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TAF traspas1/Ejercicios T1 TAF.pdf TECNOLOGÍAS DE ALTA FRECUENCIA EJERCICIOS TEMA 1: GUÍAS DE ONDA Y LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 1. En una guía de ondas de sección cuadrada de lado a se pide: a) las frecuencias de corte de los modos. b) Comprobar que existen dos modos dominantes. c) Calcular la potencia transmitida por cada uno de ellos. d) Calcular la potencia transmitida por la superposición de ambos. Solución: a) ( , ) = √∈ √ + b) TE10 y TE01 c) Es idéntica si las amplitudes de los campos son iguales. = | | d) P = 2 PTE10 2. Una guía rectangular vacía tiene unas dimensiones interiores a=86 mm y b=43 mm. Calcular: a) La banda de utilización cuando sólo se propone el modo dominante. b) La máxima potencia que puede transmitir el modo dominante dentro de dicha banda (máximo campo admisible 30 V/cm) Solución: a) 1.75 GHz b) 19.11 W 3. Calcular el radio que deberá tener una guía circular vacía para que la frecuencia de corte del modo dominante coincida con la de la guía rectangular del problema anterior. Comparar el ancho de banda monomodo de las dos guías. Solución: a) 5.05 cm b) BW = 0.78 GHz es inferior al caso anterior 4. Para una guía rectangular de dimensiones a x b, calcular los valores de x para los que las amplitudes de Hx y Hz del modo dominante sean iguales (polarización circular). Calcular para qué frecuencias dicho valor de x es a/4. Solución: a) = atan b) √2 5. Considere una estructura stripline como línea de transmisión (ver figura) donde la anchura de la tira es W y la altura entre las placas paralelas es b: Ordene con relaciones de “menor que” (<), y “aproximadamente igual” (≈) los valores de la impedancia característica de la línea para los casos indicados en la tabla. (Ejemplo: Z0A < Z0C ≈ Z0D < Z0B < Z0E). Razone la respuesta. A B C D E Anchura W 2W 2W W 3W Altura b 2b b 2b 2b Si Z0A =50Ω con dieléctrico de r =4.5, ¿cuál será la impedancia característica de la misma línea con dieléctrico de r =9? Solución: Z0C < Z0E < Z0A ≈ Z0B < Z0D 6. Considere una estructura microstrip como línea de transmisión (ver figura), donde W denota la anchura de la tira y h la altura del substrato: Ordene con relaciones de “menor que” (<), y “aproximadamente igual” (≈) los valores de la velocidad de fase en la línea para los casos indicados en la tabla. (Ejemplo: vfA < vfC ≈ vfD < vfB < vfE). Razone la respuesta. A B C D E Anchura W 2W 2W W 3W Altura h 2h h 2h 2h Si en los casos anteriores se utiliza un substrato de r mayor, ¿aumenta o disminuye la velocidad de fase? Solución: vfC < vfE < vfA ≈ vfB < vfD 7. El siguiente diagrama representa la sección transversal de una guía de ondas, donde los trazos negros representan conductor perfecto a) ¿Qué tipos de modos pueden propagarse? b) ¿Cuántos modos TEM están soportados, si hay alguno? c) Para cada uno de ellos, indicar su velocidad de fase. d) Si la permitividad del dieléctrico se duplica (ε' = 2 ε), indicar las nuevas velocidades de fase en función de las originales. Solución: a) TE, TM y TEM b) 2 c) 0f r c v d) ' 2 f f v v 8. El siguiente diagrama representa la sección transversal de una guía de ondas, donde los trazos negros representan conductor perfecto. Considere igualmente las secciones transversales de las Figuras 2 y 3, que corresponden a versiones, escalada (factor de escala F) y rellena de dieléctrico, respectivamente, de la mostrada en la Figura 1. a) ¿Qué tipos de modos