Acoplador direccional frente a acoplador híbrido: ¿cuál se debe utilizar en el diseño de estaciones base y sistemas DAS?

Ambos tienen cuatro puertos y son muy parecidos, pero cumplen funciones totalmente diferentes. Si utilizas el equivocado, toda tu configuración de distribución de señal y monitorización se irá al traste.

A la hora de diseñar una estación base o Sistema DAS, a menudo te enfrentas a una disyuntiva: o bien tienes que separar una pequeña parte de la señal para monitorizarla, o bien tienes que combinar dos señales. ¿Eliges un acoplador direccional o un acoplador híbrido?

Muchos ingenieros se quedan mirando la tabla de selección y se confunden: ambos son de cuatro puertos, ambos se denominan “acopladores” y las especificaciones de la ficha técnica parecen bastante similares. Pero en un sistema real, estos dos componentes realizan funciones completamente diferentes. Si utilizas un acoplador direccional donde necesitas un híbrido, o viceversa, en el mejor de los casos obtendrás una distribución deficiente de la señal; en el peor, el rendimiento del sistema se desplomará.

Este artículo deja de lado las divagaciones teóricas y explica, desde una perspectiva de ingeniería, cuál es la diferencia, cuándo utilizar cada uno y qué parámetros hay que tener en cuenta a la hora de elegir.

En primer lugar, hay que dejar claro un concepto básico: un acoplador híbrido es un tipo especial de acoplador direccional.

Aclaremos primero un punto que suele generar confusión.

Técnicamente, un acoplador híbrido es una subcategoría especial de una acoplador direccional. Funcionan según el mismo principio: ambos son dispositivos pasivos de cuatro puertos que distribuyen o combinan señales mediante acoplamiento electromagnético. La diferencia radica en el coeficiente de acoplamiento: en el caso de un acoplador híbrido, este es fijo y se establece en ‑3 dB, lo que significa que divide la potencia de entrada a partes iguales en dos caminos (50% cada uno), con una relación de fase definida (90° o 180°) entre las salidas. Por su parte, un acoplador direccional puede tener valores de acoplamiento como 3 dB, 5 dB, 6 dB, 10 dB, 15 dB, 20 dB, etc., y se utiliza para “derivar” una pequeña parte de la señal de la línea principal.

Piénsalo de esta manera: un acoplador direccional es como un válvula de muestreo en una tubería de agua: el caudal principal sigue circulando y se abre un pequeño grifo para sacar un vaso de agua con el fin de comprobar su calidad, sin que ello afecte al caudal principal. Un acoplador híbrido es como un Divisor en T – Entra un chorro de agua y se divide en dos chorros iguales, con exactamente la misma cantidad en cada uno.

Una vez que entiendas esta diferencia básica, el resto es fácil.

Acoplador direccional: tu herramienta para la monitorización de señales y la toma de potencia

La función principal de un acoplador direccional es extraer una pequeña parte de la señal de la línea de transmisión principal para la supervisión, la medición o el control con retroalimentación.

Un acoplador direccional típico tiene cuatro puertos: de entrada, de paso, de acoplamiento y de aislamiento. La señal entra por el puerto de entrada. La mayor parte de la energía sale por el puerto de paso y continúa por la línea. Una pequeña parte sale por el puerto de acoplamiento para su monitorización. El puerto de aislamiento suele terminarse con una carga de 50 Ω para absorber las señales reflejadas.

Tres parámetros clave a tener en cuenta:

Valor de acoplamiento – Esto determina cuánta potencia se “extrae” de la línea principal. Se expresa en dB: cuanto mayor sea el valor, menor será la potencia extraída. Un acoplador de 10 dB significa que la salida del puerto acoplado está 10 dB por debajo de la entrada, lo que equivale aproximadamente a una décima parte de la potencia de la línea principal. 20 dB equivale a una centésima parte. Para la monitorización de señales, lo habitual son 10 dB, 15 dB o 20 dB; para la distribución de potencia, se suelen utilizar 5 dB o 6 dB.

Pérdida de inserción – Se trata de la potencia que se pierde entre el puerto de entrada y el puerto de paso. Un mayor acoplamiento (menos derivaciones) implica una menor pérdida de inserción en la ruta de paso. Un acoplador de 10 dB suele tener una pérdida de paso inferior a 1 dB.

Directividad – Este parámetro mide la capacidad del acoplador para distinguir las señales directas de las reflejadas. Una mayor directividad significa que la salida del puerto acoplado es una señal directa más pura, con menos interferencias debidas a los reflejos.

La gama de acopladores direccionales de MS TELERF abarca una amplia banda que va desde los 698 MHz hasta los 6000 MHz. La serie de bajo PIM puede alcanzar valores inferiores a -161 dBc, con valores de acoplamiento de entre 5 dB y 20 dB. Algunos modelos utilizan conectores 4,3-10, que son más compactos y ofrecen una mayor estabilidad de PIM que los conectores tradicionales de tipo N y 7/16 DIN.

Aplicaciones típicas de los acopladores direccionales:

• Monitorización en tiempo real de la señal de la estación base – Extraer una pequeña muestra de las señales de transmisión de alta potencia para enviarla a un analizador de espectro o a un medidor de potencia con el fin de realizar controles de calidad en tiempo real.
• Distribución de la señal DAS – derivar una parte de la señal principal para alimentar antenas situadas en diferentes plantas o zonas.
• Control de la relación de onda estacionaria (VSWR) – Al supervisar la potencia de salida y la reflejada, se puede calcular la relación de onda estacionaria (VSWR) de la antena para comprobar si el sistema de antena funciona correctamente.
• Gestión de señales multiportadora – Realizar muestreos de potencia y diagnósticos en rutas de señal multibanda combinadas.

