LABORATOR C.M. Lucrarea nr.1 CUPLOARE DIRECTIVE CU CUPLAJ PRIN TRONSOANE DE LINIE 1.Noţiuni teoretice Un cuplor directiv ideal este un cuadriport liniar reciproc şi fără pierderi care, în plus, are două porţi adaptate şi izolate faţă de câte una din celelalte două porţi. Practic , multe tipuri de cuploare directive funcţionează pe principiul interferenţei constructive şi distructive a două unde .Astfel , un semnal aplicat la una din porţi se divide în două unde parţiale care ajung în antifază la poarta izolată şi se anulează reciproc.La celelalte două porţi undele interferă constructiv, dând naştere semnalelor transmise. Considerând generatorul conectat la poarta 1 (figura 1) , mărimile ce caracterizează un cuplor directiv sunt: P2 P3 Ai = – 10 log —— ; Ac = – 10 log —— PIN PIN P4 P4 I = – 10 log —— ; D = – 10 log —— (1) PIN P3 P1 LR = – 10 log —— ; PIN ● Ai este atenuarea de inserţie (între poarta 1 şi poarta 2) ; ● Ac este atenuarea de cuplaj (între poarta 1 şi poarta 3) ; ● I este atenuarea de izolaţie (între poarta 1 şi poarta 4) ; ● D este directivitatea (între poarta 3 şi poarta 4) ; ● LR este atenuarea de reflexie la intrare (poarta 1) unde s-a notat cu PIN puterea semnalului injectat de generator la poarta de intrare şi cu P1 , P2 ,P3 , P4 , puterile semnalelor ce ies din porţile respective. Poarta izolată P4 Poarta cuplată P3 P1 Poarta de intrare P2 Poarta de transmisie Figura 1.Semnificaţia porţilor unui cuplor directiv Pentru cuplorul directiv ideal , relaţia de conservare a puterii se poate scrie: PIN = P2 + P3 (2) 1 deoarece dispozitivul este fără pierderi , puterea reflectată la intrare este nulă , iar puterea de la poarta izolată este de asemenea nulă.În general însă, pentru un cuplor real, relaţia coservării puterii devine: PIN = P1 + P2 + P3 + PP (3) unde cu PP s-a notat puterea pierdută. Cuploarele directive sunt folosite în mod curent în sistemele de microunde, îndeplinind diverse funcţiuni ca:atenuator,defazor,divizor de putere,izolator, etc. Din punct de vedere al tehnologiei de realizare , cuploarele directive pot fi: ● cu ghid de undă ● cu cablu coaxial ● în tehnologie planară : microstrip , stripline , ghid coplanar , etc. Din punct de vedere al defazajului între semnalele de ieşire (între poarta de ieşire şi poarta cuplată) cuploarele directive pot fi: ● de 90 grade , denumite cuploare în cuadratură (de tip Q); ● de180 grade , denumite cuploare diferenţiale (de tip D); Din punct de vedere al sensului de propagare al semnalului din linia cuplatǎ (linia de sus – figura 1) faţǎ de semnalul din linia principalǎ (linia de jos – figura 1) , cuploarele directive sunt de douǎ tipuri: ● codirective , la care cele douǎ semnale au acelaşi sens ( poarta cuplatǎ se aflǎ de aceeaşi parte cu poarta de ieşire).- cuplorul din figura 1 ● contradirective , la care cele douǎ semnale au sensuri opuse (poarta cuplatǎ se aflǎ de aceeaşi parte cu poarta de intrare). La laborator vor fi studiate numai cuploarele directive realizate în tehnologie planară.Acestea , la rândul lor pot fi de două tipuri: ● cuploare cu cuplaj prin tronsoane de linie ; ● cuploare cu cuplaj distribuit. 