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UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA La Universidad Católica de Loja Acaro Ximena, Eredie María Elena xcacaro@utpl.edu.ec, meeredie@utpl.edu.ec DIVISOR DE POTENCIA TIPO BRANCH LINE DE BANDA ENSANCHADA

Abstract - Branch-line power dividers are used in many microwave devices. Single section (two branches) dividers have prescribed frequency behaviour so, to allow some degree of freedom, two or more sections are used. The substitution of some line sections in the two-branch divider by bandpass coupled-line sections is an interesting alternative to an increased number of branches in some applications. Performances of branch-line dividers using coupled line sections are presented including some design rules and experimental results. 1._INTRODUCCIÓN Los divisores de potencia tipo “branchline” son estructuras bien conocidas y que se utilizan en un gran número de aplicaciones en las que se hace necesaria una división de potencia con salidas de similar nivel de potencia y en cuadratura. Los “branch-line” son estructuras con un plano de simetría y tres grados de libertad, tal como se esquematiza en la Fig.1, de forma que, a la frecuencia central de diseño ( = /2), las condiciones de adaptación, aislamiento y valor del acoplo (c) determinan, de forma unívoca los valores de las impedancias de las líneas.

http://w3.iec.csic.es/ursi/articulos_coruna_2003/act as_pdf/SESION 7/S7. Aula 2.0/1261 - FILTRO Y DIVISOR.pd

2._PALABRAS CLAVES 2.1._Divisores de potencia._ son estructuras con un plano de simetría y tres grados de libertad. 2.2_Acoplador ramal._ es un componente usado para obtener dos señales de la misma potencia y un desfase de 90

3._DIVISORES ENSANCHADA

DE

BANDA

La respuesta en reflexión se puede mejorar utilizando divisores con más de dos ramas y seleccionando las


impedancias de forma que la respuesta en frecuencia sea del tipo deseado. Por ejemplo un divisor de 3 dB con tres ramas como el de la Fig. 2 con respuesta maximalmente plana exige el uso de las siguientes impedancias

con impedancias características difíciles de implementar. La solución adoptada en la seccion de entrada consiste en diseñar un híbrido tipo branch-line que presente una determinada desadaptación a la frecuencia central de diseño. Si se sitúa en cada puerta de este híbrido dos secciones de adaptación de longitud λ/4 en cascada, la respuesta del híbrido resultante presenta un mínimo de reflexión y un máximo de aislamiento a dos frecuencias diferentes, una a cada lado de la frecuencia central. El resultado es un híbrido con una respuesta equirrizada de adaptación, aislamiento, transmisión y acoplamiento en un ancho de banda relativo que puede ser de hasta el 40%.

Figura#2 http://w3.iec.csic.es/ursi/articulos_coruna_2003/act as_pdf/SESION 7/S7. Aula 2.0/1261 - FILTRO Y DIVISOR.pd

Este diseño se simplifica en la sección de entrada remplazando los dos tramos λ/4 por uno de alta impedancia de longitud λ/2 en cada puerto (fig.3) sin que se produzca un deterioro significativo en la calidad de la respuesta.

 El acoplador ramal es un componente usado para obtener dos señales de la misma potencia y un desfase de 90º. Es un componente básico en mezcladores balanceados, discriminadores de frecuencia y desfasadores.

Un hibrido convencional de una sección tipo branch-line es, en general, un circuito de banda estrecha. Esta característica lo hace inadecuado en el diseño de la seccion de entrada, donde se requiere un ancho de banda relativo aproximado del 10%. Otros híbridos, como son los circuitos rat-race, tampoco ofrecen el ancho de banda requerido. La solución más evidente a este problema es diseñar híbridos branch-line de varias secciones, pero esto conduce a diseños

copiado de: http://w3.iec.csic.es/ursi/articulos_coruna_2003/act as_pdf/SESION 7/S7. Aula 2.0/1261 - FILTRO Y DIVISOR. pdf

4._DISEÑO TEORICO El divisor de potencia a diseñar debe responder al esquema aproximado que aparece en Fig. 4. Dicho circuito está


formado por un divisor pasivo de una entrada y dos salidas, y un acoplador híbrido tipo branchline conectado en una de dichas salidas.

