microondas - informe n°3

8/12/2019 Microondas - Informe N3

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Departamento de Ingenier a El ectricaFacultad de Ingenier a

Universidad de Concepci onConcepci on, Chile.

Informe N 3Laboratorio De Microondas.

Nombre: Pablo Riquelme J.

Profesor: Vladimir Chtcherbakov.

Ayudante: Francisco Jara, Francisco Poblete.

13 de noviembre de 2013

Ingeniera Civil en Telecomunicaciones


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Indice1. Resumen 1

2. Fundamentos Te oricos 1

3. Desarrollo 43.1. Descripcion Actividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2. Problemas y Observaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.3. Set-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4. Resultados 104.1. Medicion de Directividad y Factor de Acoplamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2. Medicion de Longitud de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.3. Medicion de Alto VSWR. Metodo de los 3 [dB] o Doble Mnimo . . . . . . . . . 114.4. Medicion de Alto VSWR. Metodo Atenuador Calibrado . . . . . . . . . . . . . . 11

5. Preguntas Propuestas 11

6. Conclusi on 12


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Laboratorio de Microondas Informe N 2

1. ResumenEn el siguiente laboratorio se realiza un reconocimiento del equipamiento utilizado en mi-

croondas, reconociendo los diferentes dispositivos activos y pasivos, ademas del funcionamientoy transmisi on de la energa a traves del acoplador direccional para evaluar sus especcacionesde acoplamiento y directividad. As, tambien medir la longitud de onda y el alto VSWR (osimplemente SWR) mediante dos metodos: el metodo de los 3 [dB] y el metodo del atenuadorcalibrado con el n de contrastar ambos metodos.

2. Fundamentos TeoricosEl acoplador direccional es un dispositivo compuesto de dos lneas de transmisi on que hacen

posible la medicion por separado de las dos ondas que viajan en una lnea de transmisi on (ondasincidentes y ondas reejadas). Sus partes las compone un brazo principal y otro brazo auxiliarque est an acoplados electromagneticamente entre s. A continuaci on en la gura 1 se muestra elesquema del acoplador direccional con sus puertos y las direcciones de salida de las potenciasrespecto a la entrada escogida, es decir

(a) (b)

(c)

Figura 1: (a) Conguracion de puertos Acoplador Direccional con s olo una onda hacia adelante, (b)Conguraci on de puertos Acoplador Direccional que invierte s olo la onda presente, (c) Acoplador Di-reccional brazo principal y el brazo auxiliar con sus respectivos puertos.

De la gura 1(c) se aprecia el brazo principal (main arm) compuesto por los puertos 1 y2 y el brazo auxiliar (auxiliary arm) compuesto por los puertos 3 y 4. As tambien las gura1(a) y gura 1(b) son de gran importancia dado que son estas las que se utilizan a la hora derealizar las mediciones de forma fsica para obtener el acoplamiento y directividad del acoplador.En la gura 1(a) muestra la direccion que toma la onda incidente entrando por el puerto 1( P 1)y saliendo por los puertos 2( P 2) y 3(P 3F ). En la gura 1(b) corresponde a la onda reejada,

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que se obtiene al hacer entrar la onda por el puerto 2( P 1). Dicho esto la obtenci on del calculomatem atico la directividad y el acoplamiento se denen de la siguiente manera

Acoplamiento [dB ] = 10 log P 1P 3F

; Directividad [dB ] = 10 logP 3F P 3R

En donde la Directividad es denida como una medida de la separaci on entre la onda inci-dente y la reejada, en cambio el Acoplamiento se denota al dispositivo o metodo que tiene porobjetivo transferir energa, en nuestro caso el PM 7241X es un acoplador de alta directividad(aprox. uno 10 [dB]).

