Universidad Autónoma Metro p o 1 it ana Ciencias Básicas e Ingeniería.

Ingeniería en Electrónica Área de concentración:Comunicaciones.

PROYECTO TERMINAL I Reconocimiento y desarrollo de prácticas

con el sistema de comunicaciones de microondas SIP 365MX.

Integrantes del equipo de trabajo: Carreón Méndez Alfredo O. Lara Barcelata Miguel.

Asesor del proyecto: Ing. Eduardo Acosta Cartas.

Fecha de realización Sept.-Dic. de 1993.

INDICE GENERAL

Tema: Pág. :

1 ) Introducción general.. ........................................... .3

2) Objetivos ........................................................... 7

3) Desarrollo teórico-experimental de cada una de las prácticas que se desarrollaron durante el curso. Conclusiones y comentarios para cada experimento.. . 8

4) Valoración de los objetivos propuestos y de los objetivos finalmente alcanzados ......... 46

5) Conclusiones generales.. ...................................... .47

6) Bibliografía.. ...................................................... 48

2

Introducción.

Se cuenta con un sistema en base a microondas, para enlaces por radio. Este sistema consta de un pánel transmisor y un pánel receptor, cada uno de los cuales tienen una base en las cuales se insertan; estas bases tienen integradas fuentes de alimentación para los páneles.

Se cuenta también con accesorios básicos para poder realizar enlaces radiales de voz y datos del pánel transmisor al pánel receptor; para esto se cuenta con cornetas de transmisión y recepción con determinada ganancia.

También se tienen disponibles algunos accesorios para poder realizar prácticas donde se hacen mediciones típicas en microondas, como es el medir la potencia de una señal en microondas, ó medir la longitiud de onda de una señal de microondas.

El equipo en general y los accesorios se muestran a continuación:

3

4

Se cuenta coil un libro, el cual se divide en dos partes:

a) Antecedentes teóricos de los temas abordados en el

b) Experiineiitos propuestos a realizar con el sistema. manual de experimentos.

Los temas que se tratan en el manual de experimentación del

1 ) Comunicaciones de video con enlaces de microondas. 2 ) Comunicaciones de voz con enlaces de microondas. 3) Mediciones de frecuencia y longitud de onda. 4) Medición de potencia y atenuación de línea. 5) Medición de VSWR e impedancia de línea de transmisión. 6) Sintonía de la línea de transmisión y uso de la carta de

SMITH. 7) Acopladores direccionales y guías de onda híbridas TE.

SIP 365MX, se listan a continuación:

5

8) Graficación de patrones de radiación de antena. 9) El dispositivo GUNN y el oscilador resonante dieléctrico. 1 O ) Modulación de transmisores de microondas. 1 1 ) Mediciones de receptores de microondas. 12) Multiplexión por división del tiempo de señales de voz. 1 3 ) Interfase con fibra óptica. 14) Interfase para modulación por código de pulso.

6

Experimento # I

Comunicaciones de video con enlaces de microondas.

Objetivos:

1 ) Describir en general la composición de una señal de televisión .

2) Describir los requerimientos de ancho de banda para la transmisión de televisión.

3) Describir la separación de frecuencia entre transmisión de audio y video.

4) Describir básicamente cómo la señal de video es transmitida y recibida por medio de un sistema de comunicación experimental.

Antecedentes Teóricos.

Los enlaces de comunicación de microondas son una aplicación importante de la tecnología de microondas, y son usados para transportar voz, datos ó señales de televisión sobre distancias que van desde enlaces interciudades, hasta comunicaciones aeronaúticas y por satélite.

Los sistemas de comunicación a microondas se pueden agrupar en dos clases: Sistemas de onda guiada y enlaces de radio. En los sistemas de onda guiada, la señal es transmitida sobre cables de baja pérdida o guías de ondas, y para sistemas de enlaces de radio, la señal es propagada a través del espacio.

8

En ambos sistemas de enlaces la señal de información transportada deberá tener un ancho de banda menor que la frecuencia portadora de microondas.

El sistema de enlace de radio ó conocido también como de propagación es el más comunmente usado en las comunicaciones modernas; algunos ejemplos son los varios sistemas de transmisión en VHF y equipos de radar, los cuales operan en la banda de microondas. Sin embargo, para enlaces de cortas distancias de algunas decenas de kilómetros se emplea el enlace por cable , como la fibra óptica que se encuentra dentro del intervalo de 10expl4 y lOexpl5 Hz, donde la longitud de onda es del orden de un micrón y las fibras de cristal con una atenuación de O.2dBIKm son usadas dentro de éste intervalo de frecuencia.

está limitado a una transmisión en línea recta por la curvatura de la tierra, llamado línea de vista.

Esta limitante se debe principalmente a que las transmisiones no se ven afectadas por la ionosfera y no pueden ser normalmente reflejadas hacia la tierra. Por tanto la eficacia de un enlace de microondas de línea de vista depende de la distancia de la trayectoria (para un terreno dado), la salida de potencia del transmisor, la sensibilidad del receptor y el margen de desvanecimiento de la señal que se produce.

