Les coupleurs directionnels sont des composants micro-ondes/ondes millimétriques standard utilisés dans les mesures micro-ondes et autres systèmes micro-ondes. Ils peuvent être utilisés pour l'isolation, la séparation et le mélange des signaux, notamment pour la surveillance de la puissance, la stabilisation de la puissance de sortie de la source, l'isolation de la source du signal, les tests de balayage de fréquence de transmission et de réflexion, etc. Il s'agit d'un diviseur de puissance micro-ondes directionnel, un composant indispensable des réflectomètres à balayage de fréquence modernes. Il en existe généralement plusieurs types, tels que le guide d'ondes, la ligne coaxiale, la ligne ruban et le 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 petits trous, fentes et interstices. Ainsi, une partie de l'énergie entrante provenant du « 1 » de la ligne principale sera transmise à la ligne secondaire. En raison de l'interférence ou de la superposition des ondes, l'énergie sera transmise uniquement le long de la ligne secondaire, dans un sens (appelé « direct ») et dans l'autre. Il n'y a quasiment aucune transmission d'énergie dans un sens (appelé « inverse »).
La figure 2 est un coupleur transversal, l'un des ports du coupleur est connecté à une charge d'adaptation intégrée.
Application du coupleur directionnel
1, pour système de synthèse d'énergie
Un coupleur directionnel 3 dB (communément appelé pont 3 dB) est généralement utilisé dans un système de synthèse de fréquence multiporteuse, comme illustré dans la figure ci-dessous. Ce type de circuit est courant dans les systèmes distribués en intérieur. Après le passage des signaux f1 et f2 de deux amplificateurs de puissance dans un coupleur directionnel 3 dB, la sortie de chaque canal contient deux composantes de fréquence f1 et f2, et 3 dB réduit l'amplitude de chacune d'elles. Si l'une des bornes de sortie est connectée à une charge absorbante, l'autre sortie peut servir de source d'alimentation au système de mesure d'intermodulation passive. Pour améliorer davantage l'isolation, des composants tels que des filtres et des isolateurs peuvent être ajoutés. 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 un.
La zone de ravin directionnel, autre application de la combinaison de puissance, est illustrée à la figure (a) ci-dessous. Dans ce circuit, la directivité du coupleur directionnel a été judicieusement appliquée. En supposant que les degrés de couplage des deux coupleurs soient de 10 dB et que la directivité soit de 25 dB, 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. Comparé au coupleur Wilkinson de la figure (b) ci-dessous (dont la valeur d'isolation typique est de 20 dB), le même signal d'entrée de OdBm, après synthèse, présente une valeur de -3 dBm (sans tenir compte de la perte d'insertion). Par rapport à la condition inter-échantillons, nous augmentons le signal d'entrée de la figure (a) de 7 dB afin que sa sortie soit cohérente avec celle de la figure (b). À ce stade, l'isolation entre f1 et f2 (figure (a)) diminue de 38 dB. Le résultat final de la comparaison montre que la méthode de synthèse de puissance du coupleur directionnel est supérieure de 18 dB à celle du coupleur Wilkinson. Ce schéma est adapté 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 anti-interférence du récepteur ou la mesure parasite
Dans un système de test et de mesure RF, le circuit illustré ci-dessous est souvent utilisé. Supposons que le dispositif testé (DUT) soit un récepteur. Dans ce cas, un signal d'interférence de canal adjacent peut être injecté dans le récepteur via l'extrémité de couplage du coupleur directionnel. Un testeur intégré, connecté via le coupleur directionnel, permet ensuite de tester la résistance du récepteur (performances aux interférences de mille mètres). Si le DUT est un téléphone portable, son émetteur peut être activé par un testeur complet connecté à l'extrémité de couplage du coupleur directionnel. Un analyseur de spectre peut ensuite être utilisé pour mesurer les parasites émis par le téléphone. Bien entendu, des circuits de filtrage doivent être ajoutés avant l'analyseur de spectre. Cet exemple ne traitant que de l'application des coupleurs directionnels, le circuit de filtrage est omis.
Le coupleur directionnel est utilisé pour la mesure anti-interférence du récepteur ou de la hauteur parasite du téléphone portable.