pueden propagarse? b) Para el primer modo, razone la relación entre las velocidades de fase de dicho modo correspondiente a la estructura de guiado de sección transversal de la Figura 2 y la mostrada en la Figura 1. Ídem con las impedancias características. c) Ídem del apartado anterior, comparando las estructuras correspondientes a la Figura 3 y la Figura 1. Solución: a) TM, TE y TEM b) 2 1 1f f v v ; 2 1 1c c Z Z c) 3 1 1c c r Z Z 9. El siguiente diagrama representa la sección transversal de una guía de ondas, donde los trazos la sección transversal de una guía de ondas, donde los trazos negros representan conductor perfecto y las zonas grises, dieléctrico. Como puede apreciarse, se trata de una guía coaxial vacía en su mayor parte, con un soporte dieléctrico para el conductor central. Responda razonadamente a las preguntas siguientes: a) ¿Qué tipos de modos pueden propagarse? b) Indique dos características del modo fundamental. c) Para el modo fundamental, estime dos cotas, una superior y otra inferior, de la velocidad de fase. d) A la vista del resultado anterior, ¿qué sucede si εr=1.01? 10. Los esquemas que se muestran a continuación representan las secciones de cinco guías de onda diferentes. Las partes negras son de conductor perfecto y las grises de diélectrico de permitividad ε > ε0 sin pérdidas mientras que las zonas blancas están vacías. a) Responda razonadamente a las siguientes preguntas: i. Para cada caso, indique razonadamente qué tipos de modos sorportan las estructuras. En el caso de que soporten modos TEM indique el número de ellos. ii. A continuación se muestran tres diagramas de dispersión. La pendiente de la línea discontinua es la velocidad de la luz en el vacío. Relacione el modo fundamental de cada una de las estructuras de la pregunta anterior con su diagrama de dispersión, justificando en cada caso la respuesta. b) Se tiene el siguiente diagrama de dispersión con los dos primeros modos de la guía de onda WR-90 utilizada en el laboratorio. Se pide calcular de manera aproximada a partir del diagrama: i. Ancho de banda monomodo (propagación del modo fundamental en exclusiva) en GHz. ii. Constantes de atenuación y fase del modo fundamental en las frecuencias de 3.18GHz y 11.9GHz. iii. Velocidad de fase y de grupo a la frecuencia de 11.9 GHz para el modo fundamental. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440450 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14x 10 10 = [nep/m] + j [rad/m] [r ad /s ] Diagrama de Dispersión WR-90 Primer Modo Segundo Modo Constante Propagación Vacío TAF traspas1/guias-lineas2009_def.pdf Capítulo 2: Guías de onda y líneas de transmisión Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías En el presente capítulo se va a analizar una solución general de las ecuaciones de Maxwell, en un medio sin fuentes,en el que se permitirá la existencia de variación de las magnitudes con las tres coordenadas espaciales. Dada la complejidad del problema completo nos centraremos en problemas que pueden ser descritos sistemas curvilíneos ortogonales con simetría de traslación. TAF-2- 1 Emisor Receptor Transmisión de energía electromagnética por soporte físico Medios de Transmisión Línea Bifilar, Cable coaxial Guías de onda metálicas Estructuras planares Guías de onda dieléctricas: fibra óptica Teoría electromagnética de las ondas guiadas Field Theory of Guided Waves Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Transparencia tomada de