ANELLO IBRIDO PER I 70 cm
Progetto e realizzazione
Onorio Cenni I4CIV i4civ.onorio@gmail.com
Gli accoppiatori ibridi “Hybrid-Coupler” vengono normalmente usati per “splittare” o sommare la potenza di un segnale mantenendo un alto isolamento fra le porte utilizzate. Ci sono però molti altri utilizzi. Gli accoppiatori ibridi sono spesso impiegati in circuiti e sistemi per l’esecuzione di test e misurazioni, in amplificatori RF, ricevitori, miscelatori, oscillatori ecc. Le applicazioni sono talmente numerose che non è possibile elencarle tutte. Solo a titolo di esempio riporto alcuni utilizzi per scopi radioamatoriali. Fra questi, si può avere la necessità di condividere un’antenna su più ricevitori in modo da avere un eccellente isolamento tra gli stessi, con un ritardo di gruppo estremamente basso (così da essere ininfluente sulla ricezione dei segnali desiderati). Con l’anello ibrido si possono anche combinare due trasmettitori con il vantaggio di poter lavorare ugualmente, anche se con potenza ridotta, nel caso che uno stadio di potenza vada in avaria. Molte altre applicazioni dell’anello ibrido possono beneficiare della bassa perdita di inserzione e di un eccellente VSWR .
Un anello ibrido è un dispositivo passivo a quattro porte che deve soddisfare le seguenti condizioni:
(1) - Deve avere tutte le porte adattate al valore di impedenza pari a 50 Ω alla frequenza di impiego;
(2) - Deve avere le porte di uscita ben isolate da quelle di ingresso;
(3) - La potenza applicata su una porta di ingresso deve essere divisa equamente sulle due porte di uscita;
(4) – Viceversa la potenza applicata alle due porte di ingresso deve essere sommata sulla porta di uscita.
Nel prosieguo di queste brevi note andremo ad analizzare, con alcune semplificazioni, il funzionamento di questo dispositivo, nel caso sia usato come divisore e/o sommatore di potenza (1) secondo gli schemi indicati nelle figure n.1 e n.2 prescindendo totalmente dalle discontinuità presenti nel componente reale e considerando l’impedenza fra le porte come una impedenza concentrata. E’ chiaro che volendo fare uno studio più approfondito, occorre rimuovere del tutto od in parte le semplificazioni di seguito indicate e fare ricorso alle formule matematiche.
Come divisore di potenza uscite in fase.
Facendo riferimento alla figura n.1, se con un generatore alimentiamo l’ingresso 3 il segnale applicato lo ritroviamo con metà della potenza sulla porta 1 e l’altra metà sulla porta 2, mentre non viene trasferito nulla sulla porta 4. La potenza che ricevono le due porte viene divisa per due e pertanto si perdono 3dB sul segnale prodotto dal generatore. Le due porte “vedono” entrambe il generatore ma non si “vedono”, cioè sono disaccoppiate fra di loro. Vale a dire che la porta 1 è isolata dalla porta 2. All’atto pratico l’isolamento che possiamo ottenere è in genere superiore ai 30 dB. Eventuali disadattamenti di impedenza, correnti riflesse e segnali spuri fuori banda verranno dissipati dalla resistenza di 50 Ω che viene collegata fra la porta 4 a la massa. La potenza dissipabile da questa resistenza dovrebbe essere tale da sopportare metà della potenza che viene inviata al dispositivo e questo in previsione di possibili guasti. Il vantaggio offerto dal dispositivo è evidente, e cioè abbiamo due uscite adattate alla stessa impedenza di ingresso. Lo svantaggio invece consiste nel fatto che la potenza disponibile alle porte 1 e 2 è dimezzata, appunto perché si è divisa in due. Pertanto se alimentiamo con un livello di 0dBm la porta di ingresso 3 abbiamo disponibili -3dBm alla porta 1 e -3dBm alla porta 2 , però entrambi adattati alla stessa impedenza di ingresso.
