I divisori di potenza (detti anche splitter di potenza e, quando sono usati in senso inverso, combinatori di potenza) e gli accoppiatori direzionali sono dispositivi passivi utilizzati principalmente nel campo della tecnologia radiotecnica. Essi accoppiano una quantità definita di potenza elettromagnetica in una linea di trasmissione a una porta consentendo che un segnale sia utilizzato in un altro circuito. Una caratteristica essenziale degli accoppiatori direzionali è che essi possono accoppiare solo la potenza che fluisce in una certa direzione. La potenza che entra nella porta di uscita è accoppiata alla porta isolata ma non alla porta accoppiata. Un accoppiatore direzionale progettato per dividere la potenza ugualmente tra due porte è chiamato accoppiatore ibrido.

Gli accoppiatori direzionali sono spesso costruiti da due linee di trasmissione accoppiate abbastanza vicine tra loro in modo tale che l'energia che passa attraverso una sia accoppiata all'altra. Questa tecnica viene preferita alle frequenze nel campo delle microonde dove progettazioni relative a linee di trasmissione sono comunemente usati per implementare molti elementi circuitali. Tuttavia, sono possibili anche dispositivi con componenti a parametri concentrati a frequenze minori, ad esempio le frequenze audio tipiche della telefonia. Alle frequenze nel campo delle microonde, in particolare per le bande più elevate, si possono usare anche progettazioni basate su guide d'onda. Molti di questi accoppiatori a guide d'onda hanno il corrispettivo realizzato con una progettazione che fa uso di linee di trasmissione, ma ci sono anche altri tipi realizzabili solo con le guide d'onda.

Gli accoppiatori direzionali e i divisori di potenza hanno molte applicazioni. Queste includono il campionamento di segnali per misurazioni o monitoraggi, la realizzazione di circuiti controreazionati, la combinazione di alimentazioni da e verso antenne, la regolazione del diagramma di radiazione delle antenne (fascio d'antenna), la realizzazione di taps (dispositivi per il monitoraggio) per sistemi distribuiti via cavo per esempio la TV via cavo, la separazione dei segnali trasmessi e ricevuti sulle linee telefoniche.

Notazione e simboli

I simboli utilizzati più spesso per gli accoppiatori direzionali sono mostrati nella figura 1. Il simbolo potrebbe avere il fattore di accoppiamento espresso in dB segnato su di esso. Gli accoppiatori direzionali hanno quattro porte. La porta 1 è la porta d'ingresso dove viene applicata la potenza. La porta 3 è la porta accoppiata dove appare una porzione della potenza applicata alla porta 1. La porta 2 è la porta di trasmissione dove in uscita si ritrova la potenza dalla porta 1, meno la porzione che è andata alla porta 3. Frequentemente, gli accoppiatori direzionali sono simmetrici dunque esiste anche la porta 4, la porta isolata. Una porzione della potenza applicata alla porta 2 verrà accoppiata alla porta 4. Tuttavia, normalmente, il dispositivo non è usato in questa modalità e la porta 4, solitamente, viene terminata su un a carico adattato (tipicamente 50 ohm). Questa terminazione può essere interna al dispositivo e, in tal caso, la porta 4 non è accessibile all'utente. In pratica, questo risulta un dispositivo a 3 porte, da cui l'utilità del secondo simbolo per gli accoppiatori direzionali nella figura 1.Ishii, p.200Naval Air Warfare Center, p.6-4.1

In questo articolo, i simboli nella forma

hanno il significato di "parametro P alla porta a prodotto da un ingresso alla porta b".

