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MicroondasTRANSCRIPT
UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA ESCUELA DE ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES
MICROONDAS
Integrantes: Darwin Lapo Franklin Lapo
Tema: Diseño y simulación de dispositivos pasivos de Microondas en AWR Design Environment.
1. Objetivos
Objetivos General
Diseño y simulación de un atenuador de potencia a 10dB, línea de transmisión coaxial y un acoplador Hibrido de Cuadratura 90° para el canal 10 de la banda de frecuencia de 2.4GHz
Objetivos Específicos
Caracterizar e identificar un atenuador, línea coaxial, y un divisor Hibrido de Cuadratura 90° a partir de su matriz de dispersión “S”.
Determinar los parámetros S de cada uno de los circuitos a simular. Simular dos tipos de atenuadores en T y en Pi.
Analizar los resultados obtenidos de la simulación en AWR Design
Environment.
2. Marco Teórico
2.1. Atenuador de Potencia
2.1.1. Definición
Es un dispositivo pasivo capaz de bajar el nivel de señal de la
potencia que pasa a través de él mediante la absorción parcial de
la onda de la señal transmitida [1].
Un atenuador se caracteriza por ser una red pasiva, con pérdidas,
recíproca y simétrica.
Configuraciones
Existen configuraciones de red en T y en las mismas que se
pueden observar en la figura 1.
Figure 1. Configuraciones de un atenuador. (a) Red en T, (b) Red en pi.
2.1.2. Matriz de dispersión [2]
Figure 2. Matriz de dispersión S. [3]
[ ] [
]
Pasiva:
Se conserva la adaptación de la red: =>
Reciprocidad:
Simétrica: y
2.1.3. Aplicaciones
En general los atenuadores se emplean fundamentalmente para
reducir la potencia de señal que se propaga por un sistema de
transmisión.
Mencionaremos algunas aplicaciones:
Instrumentos de medición y aparatos eléctricos (televisiones
y radios).
En los sistemas de microondas, en algunos casos, los
atenuadores requieren un control automático de ganancia
para la recepción y transmisión de señales. [4]
Evitan fluctuaciones en la señal de salida de un generador
cuando en el sistema hay ondas reflejadas o bien
simplemente para reducir las reflexiones de una carga
fuertemente desacoplada en amplios márgenes de
frecuencia [5].
En mezcladores de RF en donde el procesado de señal se lo
realiza en el nivel intermedio de frecuencia. En la frecuencia
intermedia la señal no exceder cierto umbral sino se
producirán mezclas espurias.
2.2. Línea de Transmisión Coaxial
2.2.1. Definición
Es una línea de transmisión usada para llevar información o energía de un punto a otro a altas frecuencias, posee dos conductores concéntricos, uno central, encargado de llevar la información, y uno exterior llamado malla, blindaje o trenza, que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes.
Figure 3. Línea de Transmisión coaxial. [6]
2.2.2. Características El modo dominante de propagación en el coaxial es el TEM , sus características se las obtiene a través del análisis de campos y se las resume en la tabla 1. [7]
Tabla 1. Características de una línea de transmisión coaxial. [8]
Donde a y b representan los radios internos y externos del conductor respectivamente.
