दिशात्मक कपलर का कार्य सिद्धांत

डायरेक्शनल कपलर माइक्रोवेव मापन और अन्य माइक्रोवेव प्रणालियों में मानक माइक्रोवेव/मिलीमीटर तरंग घटक हैं। इनका उपयोग सिग्नल पृथक्करण, पृथक्करण और मिश्रण के लिए किया जा सकता है, जैसे कि पावर मॉनिटरिंग, स्रोत आउटपुट पावर स्थिरीकरण, सिग्नल स्रोत पृथक्करण, संचरण और परावर्तन आवृत्ति स्वीपिंग परीक्षण आदि। यह एक डायरेक्शनल माइक्रोवेव पावर डिवाइडर है और आधुनिक स्वीप्ट-फ्रीक्वेंसी रिफ्लेक्टोमीटर में एक अनिवार्य घटक है। आमतौर पर, इसके कई प्रकार होते हैं, जैसे कि वेवगाइड, समाक्षीय रेखा, स्ट्रिपलाइन और माइक्रोस्ट्रिप।

चित्र 1 संरचना का योजनाबद्ध आरेख है। इसमें मुख्य रूप से दो भाग होते हैं: मुख्य लाइन और सहायक लाइन, जो विभिन्न प्रकार के छोटे छिद्रों, दरारों और अंतरालों के माध्यम से एक दूसरे से जुड़े होते हैं। इसलिए, मुख्य लाइन के सिरे पर स्थित “1” से प्राप्त बिजली का कुछ हिस्सा द्वितीयक लाइन में स्थानांतरित हो जाता है। तरंगों के व्यतिकरण या अध्यारोपण के कारण, बिजली केवल द्वितीयक लाइन के एक दिशा में (जिसे “अग्रणी” कहा जाता है) संचारित होती है, और दूसरी दिशा में (जिसे “अग्रणी” कहा जाता है) लगभग कोई बिजली संचारित नहीं होती है।

चित्र 2 एक क्रॉस-डायरेक्शनल कपलर है, कपलर में से एक पोर्ट एक अंतर्निर्मित मैचिंग लोड से जुड़ा हुआ है।

दिशात्मक कपलर का अनुप्रयोग

1. विद्युत संश्लेषण प्रणाली के लिए
नीचे दिए गए चित्र में दिखाए अनुसार, एक 3dB डायरेक्शनल कपलर (जिसे आमतौर पर 3dB ब्रिज के नाम से जाना जाता है) का उपयोग मल्टी-कैरियर फ़्रीक्वेंसी सिंथेसिस सिस्टम में किया जाता है। इस प्रकार का सर्किट इनडोर डिस्ट्रीब्यूटेड सिस्टम में आम है। दो पावर एम्पलीफायरों से सिग्नल f1 और f2 जब 3dB डायरेक्शनल कपलर से गुजरते हैं, तो प्रत्येक चैनल के आउटपुट में दो फ़्रीक्वेंसी कंपोनेंट f1 और f2 होते हैं, और प्रत्येक फ़्रीक्वेंसी कंपोनेंट के एम्प्लीट्यूड को 3dB कम कर दिया जाता है। यदि आउटपुट टर्मिनलों में से एक को एब्जॉर्बिंग लोड से जोड़ा जाता है, तो दूसरे आउटपुट का उपयोग पैसिव इंटरमॉड्यूलेशन मापन सिस्टम के पावर सोर्स के रूप में किया जा सकता है। यदि आपको आइसोलेशन को और बेहतर बनाना है, तो आप फ़िल्टर और आइसोलेटर जैसे कुछ कंपोनेंट जोड़ सकते हैं। एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए 3dB ब्रिज का आइसोलेशन 33dB से अधिक हो सकता है।
 
डायरेक्शनल कपलर का उपयोग पावर कंबाइनिंग सिस्टम वन में किया जाता है।
पावर कॉम्बिनेशन के एक अन्य अनुप्रयोग के रूप में डायरेक्शनल गली क्षेत्र को नीचे चित्र (a) में दर्शाया गया है। इस परिपथ में, डायरेक्शनल कपलर की डायरेक्टिविटी का चतुराई से उपयोग किया गया है। यह मानते हुए कि दोनों कपलरों की कपलिंग डिग्री 10dB है और डायरेक्टिविटी 25dB है, f1 और f2 सिरों के बीच आइसोलेशन 45dB है। यदि f1 और f2 के इनपुट दोनों 0dBm हैं, तो संयुक्त आउटपुट -10dBm है। नीचे चित्र (b) में विल्किंसन कपलर (जिसका विशिष्ट आइसोलेशन मान 20dB है) की तुलना में, समान इनपुट सिग्नल (0dBm) के लिए, संश्लेषण के बाद -3dBm का आइसोलेशन प्राप्त होता है (इंसर्शन लॉस को ध्यान में रखे बिना)। इंटर-सैंपल स्थिति की तुलना में, हम चित्र (a) में इनपुट सिग्नल को 7dB बढ़ाते हैं ताकि इसका आउटपुट चित्र (b) के अनुरूप हो। इस समय, चित्र (a) में f1 और f2 के बीच अलगाव 38 dB तक कम हो जाता है। अंतिम तुलना परिणाम यह है कि दिशात्मक कपलर की पावर संश्लेषण विधि विल्किंसन कपलर की तुलना में 18 dB अधिक है। यह योजना दस एम्पलीफायरों के इंटरमॉड्यूलेशन मापन के लिए उपयुक्त है।

