transmisores y receptores de rf

Transmisión y PropagaciónTransmisión y Propagación

Estructura de los transmisores y Receptores de RF

M. Sc. Ebert San Román

13/04/232

IntroducciónIntroducciónCONCEPTOS GENERALES: Sistemas de transmisión: Medio o vía de transmisión que enlaza el generador con el receptor.

- Tipos de sistemas de transmisión:a) Abiertos: la energía electromagnética se propaga sin estar confinada por medios

conductores o dieléctricos.b) Cerrados: confinan las ondas electromagnéticas en un espacio reducido limitado

generalmente por conductores. Ejemplos: CABLE COAXIAL, GUIAS DE ONDA METÁLICASc) Semicerrados: Las ondas se propagan guiadas por conductores o dieléctricos, o ambos sin

quedar totalmente confinadas. Ejemplos: LíNEA BIFILAR, BIPLACA, STRIPLINE, MICROSTRIP, GUIAS SUPERFICIALES

1. Tema 1 Mg. Ebert San Román Castillo

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ContenidosContenidos

1. Líneas de Transmisión2. Transmisores3. Receptores4. Transceptores

Mg. Ebert San Román Castillo

13/04/234

Introducción a la electrónica de comunicacionesIntroducción a la electrónica de comunicaciones

• Transmisión de la SeñalTransmisión de la Señal

Sistemas deComunicaciones

Por Radio

En banda base

Sobre portadora

Por Línea

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Características y definiciones en altas frecuencias.Características y definiciones en altas frecuencias.1. Tema 1 Mg. Ebert San Román Castillo

Desfase de 360º

Desfase de 72º

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Líneas de transmisiónLíneas de transmisión

LÍNEAS DE TRANSMISIÓN: Toda estructura capaz de propagar modos TEM Existen DOS o MÁS

conductores. En general, se emplean a frecuencias hasta el rango de las microondas. Para la región intermedia del rango de las microondas y para aplicaciones a

corta distancia a frecuencias mayores se usan cables coaxiales (TV UHF y TV por cable).

En la actualidad se usan cables coaxiales hasta 30 GHz. Para interconectar componentes internos se usan striplines y microstrip.

GUÍAS DE ONDA: Medios de transmisión formados por un solo conductor hueco por cuyo

interior se propaga la energía electromagnética. Se emplean a frecuencias altas: 3 a 300 GHz.


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Modelo circuitalModelo circuitalRepresentación circuital de las líneas de transmisión Una propiedad única de las líneas de transmisión es la posibilidad de modelarlas

como una red de parámetros distribuidos y resolver las ondas de voltaje y de corriente que se propagan a lo largo de dicha red.


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Modelo circuitalModelo circuital


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Modelo circuitalModelo circuitalParámetros primarios Esta en función de la geometría de la línea, las propiedades eléctricas de los

materiales y la frecuencia (efecto pelicular).

R: Resistencia por unidad de longitud. -Rp: pérdidas óhmicas debidas a la conductividad finita de los conductores. -Rr: pérdidas por radiación. Aparece cuando λ se hace comparable a la

separación de los conductores. • L:Inductancia equivalente por unidad de longitud.

-Le: Inductancia exterior. -Li: Inductancia interior. Sólo se tiene en cuenta cuando los conductores no

son perfectos. En ese caso: L = Le + Li.


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Parámetros primarios C: Capacidad por unidad de longitud.

Debida la existencia de dos conductores separados por un dieléctrico. Almacenamiento de energía eléctrica.

G: Conductancia por unidad de longitud. Si el dieléctrico no es perfecto, existen corrientes de fuga entre ambos

conductores. Si la tensión que soporta el dieléctrico es mayor que la de ruptura, se

produce la perforación del dieléctrico estableciendo contacto entre ambos conductores.