Entonces, para la medicion de longitud de onda y medici on de alto VSWR con los metodosde los 3dB y el atenuador calibrado es necesario conocer los aspectos teoricos fundamentales enque se basan.Es decir, una lnea de transmisi on (gua de onda) las ondas el campo electromagnetico origi-nado desde una fuente de energa se propaga en ambas direcciones. Estas ondas propagadasvan desde el generador o fuente hacia la carga o viceversa. A las ondas que van del generadora la carga se les llama ondas incidentes 2 a las que van desde la carga al generador ondasreejadas. Toda gua de onda o lnea de transmisi on con perdidas la onda incidente y reejadase aten uan. Es decir si la lnea fuera de largo innito y uniforme no habra onda reejada o sila impedancia de carga fuera igual a la impedancia de la lnea de transmisi on de largo nito.Al estar viajando estas dos ondas en la lnea producen lo que se conoce como ondas estacio-narias??. La m axima intensidad de campo de las ondas se encuentra cuando las dos ondas sesuman en fase y su mnimo se encontrara donde las dos ondas se suman estando en fases opuesta.

A continuaci on en la gura 2, se muestran los patrones de voltaje de onda independientes para

distintas impedancias de carga, como

Figura 2: Ondas estacionarias en una lnea sin perdidas (dos gr acos superiores) y con perdidas(dos gracos inferiores).[3]

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En la Figura 2 se muestra que la mitad de la longitud de onda de la lnea de transmisi oncorresponde a la distancia entre dos mnimos o m aximos sucesivos. Existe una relaci on entre loscampos electricos de la onda reejada e incidente la cual se denomina coeciente de voltaje dereexion , siendo este un vector, el cual indica que la fase cambia a lo largo de la lnea detransmisi on . Si la lnea presenta perdidas, la amplitud de variara con la posici on de la lnea.La relacion o tasa de ondas estacionarias (ab.brev:. VSWR o simplemente SWR) en una lneade transmisi on se dene como la relacion entre la m axima y la mnima intensidad de campo alo largo de la lnea. De acuerdo con la gura 3 se puede demostrar que

= E rE i

= Z Z 0Z + Z 0

En donde E r y E i corresponde a las intensidades de campo electrico de las ondas reejadase incidentes respectivamente. Ademas Z( Z L en la gura 2) y Z 0 son las impedancias de carga yde la lnea respectivamente.

Figura 3: Onda estacionaria en una lnea de transmisi on.

Donde Z es la impedancia de una lnea de carga, es decir siguiendo a la gura 3 se tiene que

L = Z L Z 0Z L + Z 0

= E maxE min

= |E i | + |E r ||E i | | E r |

Asi, se tiene que | L | es igual a

| L | = S 1S + 1

Donde se pueden lograr dos casos en la carga de la lnea , es decir

Ajuste Perfecto: | L | = 0, lo que implica que S = 1

Desajuste Perfecto: | L | = 1, lo que implica que S =

Para la actividad de la medicion de la longitud de onda es imprescindible conocer la relaci onmatem atica, la cual es denida como

g = 2(d2 d1) (1)

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Donde los parametros d1 y d2 corresponden a las mediciones de mnimos o m aximos de la lon-gitud de onda dentro de la gua de onda.

Para la actividad de medicion de alto VSWR con el metodo de los 3dB es necesario conocer laformula para obtener el VSWR (o SWR). Esta ecuaci on es descrita como

V S W R = 1 + 1sin (d2 d1 ) g (2)Donde el par ametro g corresponde a la longitud de onda de la gua de onda, y d1 y d2 corres-ponden a las mediciones de mnimos o m aximos de la longitud de onda dentro de la gua de onda.

La diferencia en la conguraci on de atenuador ( A2 A1)en [dB] se obtiene el ROE=S, sien-do equivalente a

S = g

(d1 d2) (3)

Notar que la (3), se relaciona con la diferencia en la conguracion del atenuador con S, de lasiguiente forma

A2 A1 = 20 log S = S = 10( A 2 A 1 )

20

Luego, la actividad de la medici on de alto VSWR con el metodo del atenuador calibrado esnecesario conocer la ecuacion para obtener el SWR, la cual es descrita de la siguiente forma

V S W R = A 2[dB ] A1[dB ] (4)

3. Desarrollo

3.1. Descripci on ActividadSi bien es cierto la experiencia se divida a grandes rasgos en tres partes en donde se realiza-

ron ciertas variaciones agregando instrumentos y realizando comparaciones.