El intervalo óptico de un transmisión de línea de vista está dado por la expresión:

Una desventaja del enlace de radio es que

/I =1.23(& +&) en millas terrestes.

donde h i y h2 son la altura de las antenas (pies)

En la figura 1 se muestra la propagación de línea recta vista desde la onda en el espacio.

Como se mencionó anteriormente, el ancho de banda de la señal a ser transmitida debe ser menor a la portadora de microondas. En la tabla 1 se muestran algunos anchos de banda típicos para algunos tipos de señales.

9

Ancho de banda I Tipo

voz

Televisión Voz digital (PCM)

Datos digital (PCM)

6MHz 64KHz

50 KHz-1 .SMHZ

Tabla I.

Usando modulación y técnicas de multiplexión, un enlace de microondas puede transportar un gran número de canales individuales; esta es una de las principales ventajas de los enlaces de comunicación a microondas.

Las transmisiones de televisión son una de las aplicaciones principales de los enlaces de microondas con un ancho de banda típico de 6MHz.

Para los sistemas de T V existen tres más usados en el mundo, los cuales tienen los siguientes valores estándar:

N TS C’ PAL /SECAM

525 Iirieas 625 líneas 30 ctiadrosís 25 cuadros/s AB 6 M H z AB=6 a 8MHz

El sistema más utilizado es el NTSC; en México se utiliza este sistema.

La imagen, o cuadro, se puede considerar como un cuadro subdividido en varios cuadros pequeños que se conocen como elementos ó pixel. Un gran número de elementos del cuadro de una imagen, significa una reproducción más nítida, (mayor resolución), en el receptor.

En el sistema NTSC, la información del cuadro se transmite haciendo un barrido entrelazado; comenzando desde la línea 1 hasta la

10

línea 525, para formar el campo de líneas impares; luego se vuelve a la línea 2 hasta llegar a la línea 524, para forma el campo de líneas pares; este proceso es mostrado en la figura 2. Durante este proceso se tiene un barrido horizontal que empieza de 1-2 en 53.5 ps y rápidamente regresa en 10 ps hacia la izquierda del punto 3 y barre la línea 3-4 y así sucesivamente. Tambien se tiene un barrido vertical en el proceso anterior, en donde todas las líneas horizontales son recorridas en 3 1.24 ms, entonces la señal de deflexión vertical va hacia cero, lo que significa que el haz regresa al punto 1 y otra vez se encuentra en condiciones de iniciar el siguiente cuadro. Por lo anterior, la frecuencia de barrido horizontal es de 15750 Hz para blanco y negro y 15734 para color, para el barido vertical son 60Hz y 59.94Hz7 respectivamente.

Cada canal VHF-UHF tiene un ancho de banda de 6MHz, como se muestra en la figura 3, con la portadora de video ó luminancia de 1.2MHz por encima de la frecuencia mínima especificada para un canal individual y la portadora de audio de 50 KHz de ancho colocada a 0.25MHz de la parte superior del canal, separando así el audio y video por 4.5MHz en sistemas PAL ó SECAM. En comunicaciones vía satélite y en el sistema de transmisión recepción usado para este proyecto, el audio es transmitido en una frecuencia subportadora de 6.8MHz. El ancho de banda lateral inferior está limitado a 1.25 MHz para evitar la interferencia con un canal adyacente, pero la banda lateral se extiende a 4.25 MHz por encima de la portadora de imágen. Esta limitación de la banda lateral inferior se llama transmisión de banda lateral única como una parte de la banda residual lateral ó residriaí. La figura 4, muestra esta atenuación de la banda lateral inferior y también coloca a la portadora de imágen en perpspectiva inmediata. También se observa en la .figura 4 las señales de banda lateral de color I (fase) y Q (cuadratura), mas la frecuencia de color de la subportadora de 3.579545MHz. Las señales I y Q, son las encargadas de la sincronización de color y es simplemente un ejemplo de la subportadora original de 3.58MHz invertida 1 80 O .

La seiíal de video ó luminancia (Y), tiene modulación en AM-BLR con ancho de banda de 4.2MHz, la señal de audio es modulada en FM, como se observa en lafigura 3.

L a transmisión única en banda lateral también existe de O5.MHz hasta 1.5MHz. Esto evita la interferencia cruzada entre las dos señales de color cuando se reciben.

1 1

El ancho de banda en transmisión en video, se debe a que las imágenes deben transmitirse en una rápida sucesión de cuadros con el fin de crear la ilusión de continuidad y evitar el parpadeo y el movimiento discontinuo. Esto se quita transmitiendo sólo 30 cuadros/segundo y por el barrido de las líneas horizontales de los dos campos. Los dos campos juntos constituyen una imágen completa ó cuadro. Entonces se transmiten 525 x525 x30 cuadros/segundo =

8.26exp6 elementos de imagen por segundo y en consecuencia el ancho de banda es de 6MHz como ya se ha mencionado con anterioridad; en general para cualquier canal de TV, con las posiciones de frecuencia como se muestra en la tabla 2.

12

PROPR.\G.\CION DE LhE.\ DE VISTA

.\\TEN;\ ANTENA TR.LVS.LIISOR4 RECEVTOIW

TIERRA

figura I.

13

Figura 2.