Determina la máxima potencia de pico que puede transmitirse


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Leyes de Kirchhoff:

Ecuaciones de la línea de transmisión con pérdidas

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Modelo circuitalModelo circuitalEcuaciones de la línea de transmisión: ondas de tensión y corriente

Teniendo en cuenta las expresiones:


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Impedancia de Redes Impedancia de Redes Mg. Ebert San Román Castillo

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Modelo circuitalModelo circuitalLínea de transmisión ideal


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Ecuaciones de la línea de transmisión: ondas de tensión y corriente

Soluciones de los fasores:

Signo ‘-γ z’: ondas que se propagan en el sentido de incremento de z (ondas incidentes o progresivas).

Signo ‘+γ z’: ondas que se propagan en el sentido de decremento de z (ondas reflejadas o regresivas).


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Tipos de líneas de transmisiónTipos de líneas de transmisión

Impedancia vista en la línea de transmisión

Aplicando las condiciones de contorno en la línea:


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Características y definiciones en altas frecuencias.Características y definiciones en altas frecuencias.Mg. Ebert San Román Castillo

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Características y definiciones en altas frecuencias.Características y definiciones en altas frecuencias.Mg. Ebert San Román Castillo

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Tipos de líneas de transmisiónTipos de líneas de transmisión


La velocidad de grupo de una onda es la velocidad con la que las variaciones en la forma de la amplitud de la onda (también llamada modulación o envolvente) se propagan en el espacio.

La velocidad de fase de una onda es la tasa a la cual la fase de la misma se propaga en el espacio. Ésta es la velocidad a la cual la fase de cualquier componente en frecuencia de una onda se propaga (que puede ser diferente para cada frecuencia).

La velocidad de fase de la radiación electromagnética puede en ciertas circunstancias ser superior a la velocidad de la luz en el vacío, pero esto no implica que haya transmisión de energía por encima de dicha velocidad.

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Ejemplo 2Ejemplo 2


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TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓNTIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

•Líneas de transmisión de cable abierto

El dieléctrico es simplemente el aire, entre y alrededorde los dos conductores en donde se propaga la onda TEM

La distancia entre los dos conductores generalmenteestá entre 2 y 6 pulgadas

• Cables gemelos (doble terminal)Los cables gemelos son otra forma de línea de transmisiónpara un conductor paralelo de dos cables.

La distancia entre los dos conductores es de 5/16 de pulgada, para el cable de transmisión de televisión. Los materialesdieléctricos más comunes son el teflón y el polietileno

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Línea bifilarLínea bifilar


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Línea bifilarLínea bifilar


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•Cable CoaxialLos conductores coaxiales se utilizan extensamente, para aplicaciones de alta frecuencia, para reducir las pérdidas y para aislar las trayectorias de transmisión. El cable coaxial básico consiste de un conductor central rodeado por un conductor exterior concéntrico (distancia uniforme del centro).

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Cable coaxialCable coaxial


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Para un coaxial relleno de aire:

b/a=1,65 Z0=30⇒ Ωb/a=3,6 Z0=77⇒ Ω

Solución de compromiso:b/a=2,3 Z0=50⇒ Ω

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Cable Coaxial• Los cables coaxiales son usados en los campos de la electrónica comercial,

ingeniería de radiofrecuencia, proceso de datos, aviónica, etc., donde por supuesto la alta calidad es imprescindible para asegurar:

- La larga vida de servicio y buena estabilidad de envejecimiento.- Temperatura de trabajo continuo de: PE: -40º C + 75º C.- Alta resistencia a la abrasión de la cubierta y a la permanente acción de los agentes químicos.- Alta flexibilidad.- Baja atenuación.- Mínima desviación de la impedancia característica y buena homogeneidad.- Utilización de conectores estándar.

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TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓNTIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN•CONSTRUCCIÓN:

Conductor interior: Los cables individuales son realizados con tolerancias muy estrictas, con cobre electrolítico , partiendo de hilo rígido, estañado, plateado o desnudo, tanto macizo como agrupado, teniendo un alto grado de flexibilidad. En casos de alta resistencia a al tracción, los hilos de Copperweld son utilizados para muchos conductores interiores.El conductor central es un alambre sólido o trenzado el cual varía entre 0,2 y 5 mm de diámetro respectivamente

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• Aislamiento: El comportamiento a la temperatura, atenuación, rigidez dieléctrica y flexibilidad son los factores determinantes para el material y la construcción de los aislantes de cables. El polietileno es preferiblemente usado a causa de sus buenas propiedades para el curvado en frío y dieléctricas.