Un simbolo per i divisori di potenza è mostrato in figura 2. I divisori di potenza e gli accoppiatori direzionali, in ogni caso, sono la stessa classe di dispositivi. La locuzione accoppiatore direzionale tende ad essere usata per i dispositivi a 4 porte che sono solo vagamente accoppiati – cioè, solo una piccola frazione della potenza in ingresso appare alla porta accoppiata. La locuzione divisore di potenza è usata per dispositivi con stretto accoppiamento (comunemente, un divisore di potenza fornisce metà della potenza di ingresso in ciascuna delle sue porte di uscita – si tratta di un divisore da 3 dB) e, solitamente, viene considerato un dispositivo a 3 porte.Räisänen and Lehto, p.116

Parametri Le comuni proprietà desiderate per tutti gli accoppiatori direzionali sono una estesa larghezza di banda, un'elevata direttività e un buon adattamento di impedenza per tutte le porte quando le altre porte sono terminate con carichi adattati. Alcune di queste caratteristiche generali ed altre sono discusse sotto.Naval Air Warfare Center, p.6.4.1

Fattore di accoppiamento Il fattore di accoppiamento è definito come:

dove P1 è la potenza in ingresso alla porta 1 e P3 è la potenza in uscita dalla porta accoppiata (vedere figura 1).

Il fattore di accoppiamento rappresenta la proprietà principale di un accoppiatore direzionale. Il fattore di accoppiamento è una quantità negativa, non può superare 0 dB per un dispositivo passivo e in pratica non supera −3 dB poiché con un valore maggiore di questo risulterebbe una potenza in uscita dalla porta accoppiata maggiore di quella dalla porta di trasmissione – in effetti i loro ruoli sarebbero invertiti. Nonostante si tratti di un valore negativo, spesso il segno meno viene omesso (ma ancora sottinteso) nei testi e nei diagrammi attualmente in uso e alcuni autoriPer esempio Morgan, p.149 si spingono a definirlo una quantità positiva. L'accoppiamento non è costante, ma varia con la frequenza. Mentre diverse progettazioni possono fare in modo da ridurre la varianza, teoricamente un accoppiatore con andamento perfettamente piatto non può essere costruito. Gli accoppiatori direzionali sono classificati in termini di accuratezza nell'accoppiamento al centro della banda di frequenza.Naval Air Warfare Center, p.6.4.1Vizmuller, p.101

Perdite

La perdita d'inserzione della linea principale dalla porta 1 alla porta 2 (associata alla differenza P1 – P2) è:

Perdita d'inserzione:

Parte di questa perdita è dovuta a della potenza che va alla porta accoppiata, è chiamata perdita di accoppiamento ed è data da:

Perdita di accoppiamento:

La perdita d'inserzione di un accoppiatore direzionale ideale consisterà interamente nella perdita di accoppiamento. In un accoppiatore direzionale reale, tuttavia, la perdita d'inserzione consiste in una combinazione di perdita di accoppiamento, perdita dovuta al dielettrico, perdita dovuta al conduttore, e perdita dovuta al ROS. A seconda dell'intervallo di frequenze, la perdita di accoppiamento diventa meno significativa oltre i 15 dB di accoppiamento quando le altre perdite costituiscono la maggior parte della perdita. La perdita d'inserzione teorica (espressa in dB) confrontata con quella di accoppiamento (anch'essa espressa in dB) per un accoppiatore privo di effetti dissipativi è mostrata nel grafico della figura 3 nella tabella sottostante.Naval Air Warfare Center, p.6.4.2

+Perdita d'inserzione dovuta all'accoppiamentoAccoppiamentoPerdita d'inserzionedBdB33.0061.25100.458200.0436300.00435

Isolamento L'isolamento di un accoppiatore direzionale può essere definito come la differenza nei livelli di segnale espressa in dB tra la porta d'ingresso e la porta isolata quando le due porte sono terminate con carichi adattati, o:

Isolamento:

Si può definire anche l'isolamento tra le due porte di uscita. In tal caso, una delle porte di uscita è usata come ingresso; l'altra è considerata la porta di uscita, mentre le altre due porte (porta d'ingresso e porta isolata) sono terminate su carichi adattati.

Di conseguenza:

L'isolamento tra la porta d'ingresso e quella isolata potrebbe essere differente da quello tra le due porte di uscita. Per esempio, l'isolamento tra le porte 1 e 4 può essere pari a 30 dB mentre quello tra le porte 2 e 3 può essere pari a un valore diverso, per esempio 25 dB. L'isolamento può essere stimato mediante la somma della perdita di accoppiamento con la return loss. L'isolamento dovrebbe essere il più elevato possibile. Negli accoppiatori reali la porta isolata non è mai completamente isolata: della potenza RF sarà sempre presente. Gli accoppiatori direzionali a guide d'onda presentano il miglior isolamento.

