Accessori da laboratorio

Accoppiatori direzionali

1) Accoppiatore direzionale :

Si tratta di un dispositivo 4 porte di cui una la porta 1 è la porta d´ingresso, la porta 2 è la porta d´uscita diretta caratterizzata dal coefficiente di trasmissione , la porta 3 è la porta accoppiata caratterizzata dal coefficiente di accoppiamento , esso vale 3dB per le applicazioni circuitali e più di 6dB per le applicazioni di misure, la porta 4 infine è la porta isolata ed è caratterizzata dalla direttività e dall´isolamento

2) Classificazione delle larghezze di banda :

Si parla di banda stretta se , di banda larga se e di banda larghissima se .

3) Ponte riflettometrico :

Tra generatore e carico vengono inseriti due accoppiatori direzionali, nel primo il segnale dal generatore entra sulla porta 1 mentre sulla porta 3 è applicato un wattmetro che misura una grandezza proporzionale al quadrato della onda incidente, la porta 2 è invece connessa alla porta 2 del secondo accoppiatore avente invece sulla porta 1 il carico e sulla porta 3 anche esso un wattmetro che misura una grandezza proporzionale al quadrato della onda riflessa dal carico, le porte 4 invece sono entrambe chiuse su di un carico adattato. In tal modo si ottiene una misura del coefficiente di riflessione che però risente del fatto che anche gli accoppiatori direzionali inseriscono delle perdite.

4) Accoppiatori a 3dB :

Gli accoppiatori a 3dB hanno la proprietà di suddividere la potenza in parti uguali tra la porta diretta e la porta accoppiata, tuttavia vi possono essere differenze sulle fasi dei segnali, si hanno pertanto Ibride a 90° ed a 180°.

5) Ibride a 90° :

È un accoppiatore a 3dB nel quale il segnale sulla porta 3 è sfasato di 0° mentre il segnale sulla porta 4 è sfasato di 90°.

6) Ibride a 180° e Rat Race :

È un accoppiatore a 3dB nel quale il segnale X in ingresso alla porta 1 è inviato in fase sia alla porta 3 che alla porta 4 mentre il segnale Y in ingresso alla porta 2 è inviato in fase alla porta 3 e sfasato di 180° alla porta 4, ciò fa si che alla porta 3 si abbia la somma S = X +Y mentre alla porta 4 si abbia la differenza D = X –Y.

Un esempio di Ibride a 180° è il Rat Race le cui porte sono nell´ordine 2, 3, 1, 4 e sono distanziate tra di loro di l/4 mentre la porta 2 e la 4 sono distanziate da un tratto di linea lungo 3l/4. Ammettendo che alla porta 1 entri il segnale X ed alla porta 2 il segnale Y avremo alla porta 3 la somma S = X +Y mentre alla porta 4 la differenza D = X –Y.

7) Accoppiatori in guida d´onda :

Un tipico accoppiatore in guida d´onda è costituito da 2 guide aventi un lato lungo in comune, su di esso sono praticati dei buchi a distanze opportune in modo che la potenza d´ingresso in una guida oltre ad uscire dalla altro lato della stessa guida entri nei buchi e sfruttando le combinazioni di fase, si propaghi nella altra guida soltanto in un verso, ciò si può ottenere anche chiudendo su di una lamina metallica posta a distanza opportuna.

Un altro tipo di accoppiatore è il “T Magico” dovuto alla intersezione ortogonale tra una T ed una L realizzate in guida d´onda, in esso il segnale entrante alla porta 3 esce soltanto alle porte 1 e 2 ma non alla porta 4 dove il suo modo è sotto cut off per via delle dimensioni della guida.

Attenuatori

8) Perdita d´inserzione ed attenuazione di una rete 2-porte :

La perdita d´inserzione è il rapporto tra la potenza fornita dal generatore al carico non adattato e la potenza fornita allo stesso carico quando sia inserito anche una rete caratterizzata dalla matrice di scattering, si ha :

L´attenuazione è invece la perdita di inserzione quando il coefficiente di riflessione sul generatore e sul carico, sono entrambe nulli dove A_R è la attenuazione dovuta alla riflessione mentre A_D è la attenuazione dovuta alla dissipazione.