Dans ce circuit de test, la directivité du coupleur directionnel est essentielle. L'analyseur de spectre connecté à l'extrémité de passage reçoit uniquement le signal du dispositif sous test et non le mot de passe de l'extrémité de couplage.
3, pour l'échantillonnage et la surveillance du signal
La mesure et la surveillance en ligne des émetteurs sont probablement l'une des applications les plus répandues des coupleurs directionnels. La figure suivante illustre une application typique des coupleurs directionnels pour la mesure des stations de base cellulaires. Supposons que la puissance de sortie de l'émetteur soit de 43 dBm (20 W), le couplage du coupleur directionnel, avec une capacité de 30 dB, et une perte d'insertion (perte de ligne plus perte de couplage) de 0,15 dB. Le signal de l'extrémité de couplage est de 13 dBm (20 mW) envoyé au testeur de station de base. La sortie directe du coupleur directionnel est de 42,85 dBm (19,3 W) et la fuite est de 0,15 dB. La puissance du côté isolé est absorbée par une charge.
Le coupleur directionnel est utilisé pour la mesure de la station de base.
Presque tous les émetteurs utilisent cette méthode pour l'échantillonnage et la surveillance en ligne, et seule cette méthode peut garantir les performances de l'émetteur dans des conditions de fonctionnement normales. Il convient toutefois de noter que le test de l'émetteur est identique et que les testeurs ont des préoccupations différentes. Prenons l'exemple des stations de base WCDMA : les opérateurs doivent prêter attention aux indicateurs dans leur bande de fréquences de travail (2 110 à 2 170 MHz), tels que la qualité du signal, la puissance dans le canal, la puissance dans le canal adjacent, etc. Dans ce contexte, les fabricants installent à la sortie de la station de base un coupleur directionnel à bande étroite (par exemple, 2 110 à 2 170 MHz) pour surveiller les conditions de fonctionnement dans la bande de l'émetteur et les transmettre au centre de contrôle à tout moment.
Si la station de surveillance radio, régulateur du spectre des fréquences radio, teste les indicateurs de la station de base, son objectif est totalement différent. Selon les spécifications de gestion radio, la plage de fréquences de test est étendue de 9 kHz à 12,75 GHz, et la station de base testée est très large. Quelle quantité de rayonnements parasites sera générée dans cette bande de fréquences et perturbera le fonctionnement normal des autres stations de base ? C'est une préoccupation des stations de surveillance radio. Actuellement, un coupleur directionnel de même bande passante est nécessaire pour l'échantillonnage du signal, mais il semble qu'il n'existe pas de coupleur directionnel capable de couvrir la plage de 9 kHz à 12,75 GHz. Nous savons 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 couvrir des bandes de 5 à 6 octaves, telles que 0,5 à 18 GHz, mais la bande de fréquences inférieure à 500 MHz ne peut pas être couverte.
4, mesure de puissance en ligne
Dans la technologie de mesure de puissance traversante, le coupleur directionnel est un dispositif essentiel. La figure suivante présente le schéma d'un système de mesure de puissance traversante typique. La puissance directe de l'amplificateur testé est échantillonnée par l'extrémité de couplage direct (borne 3) du coupleur directionnel et transmise au wattmètre. La puissance réfléchie est échantillonnée par la borne de couplage inverse (borne 4) et transmise au wattmètre.
Un coupleur directionnel est utilisé pour la mesure de haute puissance.
Remarque : Outre la puissance réfléchie par la charge, la borne de couplage inverse (borne 4) reçoit également la puissance de fuite provenant de la direction directe (borne 1), due à la directivité du coupleur directionnel. L'énergie réfléchie est ce que le testeur souhaite mesurer, et la puissance de fuite est 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 chemins de transmission des deux signaux étant différents, il s'agit d'une superposition vectorielle. La comparaison de la puissance de fuite entrée dans le wattmètre avec la puissance réfléchie entraînera une erreur de mesure significative.
Bien entendu, la puissance réfléchie par la charge (extrémité 2) s'échappe également vers l'extrémité de couplage direct (extrémité 1, non représentée sur la figure ci-dessus). Cependant, son amplitude est minime comparée à la puissance directe, qui mesure l'intensité directe. L'erreur qui en résulte peut être ignorée.
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Date de publication : 20 avril 2023