Número de canal

VHF 2,3,4 5 6

7 -13 14-83

Banda de frecuencia

(MHz)

54-72 76-88 174 -216 470-890

Tabla 2.

14

Resultados Experimentales.

El equipo necesario, se armó de.acuerdo a las instrucciones dadas en el texto del manual de prácticas.

Una vez hecho el enlace de microondas para la transmisión de una señal de video compuesto (la cual se tomó de una cámara reproductora Sony), se observan algunos efectos causados por la directividad entre el transmisor y el receptor. Por ejemplo, con una pequeña desviación hacia la izquierda ó derecha, sobre el plano horizontal de la línea visible del transmisor, -esta señal se recibe y monitorea en un T.V. a color-, empezaba a aparecer con distorsión y ruido, lo cual se manifestaba en forma de señales fantasmas; a la vez que el sonido se perdía por la gran cantidad de ruido sumado.

Después de observar lo anterior y los efectos que producen los controles de ganancia (en video y en audio), siendo similares, se procedió a medir los niveles de voltajes en los puntos prueba indicados en los diagramas del transmisor y receptor, figuras 5 y 6, respectivamente.

Las mediciones se hicieron con multímetro digital y con un osciloscopio de frecuencia máxima de 15MHz, y formas de onda se muestran a continuación, receptor.

De la cámara grabadora y reproduc

os niveles de voltaje y para el transmisor y

ora, se obtuvieron la señal de video y sonido en forma independiente, para el pánel transmisor; por lo cual se utilizó el TV MODE en dicho pánel para ser mezcladas y formar la señal de video compuesto a transmitir.

15

Observaciones de las mediciones en el trasmisor y receptor.

Transmisor.

En los puntos I y 2 no se obtienen formas de onda, sólo en el punto 3 y éste corresponde a la parte de fibra óptica.

Para el punto 4 se observa que es la señal de video de entrada al amplificador de video y cuya salida es la del punto5 con un nivel de amplificación de 10; sin embargo esta señal es ya el video compuesto.

Para el punto 7 se tiene la señal de audio con su portadora de 6.8MHz que son enviadas a la etapa amplificadora de video que funge también como mezclador.

El punto 8 es la señal de audio tomada de la cámara, antes de entrar al modulador

Por último, el punto 9 que ofrece la señal de video y audio (video compuesto) a ser transmitido.

Receptor.

E l punto i muestra la señal de R.F. dentro del mezclador y se encuentra a la salida del Amplificador de video.

En el punto 2 se tiene la señal del oscilador local, cuya frecuencia es de 8OMHz.

Para el punto 3 se muestra la señal de video que se obtiene a la salida del discriminador de FM la cual es para el control automático de ganancia.

Para el punto 4 se observa una señal de video de bajo nivel, la cual va al PLL que es de nivel alto. Esta señal es enviada al filtro pasabajas de 4.3MHz y es utilizada para el control de ganancia de video, cuyo nivel deseado es el observado en el punto 7 que entra al amplifcador de video final.

Por último tenemos la señal del punto 6 que es1 a señal de audio con su portadora, la cual es enviada al modulador de R.F.

16

Observaciones y lonclus iones .

En éste primer experimento, se pudo llevar a cabo al cien por ciento. Sin embargo se nos presentó un pequeño contratiempo y no fue falta de equipo precisamente, sino una perilla selectora del pánel transmisor la cual se encontraba barrida indicando otro modo de operación y no el modo de T.V. Esto pudiera parecer de poca importancia pero en realidad indica que se debe tener cuidado en el conocimiento y manejo del equipo, que en nuestro caso en particular, el equipo trasmisor/receptor de microondas.

En este experimento se muestra la sencilles con que se puede hacer un enlace de microondas para transmitir video y audio, a partir de un transmisor. El transmisor genera una subportadora de 6.8MHz para el audio y es mezclada con la señal de video; esta composición se transporta después por una portadora de 10.5 GHz a un nivel de 97MHz, para despues separar video y audio, luego son pasados a un modulador de R.F. para los canales 3 y 4 segun su clase.

Los sistemas de enlace de microondas (como éste experimento) y de satéllite, son gradualmente reemplazados por sistemas digitales de alta capacidad. Sin embargo, el rápido incremento en la demanda para telecomunicaciones de larga distancia hacen que su uso se prolongue por más tiempo.

En cualquier sistema de microondas y satélite, una frecuencia intermedia (típicamente entre 60 y 80 MHz) es modulada en frecuencia por una seiial del espectro de banda base, para ser convertida en el intervalo de frecuencia de los gigahertz para ser transmitida. A estas frecuencia, las ondas de radio requieren equipos especiales durante la transmisión y recepción y se hallan conmutados al alcance óptico.

Por último se puede decir que las características que hacen atractivas a las microondas son su capacidad para trasmitir grandes cant idades de información sin necesidad de tender kilómetros de líneas de conexión entre distintos puntos.

17

Video

- TP4 Amplfiudor de TPá

Video

I Video Compuesto I Tpg

XMTR DRVR

XMTR CABEZA

6 8 M H z Generador de

TP7

AUDIO MICR~FONO

E M R A D A D C AUMO Y- TRANSMISOR

flGURA 5.

