaux parasites
Dans un système de test et de mesure RF, on rencontre fréquemment le circuit illustré ci-dessous. Supposons que le dispositif testé (DUT) soit un récepteur. Dans ce cas, un signal d'interférence provenant d'un canal adjacent peut être injecté dans le récepteur via l'extrémité de couplage du coupleur directionnel. Un testeur intégré, connecté à ce dernier par le biais du coupleur directionnel, permet ensuite de tester la résistance du récepteur et ses performances en termes de résistance aux interférences (en millier de canaux). Si le DUT est un téléphone portable, son émetteur peut être activé par un testeur intégré connecté à l'extrémité de couplage du coupleur directionnel. Un analyseur de spectre peut alors être utilisé pour mesurer le signal parasite émis par le téléphone. Bien entendu, des circuits de filtrage doivent être ajoutés en amont de l'analyseur de spectre. Cet exemple se limitant à l'utilisation de coupleurs directionnels, le circuit de filtrage est omis.
Le coupleur directionnel est utilisé pour la mesure anti-interférences du récepteur ou la mesure de la hauteur parasite du téléphone cellulaire.
Dans ce circuit de test, la directivité du coupleur directionnel est primordiale. L'analyseur de spectre connecté à l'extrémité de sortie ne doit recevoir que le signal provenant du dispositif testé et non le mot de passe émis par l'extrémité de couplage.
3, pour l'échantillonnage et la surveillance des signaux
La mesure et la surveillance en ligne des émetteurs constituent l'une des applications les plus courantes des coupleurs directionnels. La figure suivante illustre une application typique de ces coupleurs pour la mesure des stations de base cellulaires. Supposons que la puissance de sortie de l'émetteur soit de 43 dBm (20 W), que le coupleur directionnel présente une capacité de 30 dB et une perte d'insertion (perte en ligne plus perte de couplage) de 0,15 dB. Un signal de 13 dBm (20 mW) est envoyé à l'extrémité couplée vers le testeur de la station de base. La puissance de sortie directe du coupleur directionnel est alors de 42,85 dBm (19,3 W), la puissance de fuite étant absorbée par la charge côté isolé.
Le coupleur directionnel est utilisé pour les mesures en station de base.
Presque tous les émetteurs utilisent cette méthode d'échantillonnage et de surveillance en ligne, et c'est peut-être la seule qui permette de garantir le test de performance de l'émetteur en conditions normales d'utilisation. Cependant, il convient de noter que les tests d'émetteurs restent identiques, mais que les critères de sélection varient selon les opérateurs. Prenons l'exemple des stations de base WCDMA : les opérateurs doivent surveiller les indicateurs de leur bande de fréquence de fonctionnement (2110-2170 MHz), tels que la qualité du signal, la puissance du canal et celle des canaux adjacents. C'est pourquoi les fabricants installent, à la sortie de la station de base, un coupleur directionnel à bande étroite (par exemple, 2110-2170 MHz) afin de surveiller les conditions de fonctionnement de l'émetteur dans la bande et de transmettre ces informations au centre de contrôle en temps réel.
Si l'on incombe à l'autorité de régulation du spectre radioélectrique – la station de surveillance radio chargée de tester les indicateurs des stations de base logicielles – son objectif est tout autre. Conformément aux exigences des spécifications de gestion radio, la plage de fréquences de test s'étend de 9 kHz à 12,75 GHz, ce qui représente une large bande passante pour la station de base testée. La question de la quantité de rayonnements parasites générés dans cette bande de fréquences et susceptibles de perturber le fonctionnement normal des autres stations de base est une préoccupation majeure pour les stations de surveillance radio. Dans ce contexte, un coupleur directionnel de même bande passante est nécessaire pour l'échantillonnage du signal, mais un coupleur capable de couvrir la plage de 9 kHz à 12,75 GHz semble inexistant. On sait que la longueur du bras de couplage d'un coupleur directionnel est liée à sa fréquence centrale. La bande passante d'un coupleur directionnel ultra-large bande peut atteindre 5 à 6 octaves, par exemple de 0,5 à 18 GHz, mais la bande de fréquences inférieure à 500 MHz reste inaccessible.
4. Mesure de puissance en ligne
Dans la technologie de mesure de puissance par transmission, le coupleur directionnel est un composant essentiel. La figure suivante illustre le schéma d'un système de mesure de puissance par transmission typique. La puissance directe provenant de l'amplificateur testé est mesurée par l'extrémité de couplage direct (borne 3) du coupleur directionnel et transmise au wattmètre. La puissance réfléchie est mesurée par la borne de couplage inverse (borne 4) et transmise au wattmètre.
Un coupleur directionnel est utilisé pour les mesures de puissance élevée.
Remarque : Outre la puissance réfléchie par la charge, la borne de couplage inverse (borne 4) reçoit également une puissance de fuite provenant du sens direct (borne 1), due à la directivité du coupleur directionnel. L’énergie réfléchie est la grandeur que le testeur cherche à mesurer, tandis que la puissance de fuite constitue la principale source d’erreurs dans la mesure de la puissance réfléchie. La puissance réfléchie et la puissance de fuite sont superposées à l’extrémité de couplage inverse (borne 4) puis transmises au wattmètre. Les trajets de transmission des deux signaux étant différents, il s’agit d’une superposition vectorielle. Si la puissance de fuite injectée dans le wattmètre est comparée à la puissance réfléchie, cela engendrera une erreur de mesure significative.
Bien entendu, la puissance réfléchie par la charge (extrémité 2) fuit également vers l'extrémité de couplage direct (extrémité 1, non représentée sur la figure ci-dessus). Cependant, son amplitude est négligeable par rapport à la puissance directe, qui mesure l'intensité du courant. L'erreur qui en résulte est donc négligeable.
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Date de publication : 20 avril 2023