• Conductor exterior: La malla de los conductores exteriores está formada por hilos de cobre desnudo, estañado o plateado. Están diseñadas de acuerdo con MIL C-17F, con alto factor de cobertura y eficiencia de blindaje. Los cables con unos requerimientos más estrictos de apantallamiento deben ser previstos con doble malla.

13/04/2335

TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓNTIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN• Polietileno compacto: Es el material más empleado como aislante en los cables

coaxiales, a raíz de su excelente constante dieléctrica relativa (2,25) y rigidez dieléctrica (18 kV/mm).

• Polietileno expandido: Se obtiene introduciendo en el polietileno sustancias que se descompongan con la temperatura generando gases, con la particularidad de que los poros quedan uniformemente distribuidos y sin comunicación entre sí. La misma expansión se puede obtener con inyección de gas en el momento de la extrusión, obteniendo características eléctricas superiores.Este material, de reducida constante dieléctrica (1,4 / 1,8, dependiendo del grado de expansión) y bajo factor de pérdida (tgd = 0,2 . 10-3), permite lograr una notable reducción de la atenuación, comparándola con el uso de polietileno compacto.

• Polietileno/aire: es obtenido por la aplicación de una espiral de polietileno alrededor del conductor central, a su vez recubierto con un tubo extruido de polietileno.

• Tefzel (copolímero etileno - tetrafluoroetileno): Se emplea para temperaturas entre -50°C a +155 °C, con una constante dieléctrica de 2,6 y una rigidez dieléctrica de 80 kV/mm.

• Teflón FEP (copolímero tetrafluoroetileno - exafluoropropileno): Se emplea para temperaturas entre -70 °C y +200 °C, con constante dieléctrica de 2,1 y rigidez dieléctrica de 50 kV/mm.

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• Tabla de atenuación del cable coaxial por cada 30 mts de longitud del cable a distintas frecuencias

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Guías de ondaGuías de onda DEFINICIÓN: Medios de transmisión formados por un solo conductor hueco por cuyo interior se propaga la

energía electromagnética.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS FRENTE A LA LÍNEA COAXIAL: VENTAJAS:

Mayor capacidad para soportar potencia. Menores pérdidas por unidad de longitud. Estructura mecánica más simple y de menor coste. Las reflexiones producidas al conectar secciones de guía son menores.

DESVENTAJAS: Mayores dimensiones transversales. Menor ancho de banda.


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Guías de onda RectangularesGuías de onda Rectangulares


Se asume que el grosor de las paredes del conductor es mayor que variasprofundidades de penetración, δ.

Sólo hay un conductor: Los modos TEM no son posibles.

Por tanto, sólo se propagarán modos TE o TM.

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Características y definiciones en altas frecuencias.Características y definiciones en altas frecuencias.

EFECTO PELICULAR σ → ∞ : conductor perfecto, los campos no penetran en su interior. 0 <σ < ∞ : los campos penetran pero su amplitud en el interior del conductor

decrece de la forma

La profundidad de penetración δ (aproximación para buenos conductores):

Toda la potencia se localiza en una capa de una pocas δ’s de profundidad.


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Características y definiciones en altas frecuencias.Características y definiciones en altas frecuencias.

Se define la resistencia superficial de un conductor:

Rs disminuye cuando aumenta σ. Rs aumenta cuando disminuye δ, pero δ está

relacionada con σ, por lo que al mejorar el conductor (disminuir δ), la mejora de Rs no es tan grande.

A las frecuencias de microondas las corrientes tienden a fluir a lo largo de la superficie del conductor, por lo que la resistencia aumenta.

Los ingenieros de microondas aprovechan este efecto revistiendo materiales poco conductores (latón, aluminio) con una capa de un grosor de varias δ’s de un buen conductor (plata, oro) para obtener a coste mínimo las propiedades de un buen conductor.