18

MEDIDOR CABUARECEPTOR

MUCLADOF ~ DESCRIMINACCN FM

97 MHz BALANCEADC 9 MHi

AMP FI - AMP FI

97 MHz

I AGC TP3 1 LOCAL FILTRO PASA

BAJA

CABUARECEPTOR AMP FI

97 MHz

i

I MEDIDOR

MUCLADOF ~ DESCRIMINACCN FM

97 MHz BALANCEADC 9 MHi

AMP FI -

I I I

$ 1 '

FILTRO PASA

PLL

BANDA ANCHA

MANUAL f

DESCRlMlN MOWLADOR

FILTRO DESUBPORT. y >

RF PASA BANDA

6 6 MHr 68MHz

I AMPLIFICADOR

1 -

FILTRO RECHAil,

A

AMPLIFICADOR

AMP FILTRO PASA i

SALIDA

BANDA 9MHz

Figura 6. Receptor.

DE VIDEO

BAJAS

19

Experimento #2.

Comunicaciones de voz con enlaces de microondas.

Objetivos:

I ) Describir el diseño de antenas periscópicas en forma breve y dar algunas explicaciones básicas.

2) Describir cómo el receptor y transmisor de microondas están adaptados para la comunicación de voz.

3) Describir los problemas de directividad cuando el transmisor es removido del campo de recepción.

Antecedentes Teóricos.

Como ya hemos mencionado en el experimento 1, un sistemas de microondas consiste de elementos activos y pasivos, dispuestos para desarrollar una función útil. Probablemente siendo los dos ejemplos más importantes: el sistema de radar y los sistemas de comunicación en base a microondas.

Un componente importante en cualquier sistema de radar o comunicaciones es la antena.

Definición d e parámetros importantes en una antena.

Patrón de radiación.- La potencia radiada (ó recibida) por una antena es una función de la posición angular y la distancia radial desde la antena. A distancias eléctricamente grandes (muchas longitudes de onda), la densidad de potencia cae a razón de i í r 2 en cualquier dirección. La variación de la densidad de potencia con la posición angular es determinada por el tipo y diseño de la antena y puede ser

20

gráficamente representado como una gráfica de patrón de radiación. Tal gráfica puede ser tridimensional, con potencia vs radiación y ángulos azimuth, pero es más común que el patrón de radiación sea representado por gráficas de patrón plano, tal como el plano E ó el plano H, donde un ángulo se mantiene fijo y el otro se varía. Los patrones de transmisión y recepción de una antena, son idénticos si la antena no contiene materiales ó componentes no recíprocos.

Campo lejano.-Esta es la región lejos de una antena, donde la onda radiada toma la forma de una onda plana. Un criterio comunmente usado es 2 D 2 / h , donde D es la longitud de onda de operación. Los patrones de radiación son generalmente asumidos en el campo lejano de la antena.

Directividad. -Muchas antenas son usadas para transmitir ó recibir potencia en una dirección fija, así se puede desear maximizar el patrón de radiación , ó la respuesta de la antena, en ésta dirección. Una medida cuantitativa de ésta respuesta es la ganancia directiva de la antena, para una dirección dada. El valor máximo de la ganancia directiva es la directividad de la antena. La directividad depende sólamente del patrón de radiación.

F’iciencra. -Como otros componentes de microondas, una antena puede disipar potencia debido a pérdidad del conductor ó pérdidas del dieléctrico, siendo así que la eficiencia de la antena puede ser definida como la relación entre la potencia total radiada por la antena, a la potencia de entrada de la antena.

Ganancia.-Es el producto de la eficiencia y la directividad, considerando el hecho de que la pérdida reduce la densidad de potencia radiada en una dirección dada.

Impedancia. -Una antena presenta una impedancia a la fuente ó carga a la cual está conectada, por l o tanto es posible que exista un desacoplo de impedancia con una línea de alimentación. Éste desacoplo degrada el comportamiento de la antena, y depende de la circuitería externa a la cual está conectada la antena.

Ancho de banda.-El ancho de banda de frecuencia útil de una antena puede ser limitado por desacoplo de impedancias, ó deterioro del patrón de radiación. Redes de acoplo pueden ser usadas para incrementar el ancho de banda de una antena.

Polarización.-La polarización de una antena se refiere a la polarización del vector de campo eléctrico de la onda radiada. Polarizaciones típicas incluyen, lineales (vertical y horizontal), y

21

circulares (RHCP Ó LHCP). Algunas antenas trabajan con ambas polarizaciones.

Tamaño/compZejidad. -Una característica básica de una antena es la eficiencia de operación. Su tamaño debe ser X / 2 ó mayor, y ganancia mayor sólo se puede lograr con tamaños más grandes. Además, características como forma de patrón, control de polarización, ó ancho de banda grande se logran sólo con un diseño más complejo en la antena.

Tipos básicos de antena.

En general, las características arriba mencionadas implican una gran diversidad de antenas, y considerando que la operación de una antena depende mucho de su geometría, una gran variedad de tipos y geometrías se han desarrollado:

-Antenas de alambre. -Antenas de apertura. -Ant en as reflect oras.

Estas últimas adquieren ganancia enfocando la radiación de una antena peqiieiia de alimentación a un reflector eléctricamente grande. Debido a éste tamaño eléctrico grande, los receptores operan usualmente en microondas.