En la primera parte, es decir en la Medicion de Directividad y Factor de Acoplamiento,se realiza el armado de Setup mostrado en la Figura 12, entonces se ja el atenuador de asparotatoria en 0 [dB]. Posteriormente, se ajust o la perilla del oscilador Gunn a una frecuencia de 9[GHz], encendiendose luego la fuente Gunn con un voltaje de 8.52 [V] y con modulaci on. Luego,se obtuvo una medicion de referencia. Se continu o con el ajuste en el SWR Meter (medidorde ROE) a una potencia de 3 [dB] en la escala inferior, mediante el movimiento de las perillasdel equipo. Luego se desconecto el acoplador direccional del atenuador de aspa rotatoria y seconecto en la salida del atenuador el detector, aumentando la atenuaci on hasta jar la lecturade 3 [dB] en el medidor de SWR. El valor observado en el atenuador se registra en la tabla (2)el cual corresponde al Acoplamiento. Posteriormente, se posiciona el acoplador direccional ensentido inverso, realiz andose lo mismo anteriormente descrito.

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A continuaci on en la Medicion de Longitud de onda, se procede a montar el Setup de laFigura 13 . Posteriormente, se ajust o el atenuador variable a una atenuaci on de 20 [dB]. Luego,se dejo la profundidad del detector de ROE a su m aximo de profundidad. Se selecciona el bot ondel medidor de ROE en 30 [dB] y dejando la ganancia del mismo en posicion central, encendiendoposteriormente el instrumento. Luego con el detector de ROE, tomando el carro de la sonda, sedesplaza este hasta encontrar un mnimo, esto es el punto m aximo de desviacion en el medidorde ROE y se registra el valor obtenido en la lectura del detector de ROE. Luego, de la misma ma-nera se sigue avanzando en direcci on hacia la fuente generadora y se registro el siguiente mnimo.

Finalmente, en la Medicion de alto VSWR, Metodo de los 3 [dB] o Doble Mnimo, se montael Setup de la Figura 14 y realiza la medici on de frecuencias con diferentes instrumentos, conel contador de frecuencia con el n de contrastar la precision del instrumento. El procedimientorealizado consisti o en acoplar el medidor de frecuencia HP. Luego, se utiliza el adaptador gua deonda a coaxial a la gua de onda y desde el terminal N del adaptador se utiliz o el cable coaxialcaracterizado anteriormente para unir el adaptador de gua al Power Meter. se observ o el PowerMeter con atenci on prestando mayor cuidado en el instante donde ocurri o la maxima disminu-

cion de potencia se observ o el medidor de frecuencia HP donde la lectura se encuentra entre laslneas rojas y que cruza la lnea vertical del medidor, previamente descrito su funcionamiento yutilizaci on, luego, se visualiza la misma frecuencia medida con el instrumento anterior.

3.2. Problemas y ObservacionesEn el transcurso de las actividades los diversos problemas que surgieron y observaciones, son

las siguientes

En la primera actividad ocurri o un problema similar al de laboratorios anteriores. Dadala antig uedad de los equipos y de tratarse de sistemas an alogos, estos presentaban ciertasvariaciones en los resultados al repetir la experiencia con el n de asegurar que los resulta-dos sean correctos. Un caso particular, al tratar de ajustar en 3 [dB] el medidor de ROE,donde la aguja tenda a moverse sin razones aparentes.

En la segunda actividad, se presento un problema. Este fue la precisi on manual que habaque tener a la hora de desplazar la sonda a lo largo de la lnea buscando los dos mnimossin que se diera un falso o se perdiera, al pasar por el sin percatarse en el medidor de ROE.

En la ultima actividad se demoro bastante tiempo el desacoplar los dispositivos y montarel nuevo setup.

3.3. Set-UpEl Set-Up utilizado en cada actividad se encuentra en la Figura 12, Figura 13 y Figura 14

respectivamente, as entonces el equipamiento (todas sus partes) utilizado durante el transcursode la experiencia, es mostrado a continuacion:

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(a) (b)

Figura 7: (a) Fuente de Poder Gunn PM7813, (b) Medidor de frecuencia HP.

(a) (b)

Figura 8: (a) Acoplador Direccional PM 7241X, (b) Detector.

(a) (b)

Figura 9: (a) Carga Adaptado PM 7220X , (b) Atenuador de Aspa rotatoria PM7101X.

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(a) (b)

Figura 10: (a) Perturbador PM 7151X, (b) Detector de Onda Ranurada PP 4380X.

Figura 11: Terminacion PM 7220X.