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Líneas de transmisión planaresLíneas de transmisión planaresCaracterísticas y tipos Definición: Líneas de transmisión realizadas con tiras de metal conductor

dispuestas en planos paralelos. Estructura más común: Una o más tiras de metal paralelas sobre un material

dieléctrico adyacente a un plano conductor (masa). Pueden fabricarse mediante técnicas convencionales de circuito impreso que dan

como resultado buenas tolerancias mecánicas y bajo coste.


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Líneas de transmisión planaresLíneas de transmisión planares


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Líneas de transmisión planaresLíneas de transmisión planares

Características del material dieléctrico

Bajas pérdidas: Permitividad alta: λg pequeña Circuito más compacto.⇒ Buena resistencia mecánica (fácil de

manejar) Buena conducción térmica: el calor

generado por los dispositivos activos en parte se disipa en el sustrato. Las camisas metálicas interaccionan con los campos.

Elevada uniformidad tanto en la constante dieléctrica como en el grosor del substrato.


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Líneas de transmisión Líneas de transmisión

Ejemplos de líneas de transmisión


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• Sistemas de ComunicacionesSistemas de Comunicaciones

Transmisor Canal ReceptorFuentePresen-tación

Distorsión

Ruido

Interferencias

Distorsión

RuidoOscilador

Oscilador

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La capacidad de las ondas electromagnéticas de establecer comunicaciones distantes sin utilizar algún tipo de cableado produjo un espectacular crecimiento en el siglo XX.

Actualmente gracias a l desarrollo de los DSP (digital signal processing) ha añadido una nueva dimension a estas comunicaciones estableciendo sistemas de radio seguro y a precios razonables.


13/04/2349

Introducción a la electrónica de comunicacionesIntroducción a la electrónica de comunicaciones• Técnicas digitales y analógicasTécnicas digitales y analógicas

AnalógicoDigital

Transmisor

Fuente

Reloj

Codificado

Fuente

Fuente

Codificado

Codificado

Mul

tipl

exad

oModulación IF/RF Amp

Osc. Osc.

13/04/2350

Introducción a la electrónica de comunicacionesIntroducción a la electrónica de comunicaciones• Técnicas digitales y analógicasTécnicas digitales y analógicas

Analógico Digital

Receptor

Reloj

Decodificado

Recepción

Decodificado

Decodificado

Mul

tipl

exad

o

DemodulaciónRF/IFAmp

Osc. Osc.

Recepción

Recepción

13/04/2351

Ejemplo de receptor: Receptor Superheterodino

Filtro de RF

Antena

Información

Amplificador de RF

Mezclador

Filtro de FI

Amplificador de FI

Oscilador Local

Demodulador

Amplificador de BB

RF: Radio FrecuenciaFI: Frecuencia Intermedia BB: Banda Base

Bloques electrónicos funcionales: Oscilador. Mezclador. Amplificadores de pequeña señal. Filtros pasa-banda. Demodulador.

ATE-UO EC int 08

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Ejemplo de Transmisor: Transmisor de comunicaciones modulado en BLU (SSB)

Filtro a cristal

Amplificador de Potencia

Mezclador(modulador)

Filtro de Banda

Amplificador de BLU

Oscilador a Cristal

Amplificador de BB

BLU (SSB): Banda Lateral ÚnicaBB: Banda BaseOFV (VFO): Oscilador de Frecuencia Variable

Bloques electrónicos funcionales: Osciladores. Mezcladores. Amplificadores de pequeña señal. Amplificador de gran señal. Filtros pasa-banda.