Come sommatore di potenza.
Facendo riferimento alla figura n. 2 e a quanto già scritto, poiché il dispositivo è reciproco, ci ritroviamo nella seguente condizione: se con un generatore alimentiamo la porta 1 e con un altro alimentiamo (con la stessa ampiezza e fase) la porta 2 ne consegue che all’uscita della porta 3 ritroviamo la somma dei due segnali, mentre non viene trasferito nulla sulla porta 4. In pratica, se alimentiamo con un livello di -3dBm le porte 1 e 2 otteniamo 0dBm alla porta di uscita 3. Questo avviene solo se i due segnali sono in fase, se invece sono in opposizione di fase l’uscita è nulla, o perlomeno molto attenuata. Similmente al divisore di potenza, anche per il sommatore la porta 1 è isolata dalla porta 2 e l’isolamento che possiamo ottenere è in genere superiore ai 30 dB. Anche in questo caso disadattamenti di impedenza, correnti riflesse e segnali spuri fuori banda verranno dissipati dalla resistenza di 50 Ω che dove essere collegata fra la porta 4 a la massa.
Progetto e considerazioni di tipo fisico
Dopo la breve e semplice descrizione del principio di funzionamento dell’anello ibrido, ora passiamo alla tecnica di progetto, poi al metodo di analisi dei risultati ottenuti necessari per poter valutare il corretto funzionamento di un anello ibrido 3dB 90° calcolato per i 70 cm per applicazioni radioamatoriali. Questo perché l’anello ibrido ha in realtà un comportamento prossimo all’ideale solo su di un intervallo di frequenza limitato, vale a dire che sia l’adattamento che l’isolamento variano con la frequenza. (I valori ideali si ottengono solo alla frequenza per cui le linee sono lunghe lambda/4 o multipli dispari di esse). Nel fare i calcoli bisogna tenere presente che ogni lunghezza di linea pari a lamba/4 sfasa di 90° e che le impedenze alle porte devono essere di R = 50 Ω e quindi le linee a lamda/4 o multipli dispari devono avere una impedenza pari a Z0 = R x radice di 2 = 70,7 Ω. Per la realizzazione dell’anello ibrido è stata considerata una struttura a 4 porte, realizzata in cavo coassiale con impedenza tipica di 75 Ω. Il cavo che ho utilizzato viene impiegato per le discese in cavo di segnali provenienti da antenne televisive in digitale terrestre. Le caratteristiche rilevate sono le seguenti: conduttore centrale in rame diametro 0,8 mm, isolante PEE iniezione gas diametro 3,5 mm; schermo nastro AL/PET/AL + treccia CuSn, guaina esterna in PVC, diametro complessivo del cavo 5 mm, velocità di propagazione 0,85; attenuazione a 470 MHz pari a 16,7 dB/100m; SRL> 30dB; Attenuazione schermatura > 92 dB.
Per determinare la lunghezza dei cavi di accoppiamento corrispondenti alla frequenza centrale di funzionamento a 432,250 MHz, si procede determinando la lunghezza d’onda λ in aria in base alla seguente relazione:
Lamda = g/f = 300.000/432.250 = 0,6940 m
dove:
- c è la velocità della luce nel vuoto pari a 300000 km/s;
- f è la frequenza di lavoro in MHz.
Pertanto risulta in aria: Lambda/4 =0,1735 m
Successivamente si procede a comparare la lunghezza d’onda in aria a quella del cavo preso in considerazione caratterizzato da un fattore di velocità Fv=0,85. Si ha quindi:
Lambda/4del cavo = Lambda/4 dell'aria x fatore di velocità.
Da cui risulta che a Lambda/4 la lunghezza del cavo vale:
0,1735 x 0,85 =0,1475m pari a14,75 cm
Da cui risulta che a 3 Lambda/4 la lunghezza del cavo vale:
0,1735 x 0,85 x 3 = 0,4424 m pari a 44,24 cm
Nella figura numero 3 è riportato lo schema elettrico del’anello ibrido.