Acoplador híbrido: división equitativa de potencia con control de fase

La diferencia fundamental entre un acoplador híbrido y un acoplador direccional es: El divisor híbrido divide la señal a partes iguales (50/50) y mantiene una diferencia de fase fija entre las dos salidas.

Hay dos tipos habituales:

Acoplador híbrido de 90° (híbrido en cuadratura) – Sus dos salidas tienen una diferencia de fase de 90°. Una característica interesante: las señales reflejadas en los puertos de entrada se cancelan internamente, por lo que la relación de onda estacionaria (VSWR) de entrada es excelente. En los sistemas DAS, los hibridos de 90° se utilizan a menudo para combinar dos señales o para distribuir uniformemente una señal a dos salidas. Los acopladores híbridos de MS TELERF se utilizan ampliamente en las instalaciones de DAS.

Acoplador híbrido de 180° (acoplador «rat-race» o «tee mágico») – Sus dos salidas están en fase (0°) o desfasadas (180°). Este tipo es habitual en mezcladores, redes de alimentación de antenas y otras aplicaciones que requieren relaciones de fase específicas.

Características técnicas principales de los acopladores híbridos:

• Equilibrio de amplitud – la diferencia de potencia entre las dos salidas; lo ideal es que sea de 0 dB.
• Equilibrio de fases – si la diferencia de fase es exactamente de 90° o de 180°.
• Aislamiento – el grado de aislamiento entre los dos puertos de entrada; normalmente se requiere un valor superior a 20 dB.
• Pérdida de inserción – Pérdida de potencia a través del dispositivo; en los productos de calidad, esta pérdida es muy baja.

Los acopladores híbridos de MS TELERF utilizan una estructura de línea de banda con dieléctrico de aire, con conductores suspendidos en el interior de cavidades de aluminio mecanizadas con CNC. Este diseño ofrece un PIM extremadamente bajo (hasta -161 dBc) y una elevada capacidad de manejo de potencia. Los acabados superficiales incluyen un recubrimiento de plata o trimetal (bronce blanco) para garantizar una buena conductividad y resistencia a la oxidación.

Aplicaciones típicas de los acopladores híbridos:

• Combinación y distribución de la señal DAS – combinar varias señales o distribuirlas de manera uniforme entre varias antenas dentro de un edificio.
• Combinación de amplificadores de potencia – combinar las señales de salida de dos amplificadores para aumentar la potencia total, manteniendo al mismo tiempo las relaciones de fase.
• Redes de formación de haces de antena – controlar la fase de los elementos individuales de la antena en sistemas con múltiples antenas para la orientación del haz.
• Amplificadores simétricos – Utiliza hibridos de 90° en la entrada y la salida para dividir o combinar la potencia, con el fin de eliminar las reflexiones y mejorar la relación de onda estacionaria (VSWR).

De un vistazo: ¿Para qué sirve cada uno?

Cómo tomar una decisión a la hora de elegir

Si necesitas derivar una pequeña parte de la señal principal para su monitorización – Elige un acoplador direccional. ¿Qué valor de acoplamiento? Depende del nivel que necesite tu monitor. Un analizador de espectro suele requerir una entrada de entre -10 y -20 dBm. Calcula a la inversa a partir de la potencia de la ruta principal para determinar si necesitas 10 dB o 20 dB.

Si necesitas combinar dos señales o dividir una señal en dos vías iguales – Elige un acoplador híbrido. El ángulo de 90° o 180° dependerá de los requisitos de fase de tu sistema. Para la mayoría de las aplicaciones de DAS y de combinación de potencia basta con un ángulo de 90°; sin embargo, los mezcladores y las redes de alimentación de antenas pueden necesitar un ángulo de 180°.

Si necesitas tanto supervisión como distribución de energía – Puede ser de cualquier manera. En primer lugar, piensa en el objetivo principal. Si el objetivo principal es la monitorización, elige un acoplador direccional y conecta tu monitor al puerto acoplado. Si el objetivo principal es la distribución, elige un híbrido y conecta las antenas o los dispositivos de la siguiente etapa a las salidas.

Sobre el PIM – Sea cual sea el tipo que elijas, en aplicaciones 5G y DAS, presta especial atención al PIM. Tanto los acopladores direccionales como los híbridos de MS TELERF pueden alcanzar valores inferiores a -160 dBc o incluso a -161 dBc, lo que cumple con los exigentes requisitos de la mayoría de las estaciones base 5G.

Los acopladores direccionales y los acopladores híbridos comparten el mismo principio básico, pero cumplen funciones diferentes. A la hora de elegir, no te dejes engañar por el hecho de que “ambos tienen cuatro puertos”. Primero pregúntate: ¿necesito “derivar una pequeña parte para observarla” o “dividirla en partes iguales”? Una vez que lo tengas claro, no te equivocarás.

Si tienes alguna duda sobre la selección de acopladores o necesitas especificaciones concretas de los productos e informes de pruebas, no dudes en ponerte en contacto con el equipo técnico de MS TELERF.