पावर कंबाइनिंग सिस्टम 2 में एक डायरेक्शनल कपलर का उपयोग किया जाता है।

2, रिसीवर के हस्तक्षेप-रोधी माप या अवांछित माप के लिए उपयोग किया जाता है
RF परीक्षण और मापन प्रणाली में, नीचे दिए गए चित्र में दर्शाया गया परिपथ अक्सर देखा जा सकता है। मान लीजिए कि परीक्षण के अंतर्गत उपकरण (DUT) एक रिसीवर है। ऐसे में, दिशात्मक कपलर के युग्मन सिरे के माध्यम से रिसीवर में एक आसन्न चैनल व्यतिकरण संकेत डाला जा सकता है। फिर दिशात्मक कपलर के माध्यम से इससे जुड़ा एक एकीकृत परीक्षक रिसीवर के हज़ार व्यतिकरण प्रतिरोध प्रदर्शन का परीक्षण कर सकता है। यदि DUT एक सेलुलर फोन है, तो दिशात्मक कपलर के युग्मन सिरे से जुड़े एक व्यापक परीक्षक द्वारा फोन के ट्रांसमीटर को चालू किया जा सकता है। फिर एक स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग करके फोन के अवांछित आउटपुट को मापा जा सकता है। बेशक, स्पेक्ट्रम विश्लेषक से पहले कुछ फ़िल्टर परिपथ जोड़ने होंगे। चूंकि इस उदाहरण में केवल दिशात्मक कपलर के अनुप्रयोग पर चर्चा की गई है, इसलिए फ़िल्टर परिपथ को छोड़ दिया गया है।

डायरेक्शनल कपलर का उपयोग रिसीवर के एंटी-इंटरफेरेंस मापन या सेलुलर फोन की कृत्रिम ऊंचाई के मापन के लिए किया जाता है।
इस परीक्षण परिपथ में, दिशात्मक कपलर की दिशात्मकता अत्यंत महत्वपूर्ण है। थ्रू एंड से जुड़ा स्पेक्ट्रम विश्लेषक केवल डीयूटी से सिग्नल प्राप्त करना चाहता है और कपलिंग एंड से पासवर्ड प्राप्त नहीं करना चाहता है।

3, सिग्नल सैंपलिंग और निगरानी के लिए
ट्रांसमीटर का ऑनलाइन मापन और निगरानी, ​​डायरेक्शनल कपलर के सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले अनुप्रयोगों में से एक हो सकता है। निम्नलिखित चित्र सेलुलर बेस स्टेशन मापन के लिए डायरेक्शनल कपलर के एक विशिष्ट अनुप्रयोग को दर्शाता है। मान लीजिए कि ट्रांसमीटर की आउटपुट पावर 43dBm (20W) है, और डायरेक्शनल कपलर की कपलिंग क्षमता 30dB है, तथा इंसर्शन लॉस (लाइन लॉस प्लस कपलिंग लॉस) 0.15dB है। कपलिंग एंड से बेस स्टेशन टेस्टर को 13dBm (20mW) का सिग्नल भेजा जाता है, जबकि डायरेक्शनल कपलर का डायरेक्ट आउटपुट 42.85dBm (19.3W) है। आइसोलेटेड साइड पर लीकेज पावर लोड द्वारा अवशोषित की जाती है।