Figura 12: Setup utilizado en el laboratorio para la actividad de Medici on de Directividad yFactor de Acoplamiento.

Figura 13: Setup utilizado en el laboratorio para la actividad de Medici on de Longitud de onda.

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Figura 14: Setup utilizado en el laboratorio para la actividad de Medici on de alto VSWR, Metodode los 3 [dB].

A continuaci on en la Tabla 1 se muetran las especicaciones tecnicas de equipos utilizadosen la experiencia de laboratorio

Tabla 1: Especicaciones Tecnicas de EquiposNombre equipo Modelo CantidadOscilador Gunn PM 7015X 1

Aislador de Ferrita PP 4422X 1Modulador PIN PM 7026X/01 1Gua de Onda PP 4020X/10 2

Soporte PP 4000X 2Atenuador Aspa Rotatoria PM 7101X 1

Acoplador direccional PM 7241X 1Fuente Gunn PM 7815 1

Detector X424A 1Medidor SWR PM 7832 1Medidor ROE PP 4380X 1

Terminacion PM 7220X 1

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4. Resultados

4.1. Medici on de Directividad y Factor de AcoplamientoA continuaci on se presentan la Tabla 2 donde se muestra los datos obtenidos en la primera

actividad realizada en la experiencia de laboratorio.

Tabla 2: Registro de valores de Acoplamiento y directividad para cada frecuenciaFrecuencia [GHz] Acoplamiento [dB] Directividad [dB]

9 21 12.810.5 9.85 13.6

Notar que de los datos de la Tabla 2, en la medici on de directividad se encuentran a la mismaescala de 30 [dB] en el medidor de SWR, en cambio la medicion de Acoplamiento solo en dato auna frecuencia de 9 [Ghz] se encuentra a la misma escala que la directividad, es decir el dato deAcoplamiento a una frecuencia de 10.5 [Ghz] se encuentra a una escala de 20 [dB] en el SWR.

Ademas la directividad se mide posicionando en forma inversa el acoplador direccional. Porlo tanto los resultados obtenidos en el valor de directividad y acoplamiento varan considerable-mente a la frecuencia utilizada, por sobre el valor asignado al acoplamiento, es decir que porvalores tecnicos se sabe que el acoplamiento sera cercano a los 10 [dB], los cuales se obtienena un frecuencia de 10.5 [Ghz] de forma aproximada y la directividad se basa en torno a los 40[dB].Por conclusi on al realizar el an alisis de los datos en la Tabla 2 y considerando lo planteadoanteriormente se deduce que los datos son bajos al compararlos con lo de la especicacionestecnicas.

4.2. Medici on de Longitud de OndaEn la Tabla 3 se muestran los valores mnimos obtenidos al jar la frecuencia del oscilador

Gunn en 9 [GHz] de la siguiente forma

Tabla 3: Valores MnimosMnimo Magnitud [mm])

d1 108d2 82.1

Con la obtenci on de estos datos, es posible calcular la longitud aplicando la ecuacion (1), esdecir

g = 2(108 82,1) = g = 51 ,8[mm ]

Al analizar de mejor manera el dato de la longitud de onda, es de extra nar que el valor de gresulte tan alto, para evitar este problema se tubo que calcular la distancia entre los m aximos,ya que por lo visto en teora se encuentran a la misma distancia que los mnimos.

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4.3. Medici on de Alto VSWR. Metodo de los 3 [dB] o Doble MnimoSi bien en esta etapa se calcula el VSWR con el dato de g obtenido en la actividad anterior,

como se teme que este no sea el correcto se utiliza el g calculado en la guia de onda, es decir

0 = cf y g =

0

1 0 cDonde por lo visto en el laboratorio anterior c = 2a , con a valor conocido por los datos de

la guia de onda, se obtiene nalmente que 0 = 33 [mm] y c = 51 ,8 [mm] lo que resulta en elvalor de g = 42,8 [mm].

Una vez obtenido este resultado se remplazan los datos en la ecuaci on (2), resultando unvalor del VSWR=1.45

4.4. Medici on de Alto VSWR. Metodo Atenuador CalibradoEn esta tipo de medicion se calcula la atenuaci on obtenida atreves de la aspa rotatoria y

se emplea la ecuacion (4), considerando como valores a utilizar los siguientes A2 = 6 , 9[dB] yA1 = 4 , 7 [dB] se obtiene que el valor de ROE de la siguiente magnitud

S = 106 , 9 4 , 7

20 = S = 1 , 28

Si se realiza la comparacion, este metodo es el que presenta un menor ROE, adem as tampocoes posible decir que hay un ROE cercano debido a que es un coeciente no lineal.