Información

Antena

OFV (VFO)

Mezclador

ATE-UO EC int 09

13/04/2353

Transmisión en simplex

Información

Transmisor

Antena

Información

Receptor

Antena

Ejemplo: Mando a distancia de garaje

Información

ATE-UO EC int 04

13/04/2354

Transmisión en semiduplex (half duplex), (I)

Información Antena

Transmisor

Receptor

Conmutador

InformaciónAntena

Transmisor

Receptor

Conmutador

Información

Información Antena

Transmisor

Receptor

Conmutador

InformaciónAntena

Transmisor

Receptor

Conmutador

Información

ATE-UO EC int 05

13/04/2355

Transmisión en semiduplex (half duplex), (II)

Ejemplo: radioteléfono

Información Antena InformaciónAntena

Transmisor

Receptor

Transmisor

Receptor

Conmutador Conmutador

Información

ATE-UO EC int 06

13/04/2356

Transmisión en duplex (full duplex)

Ejemplo: teléfono inalámbrico

InformaciónAntena

Transmisor f1 + Filtro

Receptor f2+ Filtro

InformaciónAntena

Transmisor f2 + Filtro

Receptor f1 + Filtro

Información

Información

ATE-UO EC int 07

13/04/2357


• Sistema de RF

Fuente de señal

Modulador Amp. Amp. Antena

Oscilador 1 Oscilador 2

Canal de radiofrecuencia

Antena Amp. Amp.Demo-

dulador

Sistemade Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

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• Procesos de Distorsión y ruido

Fuente de señal





dulador

Sistemade Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

13/04/2359


• Osciladores de RF

Fuente de señal





dulador

Sistemade Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

13/04/2360


• Mezcladores y conversores de frecuencia

Fuente de señal





dulador

Sistemade Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

13/04/2361


• Amplificadores de RF

Fuente de señal





dulador

Sistemade Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

13/04/2362


• Filtros de RF

Fuente de señal





dulador

Sistemade Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

13/04/2363


• Modulación y Demodulación

Fuente de señal





dulador

Sistemade Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

13/04/2364


1. Introducción a la electrónica de comunicaciones2. Transmisores3. Receptores4. Transceptores


13/04/2365

TransmisoresTransmisores Contenidos

Esquema básico de un Transmisor


Fuente de señal





dulador

Sistemade Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

13/04/2366

TransmisoresTransmisores

Contenidos Esquemático de un transmisor actual


13/04/2367


Contenidos ASICs application-specific integrated circuit – Aplicación típica en Celulares


13/04/2368


RFIC


13/04/2369

TransmisoresTransmisores• MEMS Sistemas Micro electromecánicos

13/04/2370


• MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits)

13/04/2371


1. Objetivos de la asignatura2. Introducción a la electrónica de comunicaciones3. Transmisores4. Receptores5. Transceptores


13/04/2372

ReceptoresReceptoresContenidos

Esquema básico de un receptor


Fuente de señal





dulador

Sistemade Pre-

sentación


Ruido

Ruido

Interferencias

Distorsión

Distorsión

TX

RX

13/04/2373

ReceptoresReceptores

Esquemático de un receptor hecho con tubos de vacios


13/04/2374


Receptor Superheterodino


13/04/2375

ReceptoresReceptores Esquema actual de un receptor


13/04/2376



13/04/2377


1. Objetivos de la asignatura2. Introducción a la electrónica de comunicaciones3. Transmisores4. Receptores5. Transceptores


13/04/2378

TransceptoresTransceptores

Contenidos

Análisis localizado.


13/04/2379

TransceptoresTransceptores


13/04/2380

BibliografíaBibliografía

• M. Sierra-Pérez, B. Galocha, J.L. Fernandez y M. Sierra Castañer M. Sierra-Pérez, B. Galocha, J.L. Fernandez y M. Sierra Castañer “Electrónica de Comunicaciones” Editorial Prentice Hall. 2003.“Electrónica de Comunicaciones” Editorial Prentice Hall. 2003.

• Miller. “Basic Electronic Communication” Prentice HallMiller. “Basic Electronic Communication” Prentice Hall

• Erst. “Receiving System Design” Ed. Prentice Hall. 1992Erst. “Receiving System Design” Ed. Prentice Hall. 1992..• ““Microwave Engineering and RF design of Wireless System” David M. Microwave Engineering and RF design of Wireless System” David M.

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Transmisión y PropagaciónTransmisión y Propagación

GRACIAS

M. Sc. Ebert San Román

transmisores y receptores de rf

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