Caracter ís t icas del patrón d e antena.

Muchas de las características más importantes de una antena, tienen que ver con el patrón de radiación. El patrón de radiación es una gráfica de a intensidad de radiación, F(e,+), de la antena definido como:

donde y H son los campos eléctrico y magnético radiados a la zona lejana de la antena, y s es la magnitud del vector de Poynting.

22

La directividad es una medida de la homogeneidad del rayo principal, ó la extensión ó longitud a la cual el patrón es enfocado en una dirección dada:

Donde F,,, es el máximo valor de intensidad de radiación, F y prod es la potencia total radiada por la antena. Entre más angosto sea el rayo, se tendrá una directividad mayor.

También tenemos una relación para directividad, que puede ser de interés práctico:

32,400 D =

Si una antena transmisora radía una potencia total de Prod con un patrón isotrópico (igual densidad de potencia en todas las direcciones), entonces la densidad de potencia (magnitud del vector de Poynting), a una distancia r de la antena, está dado por:

Si la antena tiene una directividad D, entonces la densidad de potencia en la dirección del rayo principal (la máxima densidad de potencia), será :

23

Para entenas receptoras, es útil definir un área efectiva de la antena como:

donde fl es la potencia dada a la carga de la antena, y S es la

También podemos establecer la siguiente relación: densidad de potencia incidente.

Sistemas de comunicación con microondas.

Los sistemas de comunicación con microondas, pueden ser agrupados en dos tipos: sistemas en base a guías de onda, donde la señal es transmitida a través de cables con baja pérdida o guías de onda y enlaces de radio, donde la señal se propaga en el espacio.

En ambos casos, la señal tendrá un ancho de banda mucho menor que la frecuencia de portadora de microondas.

Canales para comunicación con guía de onda, pueden usar cable coaxial generalmente limita sus aplicaciones a frecuencias menores a 1GHz. Debido a la pérdida inherente, el nivel de potencia en cualquier línea de transmisión o guía de onda (incluyendo fibra óptica), decrece exponencialmente con la distancia, e+"', donde a es la

24

atenuación constante de la línea, y z es la distancia de la fuente. En un enlace de radio, vimos que la potencia radiadade una antena cae a razón de I / R ~ , donde R es la distancia desde la antena; así que en ausencia de otros efectos (por ejemplo, pérdida por . propagación, desacoplo de polarización, obstrucciones), un enlace de radio tendrá intrínsecamente menos pérdida de ruta, que un enlace basado en guía de onda.

Propagación por radio microonda es esencialmente línea-a- la-vista, significando que las señales de microondas viajan en líneas rectas, y no siguen el contorno de la tierra o reflejan a la ionósfera, como l o hacen las señales de menor frecuencia. Así que para enlaces de distancias grandes, se requieren estaciones repetidoras. Un satélite de comunicaciones es un repetidor también, conectando estaciones terrenas muy separadas.

Fórmula de transmisión de potencia Fris.

Un enlace de radio por microondas se muestra a continuación, donde Pt es la potencia del transmisor; Gt y Gr son las ganancias de las antenas de transmisión y recepción:

Gt Gr

r R

Se desa conocer Pt, la potencia recibida en el receptor, sabiendo que:

25

y p, =SAe donde A e es el área efectiva de la antena

Podemos expresar A e en términos de la ganancia de la antena receptora.

recptora usando:

que incluye el efecto de pérdidas en la antena receptora. Así:

Gt G, x p, =e- - - ( 4 ñ Q 2

Notar que esta ecuación muestra que la potencia recibida es proporcional a la ganancia de las antenas y decae a razón de i / R 2 .

26

Transmisores y receptores de microondas.

Fiitro de Banda -basé Fm

local fo = f LO -f IF

Sistema de radio por microondas modulado en amplitud.

La señal de base de banda (voz, datos y video), se asume a una frecuencia E’m; un filtro pasa bajas sirve para remover frecuencias más alla de la banda de paso del canal. Después un oscilador local es mezclado con la señal de banda base para poder producir una portadora modulada. El mezclador da una señal en doble banda, esto es da f i , u,.

En el receptor, la señal recibida es primero amplicada por un bloque amplificador de bajo ruido. E l mezclador convierte la señal de microondas a una frecuencia intermedia (F . I . ) .

Existen muchas variaciones a este diseño propuesto, con la más común siendo el uso de diferentes esquemas de modulación. Modulación con banda lateral única (SSB), genera una señal con sólo una banda lateral (puede ser f , - f , ó f , - f ,

27

Resultados Experimentales.

El equipo necesario para realizar esta práctica, se armó de acuerdo a las instrucciones del manual de prácticas para el presente experimento.

Los pasos seguidos para poder realizar la práctica, así como los diferentes ajustes necesarios se listan a continuación:

1) Se montan los páneles de trasmisión y recepción en sus respectivas bases de alimentación.

2) Se ajustan los niveles de voltaje al máximo antes de encender las fuentes de alimentación.

3) Se colocan las perillas de acuerdo a l o mencionado en la guía de prácticas.