9) Tipologie di attenuatori :

a) fissi

sono costituiti da celle a T o a p realizzabili ad esempio su cavo coassiale mediante del materiale dissipativi che può essere messo in serie al centrale per realizzare una resistenza serie R_S oppure trasversale al centrale per realizzare una resistenza parallelo R_// .

b) variabili

si può realizzare con due cavi coassiali in cui uno scorre nella altro mediante delle viti micrometriche, nella parte di sovrapposizione è assente il centrale pertanto è come avere in serie un coassiale, una guida d´onda circolare ed un altro coassiale, la attenuazione si ottiene facendo si che alla frequenza di lavoro nel coassiale corrisponda un modo sotto cut-off nella guida che pertanto viene attenuato.

10) Divisore di tensione Kelvin - Varley :

E´ un attenuatore di precisione che funge da standard a frequenze inferiori ai 10kHz, esso fornisce dove a , b , g , d sono ciascuno compreso tra 0 e 9 sulla base della posizione di un contatto strisciante che copre due resistenze sulla serie di resistenze, in particolare il divisore è costituito da 4 serie di resistenze, la prima è costituita da 10 resistenze di valore 125R mentre le altre 3 sono costituite da 11 resistenze uguali i cui valori sono progressivamente divisi per 5. Se vogliamo invece realizzare un divisore su base N occorrono N resistori nell´ultimo stadio ed N+1 nei precedenti ed il rapporto deve essere decrescente di un fattore N/2 .

Isolatori e circolatori

11) Circolatore :

È un componente non reciproco a 3 porte che si basa sulle proprietà di alcuni materiali ferromagnetici, in particolare la sua funzione è di consentire il trasferimento del segnale soltanto in un verso.

12) Isolatore :

È un circolatore nel quale una porta è stata chiusa su di carico adattato, è molto utilizzato nel caso che si voglia trasferire tutta la potenza possibile dal generatore al carico indipendentemente dal valore di quest´ultimo.

Amplificatori

13) Catena di amplificazione :

In genere in prossimità della antenna o del generatore si ha un amplificatore a basso rumore il cui scopo è quello di alzare il livello del segnale introducendo il minimo possibile rumore, successivamente si hanno degli amplificatori di guadagno atti ad elevare il livello del segnale ed infine la catena si chiude con un amplificatore di potenza.

14) Caratteristiche degli amplificatori di guadagno :

a) banda passante a 3dB e ripple

b) guadagno in potenza

c) sia in ingresso che in uscita

15) Caratteristiche degli amplificatori a basso rumore :

Oltre alle caratteristiche della amplificatore di guadagno vi sono anche le seguenti :

a) La cifra di rumore che nel caso di una catena di amplificatori assume la forma dalla quale si evidenzia che il primo amplificatore oltre ad un basso rumore deve essere caratterizzato anche da un alto guadagno.

b) L´MDS ossia il più piccolo segnale che può essere amplificato distinguendolo dal rumore di fondo, esso vale dove i –111dBm sono 3dBm sopra il MDS calcolato per una banda di 1MHz a temperatura ambiente.

16) Caratteristiche degli amplificatori di potenza :

Occorre tener conto anche delle non linearità della amplificatore considerando ad esempio uno sviluppo sino al 3° ordine si ha ed applicando un tono si evidenzia in uscita oltre al tono d´ingresso amplificato anche le sue armoniche, una continua ed un termine di compressione prodotto dal termine cubico ma che va a sottrarsi alla fondamentale pertanto la potenza d´uscita tende a saturare al crescere della potenza d´ingresso, pertanto gli amplificatori di potenza sono caratterizzati anche dalle seguenti caratteristiche :

a) se entrambe le grandezze vengono espresse in dB e rappresentate su di un grafico possiamo individuare il punto di compressione ad 1dB come quel valore della potenza d´ingresso per il quale la potenza d´uscita si riduce di 1dB rispetto al valore che avrebbe nel caso lineare.

b) Il range dinamico viene definito come la differenza tra la potenza d´ingresso corrispondente al Minimum Detectable Signal ed il punto di compressione ad 1 dB.

c) L´efficienza della amplificatore

d) Power Added Efficiency

Applicando in ingresso alla amplificatore un segnale a due toni si evidenzia la presenza di termini di compressione, di soppressione, di intermodulazione che possono essere stimate mediante le seguenti grandezze :

a) IP₃ è il punto di intercetta del 3° ordine ossia sul grafico che esprime P_out[dBm] in funzione di P_in[dBm] è la potenza d´ingresso corrispondente all´intersezione tra il prolungamento della retta che rappresenta il termine lineare ed il prolungamento della retta che rappresenta il termine cubico, in genere la qualità di un amplificatore è alta quanto più è alto IP₃ , esso dista dal punto di compressione a –1dB circa 10dB teoricamente per gli amplificatori a stato solido, nella pratica dista circa 8dB.