referencia 6 TAF-2- 2 Frecuencias 1 KHz 10 KHz 100 KHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz λλλλ Denominación Audio Muy Baja Frecuencia Baja Frecuencia Frecuencias Medias Alta Frecuencia Muy alta Frecuencia 100 Km 10 Km 1 Km 100 m 10 m 1 m Medio de Transmisión Línea Bifilar Cable Coaxial Circuitos Impresos P.C.B. Línea strip Distancia Circuitería Tipo Onda Guiada 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz 100 THz 1 PHz Frecuencia Ultra alta Frecuencia Microondas Milimétricas 1 m 10 cm 1 cm 1 mm Infrarrojos Visible Ultravioleta Guías de onda Fibra Óptica Línea µµµµ strip Línea strip Líneas coplanares guías dieléctricas planas 1 µµµµm Transparencia tomada de referencia 6 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías TAF-2- 3 CerradosCerrados Dieléctrico Homogéneo Multi- dieléctricos Guía rectangular Guía circular Guía coaxial Guía imagen Línea microstrip Fin-line CLASIFICACIÓN DE LOS MEDIOS DE TRANSMISIÓN Abiertos Dieléctrico Homogéneo Multi- dieléctricos Línea bifilar Línea trifásica Línea microstrip Línea coplanar Guía acanalada Fibra salto de índice Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Transparencia tomada de referencia 6 TAF-2- 4 INTRODUCCIÓN (I) • Definición: medio sin fuentes donde pueden variar las magnitudes electromagnéticas con tres coordenadas espaciales. Limitaciones: – Complejidad del problema EM completo – Descripción del problema mediante sistema curvilíneo ortogonal (u1, u2, u3) – Simetría de traslación: u3=cte, planos paralelos entre sí. – Los factores de escala quedan: Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías – Los factores de escala quedan: • Ecuaciones de Maxwell en el dominio de la frecuencia en un medio homogéneo caracterizado por ε y µ en donde no existen fuentes: zu u h u h h ˆˆ;0;1 3 3 2 3 1 3 ==∂ ∂ = ∂ ∂ = =⋅∇ =⋅∇ ⋅=×∇ ⋅−=×∇ 0 0 H E EjH HjE � � �� �� ωε ωµ Tomando rotacionales en las dos primeras y considerando las otras dos εµωγ γ γ ⋅⋅−= =−∆ =−∆ 22 2 2 0 0 o o o HH EE �� �� (1) TAF-2- 5 INTRODUCCIÓN (II) • Resolución de las ecuaciones (1) (tomamos la del campo eléctrico) – Separación del campo en componentes longitudinal y transversal: – Sistema con simetría de traslación 022 =−−∆+∆ zoTozT EEEE ���� γγ ( ) z z E EzEE EE EE z zTzz zoz ToT ˆˆ 0 0 2 2 2 2 ⋅ ∂ ∂ +∆=⋅∆=∆⇒ =−∆ =−∆ � �� �� γ γ Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Aplicando la técnica de separación de variables: • Las ecuaciones diferenciales han de ser igual a una constante – constante en la dirección transversal – constante en la dirección longitudinal ( ) ( )zZuuFE Ez ⋅= 21, 0 1 2 2 2 =− ∂ ∂+ ∆ o E ET z Z ZF F γ (2) ( ) ( ) 2222222 2 2 2 ;4 1 ;3 ococc E ET z Z ZF F γγγγγγγγ =+⇒−=⇒= ∂ ∂=∆ 222 β−= kkc (Pozar) TAF-2- 6 INTRODUCCIÓN (III) • La solución de la ecuación (3) tiene sólo componentes transversales y (4) longitudinales • La forma de esta solución puede ser – Solución A: formada por ondas progresivas y regresivas: componente ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )zDzCzZ zBzAzZ ⋅⋅+⋅⋅= ⋅⋅+⋅−⋅= γγ γγ senhcosh expexp Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías – Solución A: formada por ondas progresivas y regresivas: componente longitudinal – Solución B: constituye una onda estacionaria.: componente transversal • El campo en la dirección longitudinal será: donde se ha considerado sólo la onda progresiva ( ) ( ) ( ) ( ) ⋅−⋅⋅= ⋅−⋅⋅= zuuFzH zuuFzE Hz Ez γ γ exp,ˆ exp,ˆ 21 21 � � TAF-2- 7 CLASIFICACIÓN DE LAS