4) Establecido lo anterior efectuamos un barrido en el generador de funciones a partir de 1OHz hasta 5KHz y tomando como punto de medida en la base de alimentación, la entrada de audio y observamos a qué frecuencias se tiene una lectura de 3dB para determinar el ancho de banda, la cual obtuvimos a: fr=350Hz y fr=2950Hz. Con esto se limita el ancho de banda y queda disponible el canal para transmisión de voz o telefonía.

Después de haber hecho l o arriba mencionado, con una lámina de aluminio tamaño carta, colocada a una distancia inicial de 4m. del transmisor y a un lado de este se colocó el receptor quedando su corneta de frente a l a lámina de aluminio recibiendo de esta manera la señal reflejada. A esta distancia inicial la lectura en el medidor de campo fue de 60 unidades , después se fue aproximando la hoja de aluminio a 3 y 2 m. de distancia del transmisor y las lecturas en el medidor de campo fueron 60 y 64 respectivamente.

En la siguiente figura se muestra el esquema de cómo estaban dispuestos el transmisor, receptor y hoja de aluminio:

28

Con el equipo armado y repitiendo el procedimiento anterior, observamos que si la hoja de aluminio se desplazaba por encima o por debajo de la línea horizontal del haz de la corneta, el audio del receptor se distorsionaba ó se perdía, escuchándose bastante ruido. La lectura en el medidor de campo de fuerza disminuía hasta 10 unidades. Luego, haciendo uso de un reproductor de video cassette como fuente de transmisión. De esta forma, se colocaron el transmisor y el receptor en un ángulo de 90 grados, con la hoja de aluminio como reflector, simulando un sistema de antena periscópica y a una distancia de 2m de ambos páneles, obteniéndose en ésta posición una lectura en el campo de fuerza de 50 unidades.. La siguiente figura muestra lo anterior:

Hoja de aluminio

Transmis \ I

Posteriormente alejamos el receptor de la hoja de aluminio conservando el ángulo de 90 grados, obteniendo los siguientes valores:

29

DISTANCIA

(m)

LECTURA DEL MEDIDOR DE CAMPO

Observaciones y conclusiones.

1

2

3

Con el experimento terminado satisfactoriamente, pudimos comprobar con una simulación de sistemas de antenas periscópicas, simulando ésta con una hoja de aluminio Se pudo observar que la directividad es un factor determinante para efectuar un enlace de comunicación, ya que una desviación del receptor, puede ocasionar pérdida en la señal recibida por el receptor, así como interferencia.

Los sistemas de antenas periscópicas están diseñados básicamente con un plato ó antena de disco a nivel del suelo en ángulo de 90 grados con respecto a la horizontal del suelo, apuntando hacia el reflector de microonda, que se encuentra en la parte superior de una torre a un ángulo de 45 grados con respecto a la vertical del plano transmisor, y por último el disco receptor queda formando un ángulo de 90 grados con respecto al transmisor.

65

48

40

30

Material requerido.

1 Módulo transmisor de RF a 10.5 GHz 1 Atenuador variable de 20 áB 1 Medidor de fiecuencia 1 Montura con termistor 1 Línea ranurada deslizable 1 Panel transmisor 1 Base de alimentación para el panel transmisor 2 Soportes para el montaje

Cables y conexiones

537 506 504 508 517

S300 PSB SIP365-1

554 545

32

Antecedentes teóricos.

Las líneas de transmisión y guías de onda, son considerados como los componentes de mayor importancia en sistemas de microondas en la distribución de potencia de un punto a otro.

Algunos tipos básicos de líneas de transmisión, como cable coaxial, guías de ondas y línea descubierta, son mostrados en la figura 3.1. En dicha figura, también se muestran las líneas de campo eléctrico a través de su sección transversal en ai& instante de tiempo dado.

CABLE COAXIAL

Figura 3. la

33

c GUiA DE ONDA RECTANGULAR

LíN EA DESCU B I E RTA

Figura 3.2b Líneas de transmisión típicas, con su respectivo campo eléctrico.

34

Para la realización de este experimento se utilizó una guía de onda de tipo rectangular, la cual es descrita en los siguientes párrafos.

Las guías de onda rectangular fueron uno de los primeros tipos de línea de transmisión usados para transportar señales de microondas, y son usadas ahora para muchas aplicaciones.

En la cavidad de la guía de onda rectangular se pueden propagar los modos TM (campo magnético transversal) y TE (campo eléctrico transversal), pero no ondas EM, cuando sólo un conductor está presente.

La geometría de una guía de onda rectangular es mostrada en la figura 3.2, donde se asume que la guía de onda está hecha con un material de permitividad E y permeabiiidad p .

Z

Figura 3.2. Geometría de una onda rectangular.

3 5

Los modos TE son caracterizados por los campos Et = U, mientras HZ pueda satisfacer la ecuación de onda reducida proveniente de la ecuación de Helmholtz, la cual es

La ecuación diferencial (3.1) puede ser resuelta por el método de separación de variables, asignando a hl(x,y) =X(x) Y@), cuyo desarrollo de solución no es presentado, obteniéndose como solución la ecuación:

mlr X ñlr Y e - j P COS-

b HZ(x, y, z)= A,,,,,COS-

a

donde Amn es una constante de amplitud arbitraria.