Costruzione
Dopo aver preparato il materiale necessario per la costruzione del dispositivo (foto n.2) si procede alla costruzione del box all’interno del quale saranno inserite linee in cavo coassiale ed il resistore da 50 Ω-4W.
Le dimensioni del box sono 120 mm x 70 mm x 25 mm ed è stato realizzato utilizzando della normale vetronite FR4, ramata a doppia faccia, dello spessore di 1,6 mm. Le parti che compongono il box, una volta tagliate di misura, sono state saldate lungo tutto il perimetro ottenendo così un box con una struttura piuttosto solida (foto n.3). Sul lato frontale sporgono i tre connettori BNC che fanno capo alle relative porte. Il connettore disposto nella posizione centrale del box è collegato alla porta comune IN/OUT, mentre gli altri due connettori sono collegati alle corrispondenti porte. Queste assumono, a seconda dell’impiego, la definizione di somma o divisione, mentre la porta denominata ISO resta internamente nel box e fa capo al carico antinduttivo da 50 Ω. Due resistenze da 100 Ω in SMD collegate in parallelo possono essere usate per applicazioni di bassa potenza < 1W. Per questa applicazione ho usato un resistore antinduttivo dal valore nominale di 47 Ω 4 W che ho selezionato, sulla base delle tolleranze, fra quelle resistenze il cui valore fosse più prossimo ai 50 Ω. Inoltre ho compensato l’effetto induttivo dovuto ai reofori di collegamento mediante una piccola capacità ottenuta con la copertura di una parte del resistore con un sottile foglio di rame. Un’altra possibile e valida soluzione è quella di utilizzare resistori antinduttivi da 2 W mettendo in parallelo due rami resistivi, ciascuno dei quali è composto da un resistore da 180 Ω in parallelo con un altro resistore da 220 Ω. In questo modo, pur usando valori standard, si ottiene un valore resistivo complessivo di circa 49,5 Ω con 8W di potenza dissipabile. I connettori BNC usati sono del tipo flangiato molto comodi da saldare e da fissare, con viti da 3MA, sulla parte esterna del box previa foratura del frontalino di fissaggio. Inoltre i BNC flangiati hanno il reoforo centrale, da saldare, più corto di quelli tradizionali a vitone e quindi si possono saldare alle linee con collegamenti più brevi, evitando oltremodo i possibili disadattamenti di impedenza. Di seguito si procede a saldare fra loro i terminali dei conduttori centrali delle linee in cavo coassiale, in modo da formare un anello. Quindi si salda il terminale che va collegato al resistore, poi i restanti tre terminali dei fili centrali si saldano ai centrali dei tre connettori BNC mentre le calze dei suddetti cavi si saldano alle rispettive flange, cercando di mantenere i collegamenti più corti possibili (foto n.4).
E’ anche conveniente mantenere un’accurata simmetria delle linee saldate ai centrali dei tre connettori, tale da ridurre i possibili indesiderati disadattamenti di impedenza. Ho notato che le linee, pur essendo isolate, nel caso siano appoggiate alle pareti del box, risentono dell’effetto capacitivo che si crea dal contatto fra di essi. Ho riscontrato che tale effetto determina una leggera e comunque non significativa variazione dei valori di S11. E’ possibile annullare o quantomeno ridurre l’inconveniente creando uno spazio fra le parti in contatto fra di loro, mediante un pezzetto di vetronite privata del rame.