5. Preguntas Propuestas1. C omo funciona el detector de lnea ranurada?.

El detector de lnea ranurada, es un dispositivo que consta de una secci on de gua de ondaranurada y una punta de prueba que es sintonizable, la cual se desplaza a lo largo de laranura. La potencia extrada es recticada por un cristal del tipo 1N31 [1].Su funcionamiento radica principalmente en que el carro compuesto por una sonda, estaacoplado a la gua de onda el cual contiene la sonda y un detector conformado por undiodo que al desplazarse por la gua la sonda transere la energa de la onda a la sondapasando nalmente al detector y este al medidor de SWR. Adem as depende desde quepunto de la onda se encuentra la sonda la energa resulta mnima o es m axima. La sondatiene una profundidad ajustable y su posici on esta dada por una lectura milimetrica a uncostado que facilita su uso.

2. Describa los usos pasados o actuales de una acoplador direccional.

Uno de los usos de los acopladores direccionales es en el area militar. Estos estan especial-mente dise nados para aplicaciones de alta potencia. Otra aplicaci on es el de monitoreo demedicion de potencia, al tener la salida acoplada al acoplador direccional esta puede ser



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usada para monitorear la frecuencia y el nivel de potencia de la se nal sin interrumpir elujo de potencia principal del sistema.[4]

3. Cual de los metodos realizados es mejor?Por que?.

Considerando los datos obtenidos en cada actividad y adem as se saber que un ROE demayor magnitud implica una raz on de la onda reeja y onda incidente es menor que en elcaso del Metodo del Atenuador Calibrado da casualidad que se cumple, pero resulta m asconable debido a que alcanzar el maximo y mnimo adaptando los campos, hasta alcanzarun punto adecuado para realizar la medici on y as resulte de valor de mayor precision ypor lo mismo mas seguro.

6. Conclusi onAl analizar los datos obtenidos y los resultados que se consiguieron , se espera que hayanocurrido algunos errores de medici on dado que al contrastar el resultado de la medici onde alto VSWR por el metodo de 3dB con el metodo del atenuador calibrado hay muchadiferencia en valor y es esperable que los resultados de estos al menos sean cercanos.

Un posible error podra haber acoplado mal un instrumento o haber medidor un mnimoaparente cuando este lo no era. Este mal resultado no hace dudar de la efectividad paramedir la longitud de onda dentro de la gua ni tampoco el excelente uso del acopladordireccional que divide las ondas de excelente manera.

Otro factor a no despreciar es la antiguedad y poca exactitud de los dispositivos analogosutilizados en el laboratorio que podran haber afectado las mediciones de manera signi-cativa.

Referencias[1] Gua de Laboratorio 0 Introduccion a Dispositivos Microondas e Instrumentos.

[2] Gua de Laboratorio 2 Estudio del Oscilador Gunn.

[3] Gua de Laboratorio 3 Mediciones de SWR, Acoplador Direccional y Medidas de Reexion.

[4] Aplicaciones de Acoplador Direccional, www.minicircuits.com/app/COUP7-2.pdf

[5] Acoplador Direccional, http://es.wikipedia.org/wiki/Acopladodirecciona

http://www.minicircuits.com/app/COUP7-2.pdfhttp://es.wikipedia.org/wiki/Acoplado%20direccionahttp://es.wikipedia.org/wiki/Acoplado%20direccionahttp://www.minicircuits.com/app/COUP7-2.pdf


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A. AnexoLos distintos par ametro no mencionados en el Setup , se muestran a continuacion, es decir

Especicaciones Oscilador Gunn PM7015

Especicaciones Tecnicas Fuente de Poder Gunn PM7813

Especicaciones Tecnicas Aislador de Ferrita PM 7045X



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Especicaciones Tecnicas Atenuador de Aspa Rotatoria

Especicaciones Tecnicas modulador PIN

Especicaciones Adaptador Coaxial PM7325X

microondas - informe n°3

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