b) Spurious Free Dynamic Range vale e rappresenta il range di potenze in ingresso per le quali in uscita dalla amplificatore non ho frequenze spurie, il valore 2/3 si deduce da considerazioni geometriche sul piano che esprime P_out[dBm] in funzione di P_in[dBm].

c) Adjacent Channel Power Ratio considera una suddivisione dello spettro in canali, assumiamo il segnale d´ingresso interamente contenuto in un canale, si avrà che il segnale d´uscita è presente anche nei canali adiacenti, considerando uno solo dei due ed integrando i contributi in potenza si ha .

Mixer

17) Mixer :

È un dispositivo atto a traslare in frequenza un segnale RF esso produce infatti tutte le combinazioni lineari delle due frequenze che ha in ingresso, una contenente l´informazione e la altra dovuta all´oscillatore locale, a tal fine deve necessariamente essere non lineare. Un esempio di realizzazione è mediante un generatore avente pulsazione w₁ che è connesso al carico tramite un interruttore pilotato da un´onda quadra a frequenza w₂ .

18) Parametri caratteristici di un mixer:

a) Guadagno di conversione , esso si riduce al crescere della potenza RF rispetto alla potenza LO giungendo alla saturazione in maniera analoga a quanto si ha per gli amplificatori, anche in questo caso viene infatti definito il punto di compressione a -1dB come la P_in,RF per la quale P_out,IF si riduce di 1dB rispetto al valore che avrebbe nel caso si mandi in ingresso un singolo tono.

b) Isolamento quindi consideriamo potenze a porte diverse ma alla stessa frequenza, in questo caso la componente a frequenza RF va alla porta IF per mezzo di correnti superficiali. Molta attenzione si pone verso l´isolamento in quanto per le specifiche del mixer il segnale LO deve avere potenza molto maggiore rispetto al segnale RF il quale poi è solitamente connesso direttamente ad una antenna pertanto se l´isolamento è scarso essa irradia il segnale LO.

c) La carta delle spurie ha sulle ascisse le possibili frequenze IF mentre sulle ordinate ci sono le possibili frequenze RF, la zona corretta di lavoro del mixer individua un rettangolino mentre alle frequenze spurie d´ingresso , che si hanno nel caso RF e LO siano bande e non singoli toni, sono associate delle rette le quali non debbono attraversare il rettangolino, altrimenti si rende necessario un cambio del piano delle frequenze.

19) Mixer singolarmente bilanciato :

a) si manda il segnale RF all´ingresso S di una ibride a 180° ed il segnale LO all´ingresso D della stessa, l´uscita RF+LO è connessa alla anodo di un diodo che funge da 1° mixer mentre l´uscita RF-LO è connessa al catodo di un diodo che funge da 2° mixer, i due segnali poi si sommano e vengono filtrati. Il vantaggio di questa configurazione è che l´isolamento è quello della ibride, lo svantaggio è che la adattamento è funzione sia della adattamento della ibride che dei mixer.

b) Lo schema è identico al precedente con l´eccezione di utilizzare una ibride a 90° invece che quella a 180°, le due configurazioni sono speculari nel senso che con quest´ultimo schema è la adattamento a dipendere soltanto dall´ibride mentre l´isolamento dipende sia dall´ibride che dai diodi.

c) Il terzo schema possibile è il più utilizzato in quanto se ho dei FET è difficile girarli come si fa per i diodi, pertanto utilizzo due ibride a 180° tra le quali sono posti i due dispositivi che fungono da mixer.

20) Mixer doppiamente bilanciato :

Sono possibili la configurazione Ring e Star, richiedono almeno 4 componenti non lineari e presentano un guadagno di conversione basso, circa 8dB contro i 10dB del mixer singolarmente bilanciato, tuttavia hanno ottime proprietà di rejezione delle spurie ed operano con bande maggiori.

21) Mixer a rejezione d´immagine :

Tramite una ibride a 90° il segnale d´ingresso viene mandato in fase ad un mixer e sfasato di 90° ad un altro mixer, ad entrambe poi giunge tramite uno splitter lo stesso segnale dal LO, i segnali IF prodotti vengono poi inviati ciascuno ad una porta d´ingresso di un´altra ibride a 90° ad una delle sue uscite avrò la USB rispetto al LO mentre alla altra uscita avrò la LSB.