El par de subíndices mn ai pie de las iniciales TE ó TM indican el número de variaciones de media onda y el campo en las direcciones, angosta y ancha de la guía de onda. Entonces, con las siguientes ecuaciones de onda TE (también referidas como las ondas H), caracterizadas por Ez=O y HtoO,

(3.34 -iP "H,

K2Et Hz =

C

(3.3b)

(3.3c)

36

(3.3d)

y con la ecuacion (3.2), se obtienen las ecuaciones para encontrar las componentes del campo transversal TEm, como sigue:

j o p n n m n x n z y - j B z E, = A,, COS- sen - e

k,' b a b

m n n n Y e - J f l t A, , sen - cos - i P m n H, = k,' a a b

(3.4a)

(3.4b)

(3.4c)

(3.4d) m* nzye-Jf lZ Hy = JP y4"cos- sen - k,' b a b

La constante de propagación es:

a (3.5)

en la que para ser real, correspondiente para un modo de propagación debe cumplirse que,

Cada modo (combinación de m y n), por lo tanto tiene una frecuencia de corte expresado como fcm dada por :

37

El modo con fiecuencia de corte bajo es -llamado modo dominante, en donde se asume que a>b, yfc baja ocurre por el modo TEio, dada por la expresión:

1 fcio = *

El modo TEio es el mom doininante total en las guías de onda rectangular. La longitud de onda en la guía, es definida como la distancia entre dos

1, = - > - = A , en la cual es más grande que A, la longitud de onda de

una onda plana en un medio cerrado. En la mayoría de las aplicaciones, la fiecuencia de operación y las

dimensiones de la guía de onda, son escogidas, tal que sólo el modo doninante TE10 sea propagado. Por lo que las ecuaciones (3.4), se reducen para los campos en el modo TEio, como sigue:

planos de igual fase a lo largo de la guía de onda, y es igual a 2n 27r P k

*X - j p z H, = A,,cos-e a

- j a p a n x - j p t Ey = A,o sen -e 7r a

7r.r - j p z A,, sen -e H , = - i Pa IC a

E, =E, = Hy = O

(3.9a)

(3.9b)

(3.9c)

(3.9d)

7r En adición para el modo TEio, k, =- y p= ,/k2 -$)*

Cuando se combinan los campos E y H por encima de una longitud de onda, se obtienen los modelos de la figura 3.3. El campo eléctrico es enteramente transversal a la dirección de propagación y sus picos coinciden en posición con los

a a

3 8

picos de la componente transversal del campo H. Sin embargo, el campo H presenta también una componente longitudinal en la misma dirección, tal que la energía es

La energía electromagnética avanza en una guía de onda rectangular por una serie de reflexiones, saliendo de la superficie de la dimeiisión angosta, corno se inicialmente propagada.muestra en la figura 3.4. En cada reflexión, los ángulos (6) de incidencia y reflexión son iguales, y sabiendo que sen(B)=h/2a y cos(B)=A/Ag, y haciendo uso de la relación trigonométrica

sen2 O+ cos2 e= 1, tenemos que: a A. 2a A.

(-)2+(-)2= 1

a y despejando para A. , se obtiene 8

con L= 2a = c/fc la ecuación (3.1 O ), queda finalmente que A. A = .

en donde: Ag, es la longitud de onda dentro de la guía de onda, h, es la longitud de onda en el espacio o el aire libre.

(3.10)

La constante de corrimiento en fase, esta dado por p= 2dkg en donde j3 está dada en radlm.

39

:

I ---4

I - Dimen sión de andio.9 . - -

Dime

Dircaion de propagadón.

-----

Vista superlor.

I Campo E.

/~""'""'' ="/" '=/'""'""L Vista longitudinal. I c ~ , , , ~ , , E,

nsión I angosta.

Figura 3.3

ViSta T posterlor.

- a d Distribución de los campos elidrim y msgnéüw en una guía de onda redangular modo].

H.

40

DÍI"I8iÓn de la pared angosia.

Flgura 3.4 Traycdorla de una onda EM en una gula de onda redangular.

4 1

Desarrollo experiment a I.

Se armó el sistema, como se muestra en la figura 3.5 propuesto para poder medir la longitud de onda de la radiofiecuencia del panel transmisor. Se tiene el problema de que el experimento utiliza como detector de potencia a un termistor colocado en un circuito puente, el cual se pensó sustiíuir para continuar con el experimento.