SOLUCIONES (I) • MODOS TEM: transversales electromagnéticos, no hay campo eléctrico ni magnético longitudinal – las ecuaciones de Maxwell quedan – calculando el rotacional en sentido longitudinal y utilizando la otra ecuación 0;0 == zz HE �� ( ) ( )zuuFE EE oETEM ToTz T ⋅−⋅= =⋅−∆ γ γ exp, 0 21 2 �� �� tt tt EjH HjE �� �� ⋅⋅=×∇ ⋅⋅−=×∇ εω µω Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías – Introduciendo esta expresión en el correspondiente rotacional se puede extraer el valor del campo magnético transversal como: – Los vectores están contenidos en planos perpendiculares a z. – El vector se obtiene a partir de la expresión (3) – No confundir la impedancia del modo TEM que coincide con la intrínseca del medio y sólo depende de las características del medio con la impedancia característica que depende del material que rellena la línea y de la forma de la misma ( ) ( )zuuFE oETEM T ⋅−⋅= γexp, 21 ε µη ==×= TEM TEM T T ZZ Ez H ;ˆ � � HE �� , H � (3) TAF-2- 8 CLASIFICACIÓN DE LAS SOLUCIONES (II) • MODOS TM: transversales magnéticos, no existe componente longitudinal del campo magnético por lo que también se les llama modos E: • La componente longitudinal es de la forma: • Tomando las expresiones de los rotacionales, multiplicando por jwε la primera y tomando la segunda 0=zH � ( ) ( ) ( ) =−∆ ⋅−⋅⋅= 0:, exp,ˆ 2 21 21 EcETE Ez FFuuFcon zuuFzE γ γ � zTToTz EjHH ��� ×∇=−∆ ωεγ 2 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías – Ecuación diferencial completa cuya solución homogénea es el modo TEM. – La solución para modos TM: – está contenido en planos perpendiculares a z zTToTz EjHH ×∇=−∆ ωεγ TT zT c T zT c zT o T Ez j H EE zE j E j H �� � �� ×=⇒ ∇= ×∇−=×∇ − = ˆ ˆ 2 222 γ ωε γ γ γ ωε γγ ωε H � ωε γ jH Ez Z T T TM = ×= � ˆ TAF-2- 9 CLASIFICACIÓN DE LAS SOLUCIONES (III) • MODOS TE: transversales eléctricos, no existe componente longitudinal del campo eléctrico por lo que también se les llama modos H: • La componente longitudinal es de la forma: • Tomando las expresiones de los rotacionales, multiplicando por jwε la primera y tomando la segunda 0=zE � ( ) ( ) ( ) =−∆ ⋅−⋅⋅= 0:, exp,ˆ 2 21 21 HcHTH Hz FFuuFcon zuuFzH γ γ � HjEE ��� ×∇−=−∆ ωµγ 2 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías tomando la segunda – Ecuación diferencial completa cuya solución homogénea es el modo TEM – La solución para modos TM: – está contenido en planos perpendiculares a z – Se puede definir una impedancia del modo como zTToTz HjEE ��� ×∇−=−∆ ωµγ 2 TT zT c T zT c T Ez j H HH H j E �� � �� ×=⇒ ∇= ×∇= ˆ 2 2 ωµ γ γ γ γ ωµ E � γ ωµj H Ez Z T T TE = × = � ˆ TAF-2- 10 CLASIFICACIÓN DE LAS SOLUCIONES (IV) • Cuando no se satisface ninguna de las condiciones anteriores la solución se forma por superposición de los casos anteriores. La técnica de separación de variables deja de ser válida cuando la sección no es un cilindro recto. • Las condiciones de contorno laterales definen la variación de los modos. • Las condiciones en planos z=cte determinan cuántos y cuáles son los modos. • La constante de propagación viene determinada – Por las características del medio: modos TEM µεωγγ jo == 22 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías – Por las características del medio: modos TEM – Por las características del medio y las condiciones de contorno • La constante de propagación es una función compleja de ω: – Constante de atenuación describe cómo varían las amplitudes de los campos – Constante de fase la forma cómo varía