Copiado de: http://arantxa.ii.uam.es/~jlmasa/trsf/practicas/ practica3y4.pdf

Copiado de: http://arantxa.ii.uam.es/~jlmasa/trsf/practi cas/practica3y4.pdf

Los acopladores híbridos branchline son circuitos de 4 puertas (Fig.5), que permiten obtener una diferencia de fase de 90º entre dos de dichas puertas. Esa diferencia de fase permanece más o menos constante en frecuencia, dependiendo del número de anillos que lo conforman. Tal y como se puede ver en Fig.5, en el caso de este diseño se utilizarán dos anillos rectangulares, formados por líneas verticales y horizontales de longitud l/4.

Las puertas 1 y 2 actúan como salidas en las que se obtiene una diferencia de potencia entre ellas determinada (K). Así mismo, la puerta 2 tendrá -90º con respecto a la puerta 1. La puerta de salida 3, se denominada puerta desacoplada, y por ella no debería salir prácticamente nada de potencia. Si la potencia de salida de las puertas 1 y 2 se denominan P1 y P2, se define la relación entre ellas (en unidades de tensión) como:

Dos deben ser las condiciones que deben cumplirse en el híbrido de Fig.5: a) Adaptación de la entrada (que si se cumple implica, además, que por la puerta 3 no saldrá idealmente nada de potencia). Para ello debe cumplirse la igualdad:


β 1= 6.4

b) La relación de amplitud K adecuada, que debe verificar

β 2= 9.08  Calculo del ancho de las microcintas Posteriormente, será necesaria la introducción de los adaptadores en λ/4 adecuados para mantener la adaptación de la estructura. Dicha elección debe cumplir el requisito de que cualquier impedancia característica de una línea implementada debe estar contenida en el margen 25 < Z0i <85 (Ω). Para este caso será de 50 Ω.

w1 = 1.16mm

w2 = 1.16mm w3 = 0.63mm



copiadode:http://arantxa.ii.uam.es/~jlmas a/trsf/practicas/practica3y4.pdf 5. DATOS CALCULADOS PARA EL DISEÑO DEL DIVISOR BRANCH LINE

Calculo de la longitud de las microcintas:

  1 ε +1 ε r −1  + εe = r 2 2  12d  1+ w 

ε e = 2. 4

F= 2GHz

Z 0 = 50

θ = 900 = βl = ε e kol

d= 0.508mm

ε r = 3.4 

Calculo de la constante de fase:

β=

377π 2Z 0 ε R

k0 =

2πf = 1.57 m −1 c

l=

90(π / 180 ) ε R k0

     


l1 = 2 . 5 mm

l2 = 22.99mm

l3 = 24.37 mm  Resumen de datos:

Z0

W(mm)

ε eff

50

1.16

2.66

λ/4 a 2GHz 22.99

70.7

0.60

2.52

23.62

120.7

0.13

2.34

24.50

6. SIMULACIÓN DEL DIVISOR DE POTENCIA TIPO BRANCH LINE

Circuito:


7. CONCLUSIONES:  La realización de divisores de potencia tipo “branch-line” con secciones paso-banda de líneas acopladas sustituyendo a las líneas principales, conduce a un dispositivo con excelentes propiedades de balance en amplitud y fase de las salidas.  Igual que en el caso de los divisores clásicos las características de banda en reflexión y aislamiento pueden mejorarse mediante el uso de más de dos ramas.  En estos dispositivos cabe destacar el asilamiento en continua entre entradas y salidas, útil cuando se incorporan semiconductores que requieren polarización.

8. BIBLIOGRAFiA 1. D.M. Pozar. Microwave Engineering. New York: Wiley, (1998). 2. Loading, IEEE Microwave and wireless components letters, vol. 12, Nº 1, 68 (2002). 3. G.L. Matthaei et al. ‘Microwave Filters, Impedance 4. Matching Networks and Coupling Structures’ p.226 McGraw-Hill 1964. 5. J. Reed “The Multiple Branch Waveguide Coupler” IRE Trans. on MTT.vol.MTT-6, pp. 398403. October 1958. 6. ADS-Momentum 2003A Agilent Technologies.


DIVISOR BRANCH LINE