2.3. Acoplador Hibrido de Cuadratura 90°
2.3.1. Definición
Es una red de cuatro puertos que divide la señal de entrada del
puerto 1 en partes iguales en la salida de los puertos 2 y 3 con un
desfase de 90° y 3dB menos de potencia. El acoplador Hibrido de
Cuadratura 90° se caracteriza por ser una red recíproca, sin
perdidas y completamente adaptada. [9]
Figure 4. Hibrido de Cuadratura 90°. [10]
2.3.2. Matriz de Dispersión [11]
Para obtener la matriz de dispersión S debemos considerara un análisis en modo par e impar. Partimos del diagrama del circuito en forma normalizada
Figure 5. Diagrama del circuito acoplador hibrido en forma normalizada [12]
Se considera que cada línea representa una línea de transmisión con Z0=1 y la amplitud de la onda incidente en el puerto 1 es A1=1. Para los modos par e impar tenemos
Figure 6. Descomposición del acoplador hibrido 90° de cuadratura en modo de excitación par e impar.[13]
Debido a que las amplitudes de las ondas incidentes para estos dos puertos son ± 1/2 , las amplitudes de la onda emergente en cada puerto de la rama híbrido de línea se pueden expresar como:
Donde son los coeficientes de reflexión y transmisión de la red de dos puertos de la figura 2. Para el cálculo de los modos
multiplicamos las matrices ABCD de cada componente en cascada del circuito y esto tendremos:
Convertimos los parámetros ABCD a parámetros S donde los coeficientes de transmisión y reflexión son:
Del mismo modo, para el modo impar se obtiene
Quedándonos los coeficiente de transmisión y reflexión
Finalmente determinamos:
√
√
2.3.3. Funcionamiento [14]
La potencia de entrada en el puerto 1 se divide por igual entre los puertos 2 y 3 con un desfase de 90°, ninguna potencia se acopla al puerto 4(puerto aislado), y su matriz S está dada por:
Al analizar la matriz de dispersión podemos darnos cuenta que es una red simétrica donde cualquier puerto puede ser utilizado como de entrada, y el puerto aislado será el puerto restante en el mismo lado que el puerto de entrada.
3. Diseño
3.1. Atenuador en T y en pi
Consideraciones
Dado que tenemos el nivel de atenuación 10dB, para determinar los
valores de las resistencias debemos expresar el nivel de atenuación en
términos de los parámetros S.
El cuadrado de repesenta la ganancia de circuito
Las perdidas por atenuacion es el inverso de la ganancia del circuito:
(
)
( )
( )
Cálculo para Atenuador en T
Partimos de las pérdidas de atenuacion
( )
(
)
El atenuador tiene las siguientes caracteristicas:
Como se conoce L(dB) y Zin despejamos Rs:
(
)
⁄ (
)
Despejando Rs
⁄
⁄
Reemplzando valores:
⁄
⁄
}
Reemplzando valores:
Reemplzando valores
L(dB) Zin Rs Rp S21
10 50 25,975 35,136 0,316
Asi la matriz de dispersion queda de la siguiente forma:
[ ] [
]
Figure 7. Diseño de Atenuador en T a 10dB en AWR Desing Environment.
Cálculo para Atenuador en
El atenuador tiene las siguientes caracteristicas:
⁄
⁄
Reemplazando valores
⁄
⁄
Reemplazando valores
L(dB) Zin Rs Rp S21
10 50 0,316
Así la matriz de dispersión queda de la misma forma que en la configuración tipo T siguiente forma:
[ ] [
]
Figure 8. Diseño de Atenuador en pi a 10dB en AWR Desing Environment
3.2. Línea de Transmisión Coaxial
Consideramos los siguientes parámetros para nuestro diseño:
, frecuencia de operación. , longitud de la línea de transmisión.
Tabla 2. Valores de características de cables coaxiales.[15]
Figure 9. Línea de transmisión de cable coaxial en AWR
3.3. Acoplador Hibrido de Cuadratura 90° [16]
Para el diseño de un acoplador Hibrido de Cuadratura 90° lo podemos hacer en microcintas, para lo debemos elegir el sustrato con el cual vamos a trabajar, así obteniendo nuestra permitividad relativa y grosor y que nos servirá para el cálculo del largo y ancho de la microcinta.
Figure 10. Línea de transmisión de microcinta. [17]
Trabajamos con un sustrato de fibra de vidrio con lo cual su
permitividad relativa es y , de este modo determinaremos la constante B o A que nos servirá para encontrar el ancho y largo de la microcinta
√
√
(
)
La constante dieléctrica efectiva
√
Para el cálculo del ancho de la microcinta
Para la longitud de la microcinta
⁄
√
Donde
Ya con las formulas antes descritas procederemos a calcular el valor del ancho y largo de la microcinta teniendo en cuenta la permitividad
relativa , , √ ⁄ y la frecuencia de
2.457GHz. En la tabla 1 se muestran los valores calculados W y L de la microcinta respectivamente. .