2.Cuploare cu cuplaj prin tronsoane de linie,în tehnologie microstrip În această lucrare se studiază cuplorul cu tronsoane de lungime λ/4 , cunoscut în literatură şi sub denumirea ―BRANCH - LINE‖ şi cuplorul în inel , cunoscut sub denumirea de ―RAT – RACE‖.În cele ce urmează se va face o scurtă prezentare a acestor cuploare , analiza lor detaliată putând fi găsită în [1]. 2 A.Cuplorul “BRANCH – LINE” (figura 2) este un cuplor în cuadratură , realizat prin interconectarea unor tronsoane de linie microstrip de lungime λ/4 la frecvenţa nominală 4 ZA 3 ZB ZB λ/4 1 ZA λ/4 4 Figura 2.Cuplor ―BRANCH – LINE‖ Pentru proiectarea cuplorului se impun ca date iniţiale: frecvenţa nominală f0 [GHz] , atenuarea de cuplaj AC [dB] şi impedanţa la porţi Z0 [Ω].Impedanţele caracteristice ale tron-soanelor de linie se calculează cu relaţiile: ZA = Z0 √ 1 – C √1–C ZB = Z0 ———— √C – AC/10 C = 10 (4) B.Cuplorul în inel (“RAT-RACE”) este un cuplor de tip D şi este realizat prin interconectarea unor tronsoane de linie microstrip , conform figurii 4. λ/4 2 3 ZB λ/4 ZA 1 ZA 4 λ/4 ZB 3 λ/4 Figura 3.Cuplor directiv de tip inelar (RAT – RACE) Proiectarea cuplorului se face impunând aceleaşi date iniţiale: frecvenţa nominală f0[GHz] atenuarea de cuplaj AC[dB] şi impedanţa de normare la porţi Z[Ω]. Impedanţele caracteristice ale tronsoanelor de linie se calculează cu relaţiile: Z0 ZA = ——— ; √1– C ZB Z0 = ——— √C – AC/10 ; C = 10 (5) 3 În funcţie de poarta la care se conectează generatorul (poarta 1 sau 2) defazajul între semnalele de ieşire este de 180 grade , sau , respectiv de 0 grade. 3.Desfăşurarea lucrării 3.1.Studiul unui cuplor de tip “BRANCH – LINE” 3.1.1.Se calculează impedanţele caracteristice ale tronsoanelor de linie pentru un cuplor ―BRANCH – LINE‖ astfel încât AC = 3dB , Z0 = 50Ω şi f0 = 1GHz. 3.1.2.Se consideră o variantă ideală a cuplorului.În programul ANSOFT DESIGNER SV se editează schema de principiu , utilizând simbolul ―linie de transmisiune – lungime electrică‖ din categoria ―elemente ideale distribuite‖.Se atribuie fiecărui tronson valoarea corespunzătoare a impedanţei caracteristice , a lungimii electrice şi a frecvenţei. 3.1.3.Se face analiza circuitului în domeniul de frecvenţă 0,9…1,1GHz şi se vizualizează pa-rametrii Si1 (i = 1…4).Se identifică poarta izolată şi se verifică dacă răspunsul circuitului la frecvenţa nominală corespunde datelor de proiectare. 3.1.4.Se vizualizează graficul variaţiei directivităţii cu frecvenţa , selectând în caseta de dialog pentru grafice , Add BlankTrace şi completând X = F , Y = dB(S31) – dB(S41).Se determină banda de frecvenţă a cuplorului , definită ca domeniul de frecvenţă pentru care directivitatea este mai mare ca 30 dB. 3.1.5.Se vizualizează graficul defazajului între porţile de ieşire [X=F , Y=ang(S21) – ang(S31)] Se determină defazajul la frecvemţa nominală. 3.1.6.Se proiectează un cuplor ―BRANCH – LINE‖ în tehnologia microstrip.Se editează substratul , selectând din baza de date a programului dielectricul ARLON AR450 (εr = 4,5 ;tanδ = 0,0026) cu o grosime H = 1,6mm şi o distanţă HU = 10mm între substrat şi ecranul superior.Pentru metalizare se selectează cuprul cu o grosime de 35 μm. Se determină dimensiunile tronsoanelor utilizând opţiunea TRL a programului, se editează schema de principiu şi se analizează. Se compară răspunsul modelului cu linii reale , cu pierderi , cu cel al modelului ideal 3.1.7.Se analizează circuitul într-o bandă mai mare de frecvenţă (0…6GHz) .Să se explice forma răspunsului. 