Setup di misura
Le misure necessarie a caratterizzare l’anello ibrido sono riconducibili alla determinazione dei parametri di scattering generalizzati. Il banco di misura di questi parametri è complesso; personalmente ritengo che per un uso amatoriale sia sufficiente una misura riconducibile ad una porta alla volta quando le restanti due sono correttamente terminate. Per l’esecuzione della misura si può utilizzare un analizzatore di impedenza con funzioni di scannner grafico. Il primo passo del setup di misura prevede la calibrazione dello strumento analizzatore e la verifica della qualità delle terminazioni a 50 Ω da inserire sulle porte che debbono essere correttamente terminate. Eseguita la fase di calibrazione si procede ad effettuare la misura delle prestazioni dell’anello ibrido. Per tale misura potremo, ad esempio, utilizzare l’analizzatore N1201SA (2). Un possibile setup di misura si realizza collegando direttamente la porta IN/OUT dell’anello ibrido all’ingresso dell’analizzatore. Le porte di uscita dell’anello ibrido sono terminate mediante carichi resistivi da 50 Ω aventi un return-loss intrinseco maggiore di 40 dB a 432 MHz. Con il procedimento illustrato possiamo ricavare il VSWR ed il return-loss ovvero S11.
La foto n.5 mostra i risultati strumentali ottenuti sul prototipo come singolo punto di misura alla frequenza di 432.250 MHz. La foto n.6 mostra il grafico dell’andamento del VSWR e con il marcatore posizionato sulla frequenza di 432.250 MHz riscontriamo un valore pari a 1,063.
Il più basso valore del VSWR lo riscontriamo alla frequenza di 437.000 MHz, inoltre possiamo notare i circa +/- 20 MHz di banda passante dell’anello ibrido ad un VSWR entro il valore di 1,3. Il valore di S11, pari a 30,25 dB (foto n. 7) è un valore molto valido, difficilmente migliorabile avendo usato del cavo coassiale per la realizzazione delle linee. Avviene infatti che le linee realizzate con cavo coassiale, anche se di buona qualità, all’aumentare della frequenza vengono influenzate dalla presenza della resistenza interna. Tale influenza può aumentare fino a diventare parte integrante delle linee, con la conseguente variazione della impedenza caratteristica delle porte. Valori maggiori di S11 sarebbero possibili realizzando strip-line in aria o microstrip su del laminato di teflon, cosa proponibile e consigliabile volendo realizzare un prototipo per i 23 cm o per frequenze superiori. Infine, per quanto riguarda l’equa ripartizione della potenza sulle due porte di uscita rispetto alla potenza fornita sull’ingresso, ho effettuato una misura mediante l’impiego di un milliwattmetro. Dalla misura ho riscontrato, sulle due porte di uscita, gli stessi valori di potenza. Questi corrispondevano alla metà del valore di potenza applicato sulla porta di ingresso, ragion per cui avendo ottenuto una buona simmetria ritengo di essermi avvicinato, escludendo le eventuali perdite di inserzione ai previsti e teorici 3dB, in considerazione anche dal fatto che ho curato al massimo la realizzazione del prototipo.
Conclusioni
In questo testo sono state esaminate le caratteristiche, la tecnica di progetto, la costruzione e l’analisi strumentale di un anello ibrido per i 70 cm. Le tolleranze di costruzione hanno evidenziato la validità del progetto in grado di soddisfare le applicazioni amatoriali a cui è stato destinato. Se le prestazioni dovessero discostarsi sensibilmente dalle risposte ideali i motivi potrebbero essere i seguenti: effetti di giunzione (inevitabilmente presenti), effetti dei contatti verso massa, effetti che la teoria trascura, ma che possono essere determinati dai fili di collegamento oppure dalla diversa velocità di propagazione nei tratti delle linee accoppiate.
Auguro buona costruzione.
Riferimenti: (1 )http://www.e-meca.com/rf-microwave-blog/hybrid-coupler-basics
(2 )N1201SA Series vector impedance analyzer - I4CIV Radio Kit Elettronica anno 2018 mese marzo pag.40
La presente descrizione è stata pubblicata su Radio Kit Elettronica anno 2018 mese settembre pag. 13