दिशात्मक कपलर का उपयोग बेस स्टेशन माप के लिए किया जाता है।
लगभग सभी ट्रांसमीटर ऑनलाइन सैंपलिंग और मॉनिटरिंग के लिए इसी विधि का उपयोग करते हैं, और शायद केवल यही विधि सामान्य कार्य परिस्थितियों में ट्रांसमीटर के प्रदर्शन परीक्षण की गारंटी दे सकती है। लेकिन यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि ट्रांसमीटर परीक्षण एक ही होता है, और विभिन्न परीक्षकों की अलग-अलग चिंताएँ होती हैं। WCDMA बेस स्टेशनों को उदाहरण के तौर पर लें, तो ऑपरेटरों को अपने कार्यशील आवृत्ति बैंड (2110~2170MHz) में सिग्नल की गुणवत्ता, इन-चैनल पावर, आसन्न चैनल पावर आदि जैसे संकेतकों पर ध्यान देना चाहिए। इसी आधार पर, निर्माता बेस स्टेशन के आउटपुट सिरे पर एक नैरोबैंड (जैसे 2110~2170MHz) दिशात्मक कपलर स्थापित करते हैं ताकि ट्रांसमीटर की इन-बैंड कार्य स्थितियों की निगरानी की जा सके और इसे किसी भी समय नियंत्रण केंद्र को भेजा जा सके।
यदि रेडियो आवृत्ति स्पेक्ट्रम का नियामक, यानी रेडियो निगरानी स्टेशन, सॉफ्ट बेस स्टेशन संकेतकों का परीक्षण कर रहा है, तो उसका ध्यान पूरी तरह से अलग होगा। रेडियो प्रबंधन विनिर्देशों की आवश्यकताओं के अनुसार, परीक्षण आवृत्ति सीमा 9kHz से 12.75GHz तक विस्तारित है, और परीक्षण किए जाने वाले बेस स्टेशन इतने व्यापक हैं। इस आवृत्ति बैंड में कितना अवांछित विकिरण उत्पन्न होगा और अन्य बेस स्टेशनों के नियमित संचालन में बाधा उत्पन्न करेगा? यह रेडियो निगरानी स्टेशनों के लिए चिंता का विषय है। इस समय, सिग्नल सैंपलिंग के लिए समान बैंडविड्थ वाले दिशात्मक कपलर की आवश्यकता है, लेकिन 9kHz से 12.75GHz तक की आवृत्ति को कवर करने वाला कोई दिशात्मक कपलर उपलब्ध नहीं है। हम जानते हैं कि दिशात्मक कपलर की कपलिंग आर्म की लंबाई उसकी केंद्र आवृत्ति से संबंधित होती है। अल्ट्रा-वाइडबैंड दिशात्मक कपलर की बैंडविड्थ 0.5-18GHz जैसे 5-6 ऑक्टेव बैंड तक पहुंच सकती है, लेकिन 500MHz से नीचे के आवृत्ति बैंड को कवर नहीं कर सकती।

4. ऑनलाइन पावर मापन
थ्रू-टाइप पावर मापन तकनीक में, डायरेक्शनल कपलर एक अत्यंत महत्वपूर्ण उपकरण है। निम्नलिखित चित्र एक विशिष्ट पास-थ्रू उच्च-शक्ति मापन प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख दर्शाता है। परीक्षण के तहत एम्पलीफायर से आने वाली फॉरवर्ड पावर को डायरेक्शनल कपलर के फॉरवर्ड कपलिंग सिरे (टर्मिनल 3) द्वारा सैंपल किया जाता है और पावर मीटर को भेजा जाता है। रिफ्लेक्टेड पावर को रिवर्स कपलिंग टर्मिनल (टर्मिनल 4) द्वारा सैंपल किया जाता है और पावर मीटर को भेजा जाता है।
उच्च शक्ति मापन के लिए एक दिशात्मक कपलर का उपयोग किया जाता है।
कृपया ध्यान दें: लोड से परावर्तित शक्ति प्राप्त करने के अलावा, रिवर्स कपलिंग टर्मिनल (टर्मिनल 4) को फॉरवर्ड दिशा (टर्मिनल 1) से रिसाव शक्ति भी प्राप्त होती है, जो दिशात्मक कपलर की दिशात्मकता के कारण होती है। परीक्षक परावर्तित ऊर्जा को मापना चाहता है, और रिसाव शक्ति परावर्तित शक्ति मापन में त्रुटियों का प्राथमिक स्रोत है। परावर्तित शक्ति और रिसाव शक्ति रिवर्स कपलिंग सिरे (टर्मिनल 4) पर अध्यारोपित होती हैं और फिर पावर मीटर को भेजी जाती हैं। चूंकि दोनों संकेतों के संचरण पथ अलग-अलग हैं, इसलिए यह एक सदिश अध्यारोपण है। यदि पावर मीटर में आने वाली रिसाव शक्ति की तुलना परावर्तित शक्ति से की जाए, तो इससे मापन में महत्वपूर्ण त्रुटि उत्पन्न होगी।
बेशक, लोड (दूसरा सिरा) से परावर्तित शक्ति भी अग्रवर्ती युग्मन सिरे (पहला सिरा, जो ऊपर दिए गए चित्र में नहीं दिखाया गया है) तक रिस जाएगी। फिर भी, अग्रवर्ती शक्ति की तुलना में इसका परिमाण न्यूनतम है, जो अग्रवर्ती शक्ति को मापता है। परिणामस्वरूप होने वाली त्रुटि को अनदेखा किया जा सकता है।

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