3.2.Studiul unui cuplor “RAT – RACE” 3.2.1.Se calculează impedanţele caracteristice ale tronsoanelor de linie pentru un cuplor inelar, astfel încât AC = 3dB , Z0 = 50Ω şi f0 = 1GHz. 4 3.2.2. Se consideră o variantă ideală a cuplorului.Se editează schema de principiu , utilizând simbolul ―linie de transmisiune cu lungime electrică‖ din categoria de componente ―ideale distribuite‖.Se atribuie fiecărui tronson valoarea inpedanţei caracteristice , a lungimii electrice şi a frecvenţei corespunzătoare. 3.2.3.Se vizualizează graficul variaţiei directivităţii cu frecvenţa şi se determină banda de frecvenţă a cuplorului , definită ca domeniul de frecvenţă pentru care D>30dB. 3.2.4.Se vizualizează graficul defazajului între porţile de ieşire şi se determină defazajul la frecvenţa nominală. 3.2.5.Utilizând acelaşi substrat ca la cuplorul ―BRANCH – LINE‖ , se proiectează un cuplor în tehnologia microstrip.Se analizează şi se compară rezultatele cu cele obţinute la varianta. cu linii ideale 3.2.6.Se analizează circuitul într-o bandă de frecvenţă mai mare (0…6GHz).Să se explice forma răspunsului. 3.2.7.Se consideră generatorul conectat la poarta 2 (figura 4).În acest sens se va analiza setul corespunzător de parametri S .Se identifică poarta izolată şi porţile de ieşire 3.2.8.Se analizează graficul directivităţii şi graficul defazajului între porţile de ieşire în funcţie de frecvenţă.Care este defazajul în această configuraţie? 4.Întrebări şi exerciţii. 4.1.Care dintre cuploarele studiate are banda mai largă? 4.2.Specificaţi cel puţin câte o aplicaţie practică (precizând schema de principiu) pentru cuplorul ―BRANCH-LINE‖ şi pentru cuplorul ‖RAT-RACE‖ în configuraţia Δφ = 180°şi în configuraţia Δφ = 0°. 4.3. Imaginaţi şi proiectaţi o schemă de divizor de putere ideal cu trei ieşiri identice ca amplitudine şi fază , compus din cuploare de tip ―BRANCH-LINE‖ şi tronsoane de linie fără pierderi , pentru Z0 = 50Ω. 4.4.Se consideră structura de amplificator echilibrat din figura 5 , relizată din două cuploare ideale de 3dB în cuadratură şi din două amplificatoare identice.Cunoscând matricea S a amplificatoarelor , să se calculeze câştigul structurii , precum şi raportul de undă staţionară la intrare şi la ieşire. 5 S11 = 0,4 −120° S21 = 3,14 + 57° S12 = 0 S22 = 0,6 +42° Ieşire Intrare Fig.5.Amplificator echilibrat 4.5.Să se deseneze schema unui montaj de măsură pentru modulul coeficientului de reflexie al unei impedanţe , utilizând un cuplor directiv. (Indicaţie: se vor preciza porţile la care se montează generatorul , detectorul , sarcina adaptată şi impedanţa necunoscută) Să se determine valoarea minimă a coeficientului de reflexie ce se poate măsura cu o precizie mai bună de 1% , cu un cuplor directiv având directivitatea D = 40dB şi atenuarea de cuplaj AC = 10dB. 5.Referinţe bibliografice. l. Lojewski G. ―Dispozitive şi circuite de microunde‖ , Editura TEHNICĂ , Bucureşti 2005 6