DespÚes de dos semanas de búsqueda no se pudo encontrar el remplazo adecuado. Por lo tanto, se planea entonces efectuar la medición con un detector de cristal y un amperímetro, como se describe a continuación :

Se pone el atenuador casi al máximo, y la cavidad resonante se pone en espacio máximo. Se coloca el amperímetro en las conexiones accesibles en el cristal y se mide comente en el rango de microamperios, después se obtiene una lectura de aproximadamente 566 pA. Después es movido el atenuador para obtener una lectura mayor de comente en el rango de los mA. Después de lo anterior, se mueve la cavidad resonante hasta que se obtiene una lectura aproximada a cero en el amperímetro en la escala de pA; Para entonces leer en el Vernier de la cavidad resonante obteniéndose 5.75 milésimas de pulgada El valor obtenido en el Vernier es comparado con la gráfica proporcionada de fiecuencia vs. lectura del micrómetro, y se encontró que no cae dentro del rango proporcionado. Argumentamos que el método escogido es el correcto, pero que necesitamos más precisión en el amperímetro para poder ver realmente cuando se aproxime a cero la corriente, conforme la cavidad entra en resonancia, es decir, si siguiéramos moviendo el Vernier, un amperímetro con más precisión nos daría alguna lectura en nA, para lo cuai quizá se obtendría una lectura dentro de la gráfica proporcionada

Dado lo anterior, utilizamos un fiecuencímetro con capacidad máxima para medir hasta 30 GHz, como lo muestra la figura 3.5 (en la que se muestra el uso del fiecuencímetro), obteniéndose con este método una lectura de 9.45078432 GHz.

Con lo anterior se cumple el objetivo de medir la fiecuencia del panel transmisor, no encontrando todavía algún método viable para medir

42

potencia ya que no se cuenta con otro medidor de potencia, adecuado par microondas, dentro de laboratorio de comunicaciones. Un método utilizado y no confiable, es el de medir corriente y volta.je, para hacer el producto V*I y calcular potencia, pero los resultados obtenidos no son coherentes. Todavía se trabaja en la búsqueda de algún método alterno.

43

h'igura 3.3. Montaje utilizado para el experimento 3.

(Utilizando medidor d e frecuencias).

4 4

Observaciones y conclusiones.

El experimento de medición de frecuencia y longitud de onda, no se llevó a cabo tal y como 10 marca el procedimiento experimental, debido a la falta del termistor para el detector de potencia. Con el detector de potencia y la cavidad de resonancia, se pretendió observar la caída de potencia al ajustar el micrómetro de la cavidad de resonancia. En operación, la potencia es absorbida por la cavidad cuando está entonada a la frecuencia de operación del sistema; esta absorción puede ser monitoreada por un medidor de potencia del sistema.

Un inconveniente para continuar fue el no haber encontrado un reemplazo adecuado para el termistor dañado de 2 K Q .

Con el método para medir corriente por medio de un amperímetro, tampoco se obtuvieron resultados satisfactorios, por no contar éste con una escala de resolución adecuada.

45

Valoración de los objetivos propuestos y de los objetivos finalmente alcanzados.

El reconocer el equipo llevó aproximadamente dos semanas, y de acuerdo a la planeación inicial del proyecto se cumplía con uno de los primeros objetivos propuestos inicialmente.

Las prácticas I y 2 se realizaron de acuerdo a lo propuesto en la guía de prácticas y se realizaron al cien por ciento, no habiendo ningún problema en cuanto a falta de equipo ó a falta de antercedentes teóricos.

A partir de la práctica tres es cuando el objetivo inicial de terminar todas las prácticas propuestas, se veía cada vez más lejos, de acuerdo a los problemas que ya se mencionan en el desarrollo de las prácticas 3 y 4 . Este problema no se logró superar y se ocuparon cerca de 6 semanas en esto; estas seis semanas incluyen modos alternos de medir potencia, búsqueda de un termistor específico en tiendas especializadas en México, sin obtener éxito alguno.

De tal manera que no se logró hacer ni siquiera un treinta por ciento de las prácticas y por lo tanto no se logró entender en forma global los conceptos básicos de microondas. Es incuestionable considerar ésta parte del proyecto como un fracaso casi absolut\j, considerando los objetivos alcanzados.

46

Conclusiones Generales.

De acuerdo a los conceptos expuestos acerca de seguridad y riesgos con respecto a los sistemas de microondas, en el libro "Microwave Communications" de Pozar, los niveles de radiación del sistema SIP365MX, están por arriba de la norma de EE.UU que establece un máximo de iOmW/cmZ y de la hoy extinta Unión Soviética de ím W / cm2. Aparentemente estuvimos expuestos a límites superiores a estas normas, ya que el manual técnico especifica una potencia máxima de ZOmW para el transmisor. Se podría pensar que no es tan peligroso, dado que, salvo algunas excepciones, es necesario trabajar con una guía de onda abierta,(experimento 3 y 4), pero no estamos seguros de que no existan fugas de microondas.

Con respecto al elemento faltante para la medición de potencia (termistor de 2K), hasta el momento de hacer este reporte, se había mandado un FAX a los EE.UU, a una tienda especializada en electrónica en donde se les pregunta s i tienen el termistor que necesitamos. Esperamos recibir su respuesta en aproximadamente una semana.

Se planea continuar el siguiente trimestre con éste mismo proyecto, ya teniendo al SIM365MX, en perfectas condiciones, y realizar los objetivos propuestos en esta Proyecto I. Además el de realizar una aplicación más seria con Hardware adicional al SIM365MX, hecho por los integrantes del equipo de trabajo de éste proyecto.

4 7

1 - Kraus D. John, Antennas, New York, McGraw Hill, 1988.

2- Pozar M . David, Microwave Engineering, Addison Wesley, 1990.

3- Balanis C. A., Antenna Theory, New York, Wiley, 1982.

4- Collin, Microwave Theory, McGraw Hill, 1972.

48