Acoplador de antenas tipo L

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Es quizás una de las redes adaptadoras de impedancias mas utilizadas. Se llama así porque los dos componentes que utiliza se disponen de tal forma que parecen una letra "L". Existen 8 combinaciones diferentes de redes L, según se utilicen capacitores y/o inductores. Cada combinación permite adaptar impedancias con distintas características de ancho de banda, rango de adaptación, Q, valores de C y L, etc. La siguiente tabla (ARRL Handbook 2010) muestra estas combinaciones y sus rangos de adaptación. "Zdev" es la impedancia que presenta el sistema a ser adaptado, lease por ejemplo, la impedancia de entrada o salida de un transistor, o la impedancia de alimentación de una antena. "Zo" es el valor de la impedancia característica del sistema, en general 50 ohm. Sin embargo si se toma Zdev y Zo como valores cualquieras se los puede tomar como impedancia de origen y destino, por ejemplo para adaptar la salida de un transistor a la entrada de otro.

Se utiliza un grafico de Smith simplificado donde la porcion blanca corresponde al rango de impedancias que se pueden adaptar a Zo, que es la impedancia característica. La porción gris indica los valores de impedancia Zdev que la red no puede adaptar a Zo. Esto muestra que una sola combinación LC no puede adaptar todas las impedancias posibles a Zo. Se puede elegir una combinación como la "A" y utilizarla de forma reversa, como "C" para adapatar todos los valores posibles de Zdev. Las redes L son redes pasivas bilaterales, es decir, que adaptan de Zdev a Zo y viceversa.

Desde un punto de vista teórico, las redes L se pueden diseñar con cualquiera de las combinaciones que puedan adaptar las impedancias dadas, sin embargo, se suele preferir aquellas combinaciones que funcionen como filtros pasa bajos, de tal forma de atenuar armónicos y cumplir doble función. Un ejemplo es en el gráfico superior la combinación "C". Las circunstancias particulares determinaran si este es el caso o no.

El diseño de una red adaptadora L es sencillo. Los componentes de la red pueden ser de valor fijo o variables, dependiendo la necesidad. En la práctica aunque sea uno de los dos debe ser variable para lograr un ajuste preciso. Otro caso es el de un acoplador de antenas, donde ambos deben ser variables ya que la impedancia de la antena en general no se conoce con precisión y varía según la frecuencia, lugar y condiciones de contorno.

Proceso de diseño con ejemplo: Adaptar una antena con impedancia de (120+j0) ohm a una línea de TX de (50 +j0) ohm, frecuencia de 7 MHz.

En este caso Zdev=120 ohm y Zo= 50 ohm.

Elegimos la configuración más adecuada. Como Zdev>Zo elegimos la configuración "A". La rama serie (inductor en este caso) se conecta a la impedancia más baja, y la rama paralelo (capacitor en este caso) se conecta a la impedancia mas alta.

Calculamos el valor del Q del circuito:

donde Rp es el valor de impedancia de la rama paralela o sea, 120 ohm y Rs es el valor de impedancia de la rama serie o sea 50 ohm. Entonces Q= 1.18.

Luego calculamos el valor de la impedancia serie de la red L, en este caso el valor de reactancia del inductor:

donde Q=1.18 y Rs=50 ohm. Lo que nos da Xs=59.1 ohm.

Calculamos el valor de la impedancia paralela de la red L, en este ejemplo, el valor de reactancia del capacitor:

donde Rp=120 ohm y Q=1.18. Lo que nos da Xp=101.7 ohm.

Finalmente obtenemos el valor de inductancia y capacidad para la frecuencia de operación elegida, en este caso f=7MHz.

Donde Xc=Xp y XL=Xs en nuestro ejemplo. Quedándonos: C=223 pF y L=1.34 uH.

Finalmente utilizando tablas o fórmulas que figuran en los Handbook o libros de RF diseñamos la bobina.

La red adaptadora nos queda de la siguiente manera:

Para fabricar la red se deben utilizar componentes adecuados para minimizar las pérdidas en la misma. Podemos hacer una simulación en RFSim99 para comprobar el diseño y ver la respuesta en frecuencia.

En un barrido de 1 a 30 MHz, se observa que la red presenta pérdidas insignificantes a la frecuencia de diseño (curva roja) y una buena adaptación entre ambas impedancias (curva azul), con un valor de S11=-44dB, que equivale a una ROE de 1.01:1. Podemos decir que el diseño es satisfactorio.

Como dijimos, para acoplar una antena de impedancia desconocida, se deben emplear elementos variables en la red capaces de soportar las tensiones y corrientes que se suceden a la potencia máxima de diseño. La siguiente figura ilustra el esquema eléctrico de un acoplador de antenas tipo L, donde siempre el lado del capacitor paralelo debe conectarse a la impedancia más alta de las dos en juego. 

Soft de IW2MXD para calculo de redes L:  http://sourceforge.net/projects/ltuner/