Parametros Valores a f=2.5 GHz
W1(mm) 2.87
W2(mm) 4.9
L1(mm) 16.73
L2(mm) 16.36
k0 51.45
3.33
3.48
Table 1. Valores calculados del largo y ancho de la Microcinta para el branch-line
Finalmente armaremos nuestro circuito acoplador hibrido de
cuadratura 90° en AWR Design Environment para su posterior
simulación.
Figure 11. Diseño de un acoplador Hibrido de Cuadratura 90°
4. Análisis y Resultados
4.1. Atenuador
Figure 12. Atenuador en T a 10Db
La figura 12 muestra una perfecta atenuación de 10dB en el puerto de
salida “S(2,1)” además podemos decir que este tipo de dispositivos no
dependen de la frecuencia de operación puesto que se basan
elementos resistivos.
Figure 13. Atenuador en pi a 10dB
Al igual que el atenuador en configuración en T se puede observar que
en la configuración en Pi poseen el mismo desempeño.
4.2. Coaxial
Figure 14. Parámetros de dispersión de Línea de transmisión de cable coaxial
4.3. Hibrido de Cuadratura 90°
Figure 15.Parámetros de dispersión, magnitudes vs la frecuencia para el acoplador branch-line
En la figura 15 podemos observar que a -3.091dB la potencia de
entrada en el puerto 1 se va a dividir equitativamente en los puertos de
salida 2 y 3 que en la graficas están representadas con “S(1,2)” y
“S(1,3)”. También tendremos un perfecto aislamiento en el puerto 4
“S(1,4)” representado en la gráfica de -45.59dB, y no habrá perdidas
por retorno en el puerto 1 “S(1,1)” en la frecuencia de 2.457GHz que
corresponde al canal 10 de la banda de 2.4GHz.
5. CONCLUSIONES
Un atenuador basado en elementos resistivos se caracteriza por ser
una red recíproca, pasiva, con pérdidas y no depende de la frecuencia
en la que se trabaje.
El desempeño de un atenuador en configuraciones T y es el mismo
así pues la matriz de dispersión S para cada configuración son las
mismas.
El empleo de los atenuadores se lo puede utilizar para evitar
fluctuación de una señal de salida de un generador cuando en el
sistema hay ondas reflejadas.
Un acoplador Hibrido de Cuadratura 90° se caracteriza por ser una red
recíproca, sin perdidas y completamente adaptada
El acoplador Hibrido de Cuadratura 90° divide la potencia de entrada
inyectada en el puerto1 en partes iguales en los puertos de salida 2 y
3.
Para el diseño del acoplador Hibrido de Cuadratura 90° con microcintas se necesita conocer los parámetros del sustrato y grosor del material en cual lo vamos a implementar.
6. REFERENCIAS
[1] Microwave Engineering, Annapuma Das, Sisir K Das, Second Edition, página
174.
[2] [3] Circuitos de Microondas con Líneas de Transmisión, Javier Bará Temes,
Edicions UPC, 1994 Primera Edición, página 163.
[4] Atenuadores Resistivos Fijos, Alberto de la Rúa López. Disponible en línea
http://agamenon.tsc.uah.es/Asignaturas/it/caf/apuntes/Trabajos.pdf
[5] Ingeniería de microondas: técnicas experimentales, José Miguel Miranda
Pantoja, Pearson Educación 2001. Página 133.
[6] Cable coaxial [En línea]. Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/Coaxial_cable.
[7][8] Inder Balh and Prakash Bhartia. Microwave Solid State Circuit Design, Second
Edition, página 29.
[9][10][11][12][13][14] David M. Pozar(2005). Microwave Engineering. Third edition.
Pagina 333-335
[15]Características de cables coaxial[En linea]. Disponible en:
http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Tabla-cable-coaxial.php
[16][17]David M. Pozar(2005). Microwave Engineering. Third edition. Paginas 143-
146