Direttività La direttività è direttamente correlata all'isolamento. È definita come:

Direttività:

dove: P3 è la potenza in uscita dalla porta accoppiata e P4 è la potenza in uscita dalla porta isolata.

La direttività dovrebbe essere la più elevata possibile. La direttività è molto elevata alla frequenza di progettazione ed è varia più sensibilmente con la frequenza poiché dipende dalla cancellazione di due componenti ondose. Gli accoppiatori direzionali a guide d'onda presentano la migliore direttività. La direttività non è direttamente misurabile ed è calcolata mediante la somma dell'isolamento con misure del fattore di accoppiamento (che è un valore negativo) nel modo seguente:Naval Air Warfare Center, p.6.4.3

È da notare che nel caso in cui si usi la definizione positiva di fattore di accoppiamento, la formula deve essere scritta:

Parametri S La matrice S per un accoppiatore direzionale simmetrico ideale (perfettamente adattato e con isolamento infinito) è data da:

è il coefficiente di trasmissione e è il coefficiente di accoppiamento

In generale, e sono numeri complessi, dipendenti dalla frequenza. Gli zeri sulla diagonale principale della matrice sono una conseguenza del perfetto adattamento – la potenza in ingresso a qualsiasi porta non viene riflessa sulla stessa porta. Invece, gli zeri sulla diagonale secondaria della matrice sono una conseguenza del perfetto isolamento tra la porta d'ingresso e la porta isolata.

Per un accoppiatore direzionale passivo senza perdite, in più si deve avere:

poiché la potenza entrante nella porta d'ingresso deve andarsene tutta mediante una delle altre due porte.Dyer, p.479Ishii, p.216Räisänen and Lehto, pp.120–122

La perdita d'inserzione è correlata a così:

Il fattore di accoppiamento è correlato a così:

I termini non nulli della diagonale principale sono correlati alla return loss e i termini non nulli della diagonale secondaria sono correlati all'isolamento mediante espressioni simili.

Alcuni autori definiscono i numeri delle porte con le porte 3 e 4 scambiate. Ciò si traduce in una matrice di scattering che non è più azzerata sulla diagonale secondaria.Per esempio, Räisänen and Lehto, pp.120–122

Bilancio di ampiezza Questa terminologia definisce la differenza di potenza espressa in dB tra le due porte di uscita di un accoppiatore ibrido da 3 dB. In un circuito ibrido ideale, la differenza dovrebbe essere 0 dB. Tuttavia, nella pratica in un dispositivo il bilancio di ampiezza dipende dalla frequenza e si discosta dal valore corrispondente a una differenza di 0 dB.

Bilancio di fase La differenza di fase tra le due porte di uscita di un accoppiatore ibrido dovrebbe essere 0°, 90°, o 180° a seconda del tipo utilizzato. Tuttavia, come per il bilancio di ampiezza, la differenza di fase è sensibile alla frequenza in ingresso e tipicamente varierà di pochi gradi.

Tipologie realizzate con linee di trasmissione Accoppiatori direzionali Linee di trasmissione accoppiate

La più comune forma di accoppiatore direzionale è una coppia di linee di trasmissione accoppiate. Si possono realizzare con varie tecnologie inclusi cavi coassiali e le tecnologie planari (stripline e microstrip). Un'implementazione in stripline è mostrata nella figura 4 che mostra un accoppiatore direzionale da un quarto di lunghezza d'onda (λ/4). La potenza sulla linea accoppiata fluisce nella direzione opposta rispetto alla direzione in cui fluisce la potenza nella linea principale, quindi la disposizione delle porte non è la stessa mostrata in figura 1, ma la numerazione rimane la stessa. Per questa ragione a volte viene definito un accoppiatore inverso.Morgan, p.149Matthaei et al., pp.775–777Vizmuller, p.101