la fase del campo – Longitud de onda: distancia entre dos puntos de igual fase: – Velocidad de fase: velocidad con que se desplazan los planos de fase constante – Dos situaciones: • Modo no se propaga. Modo se propaga 22 co γγγ −= ( ) ( ) ( )ωβωαωγ j+= ( ) ( ) ( ) π ω ω ωβ πωλ 2 2 fv== ( ) ( )ωβωα ≥ ( ) ( )ωβωα ≤ TAF-2- 11 CONDICIONES DE CONTORNO LATERALES (I) • Determinan cuántos y cuáles modos son necesarios considerar para obtener la solución completa. • Casos más comunes – Región limitada por un conductor perfecto sin discontinuidades. – Características de buen conductor – Parte de la superficie límite se encuentra en el infinito – Discontinuidades en el medio (línea microstrip) n Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías – Discontinuidades en el medio (línea microstrip) • Condiciones de conductor perfecto: – La región de contorno es un conductor perfecto: – Modos TE: la segunda condición la cumplen automáticamente • De la primera se deriva: τ ] ( )] ] = =× ⇒=+×⇒=× 0 0ˆ 0ˆ0ˆ z CT CzTC E En EEnEn � ��� ] ( )] ( ) ( )] ( )] ( ) 0ˆˆˆˆ 0ˆ0ˆˆˆˆˆˆˆ 2 = ∂ ∂= ∂ ∂ ⇒⋅ ∂ ∂+ ∂ ∂⋅=⋅ =⋅⇒=⋅−⋅=××=× n F n H n H n n H Hn HnHnzznHzHnEn Hzzz c T CTCTTCTCT τ τγ γ� ����� (4) TAF-2- 12 CONDICIONES DE CONTORNO LATERALES (II) • Condiciones de conductor perfecto: – Modos TM: • La condición Ez=0 supone C es una línea de Ez cte, su gradiente es normal • Tomando la segunda condición de (4): tiene dirección normal – Modos TEM: • Las condiciones coinciden con el planteamiento de un problema estático. • Los campos transversales coinciden con los campos estáticos entre conductores TE � ] 0;0ˆ =×∇=× TETCT FEn �� Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Los campos transversales coinciden con los campos estáticos entre conductores • El campo TEM coincide con la solución de un problema electrostático • En una región limitada por un recinto simplemente conexo no puede haber modos TEM • En una región multiplemente conexa: • El número de modos TEM independientes es el número de partes de la frontera menos 1. • La corriente que fluye viene dada por la ley de Ampere • En cada punto de la línea se puede definir unívocamente un voltaje y una corriente ( ) ⇒ ⋅∇=⋅∇ Φ−∇= ED yxF TET �� � ε , ( ) ( ) =Φ =Φ∆ cteyx yx C T , 0, ( ) 0, =Φ∆ yxT ∫ ⋅=Φ−Φ= 2 1 2112 ldEV �� C1 C2 ∫ ⋅= C ldHI �� TAF-2- 13 CARACTERÍSTICAS DE LOS MODOS PARA CONDICIONES DE CONDUCTOR PERFECTO (I) • Teorema de Green: – Sea un campo vectorial definido a partir de un potencial como: – Cálculo de la divergencia – Teorema de Green para dos dimensiones • Condiciones de contorno de conductor perfecto ( ) ( )yxFyxFA ,,* ∇⋅=� ( ) ( ) ( ) ( )yxFyxFyxFyxFA ,,,, ** ∆⋅+∇⋅∇=∇ � ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )∫∫∫∫ ⋅∇⋅=∆⋅+∇⋅∇⇒⋅=∇ CSCS ldyxFyxFyxFyxFyxFyxFldAA tt ���� ,,,,,, *** ∫∫ ⋅∂ ∂⋅=∆⋅+∇⋅∇ CS TTT ldn F FFFFF t �*** Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Condiciones de contorno de conductor perfecto • Ambas integrales son positivas luego tiene que cumplirse – la constante de propagación es real si ω< ωc luego no se propaga y el modo está al corte – la constante de propagación es imaginaria si ω> ωc , el modo se propaga • La propagación es de tipo paso alto con ∂n ⇒⋅=∆ = ∂ ∂ = FF n F TE FTM cT C H E 2 0:)( 0:)( γ ∫∫ ⋅⋅⋅−=∇⋅∇ tt S c S TT dsFFFF *2* γ 02 <cγ µεπ γ 2 2 c cf − = TAF-2- 14 CARACTERÍSTICAS DE LOS MODOS PARA CONDICIONES DE CONDUCTOR PERFECTO (II) • En función del valor de la frecuencia de corte se puede poner: – El signo + corresponde a f>fC. – El signo - corresponde a f<fc • Representación de la constante de propagación: diagrama de dispersión 2 2 2 22 2 1; 1 ;1 f f Z f f Z f f c TM c TE c o −⋅±= − ±=−⋅±= ηηγγ Así ZTE , por debajo del corte, será inductivo y ZTM capacitivo. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Representación de la constante de propagación: diagrama de dispersión • Existe un número infinito de soluciones (autofunciones) cada una correspondiéndose con un valor de (autovalores). El menor de dicho autovalor corresponde a un modo TE2cγ TAF-2- 15 2 2 c f f f 1 c v − == β ω vf vg= c2 F re cu en ci a )m/1(),m/nep( βα fc ββββ αααα 1 2 2 c 2 2 2 c 2 = γ− β− µε γ− ω 1 2 2 c 2 2 2 c 2 = γ− α+ µε γ− ω µεωβ = CARACTERÍSTICAS DE LOS MODOS PARA CONDICIONES DE CONDUCTOR PERFECTO (III) )m/1(),m/nep( βα 1αααα 2αααα 3αααα 4 αααα 5αααα 6αααα 1ββββ 2ββββ 3ββββ 4ββββ 5ββββ 6ββββ fc1 fr ec ue nc ia fc6 fc5 fc4fc3 fc2 Frecuenciafc 2 fc 3 fc c 2 2 c g f f 1cv −= ∂ ∂= β ω f )m/1(),m/nep( βα Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Transparencia tomada de referencia 6 TAF-2- 16 CARACTERÍSTICAS DE LOS MODOS PARA CONDICIONES DE CONDUCTOR PERFECTO (IV) • Conclusiones: – Si se traza una recta ω=cte se verán inmediatamente los modos que se propagan. – También se puede obtener la velocidad de fase, que depende de la frecuencia (dispersión) y es siempre mayor que la velocidad de la luz en el medio. – Si la frecuencia es menor que la frecuencia correspondiente al menor no existe ningún modo que se propague constituyendo dicha fc la frecuencia de corte absoluto. – El modo de menor fc se denomina modo dominante y el resto modos superiores. – En los sistemas capaces de soportar modos TEM no existe frecuencia de corte absoluta 2 cγ Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías – En los sistemas capaces de soportar modos TEM no existe frecuencia de corte absoluta • Medio con pérdidas (se supone que no hay pérdidas magnéticas): – La constante de propagación será: – La permitividad se modifica como: – Luego queda: – Frecuencia de corte: valor de f que hace α=β ( ) ( ) ( )ωβωαωγ j+= ''' εεε j−= ( ) ( ) −⋅−=− ⋅= ⇒−−⋅−=−=+= 2222 2 222222 ' ''2 ''' c cco jj γµεωβα µεωαβ γεεµωγγβαγ '2 2 µεπ γ c cf − = ε εη ε ε η ε εγγ '1; ' 1 ; ' 1 2 2 2 22 2 ⋅−⋅= ⋅− =⋅−⋅= f f Z f f Z f f c TM c TE c o TAF-2- 17 • Las constantes de atenuación y fase quedan entonces: CARACTERÍSTICAS DE LOS MODOS PARA CONDICIONES DE CONDUCTOR PERFECTO (V) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ⋅+−⋅−+−⋅−−⋅= ⋅+−⋅−+−⋅−⋅= 2222222 2222222 '''' 2 1 '''' 2 1 µεωγµεωγµεωβ µεωγµεωγµεωα cc ccd ''' εε << Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • En el caso que las pérdidas dieléctricas sean pequeñas: – La constante de fase coincide con la obtenida despreciando las pérdidas – La constante de atenuación vale: • Para modos TEM, considerando resulta: δ β µεω ε ε β µεωα tg 2 ' ' '' 2 ' 22 ⋅⋅=⋅⋅=d ''' εε << δδµεω ε εµεωα tgktgd ⋅=⋅ ⋅ =⋅ ⋅ = 22 ' ' '' 2 ' TAF-2- 18 ESTUDIO DE LA GUÍA RECTANGULAR (I) Condiciones de contorno para conductor perfecto ax x H H TE z z ,0en 0 0 : == ∂ ∂ ⇒=∂ =− ∂ ∂⋅+ ∂ ∂⋅ ⇒= 2 2 2 2 2 0 )()(),( c XYy Y X x X Y yYxXyxF γ Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías byaxETM by y Hn TE z z z ,0;,0en 0 : ,0en 0 0 : === == ∂ ∂ ⇒= ∂ =−− ∂∂⇒= 222 22)()(),( cyx c kk yxyYxXyxF γ ( ) ( ) ( ) ( )zy b n senx a m QsenzETM zy b n x a m PzHTE b n k a m k CA ykDyCsenkyxY xkBxAsenkyxX mnmnz mnmnz yxyy xx γππ γππ ππ −⋅⋅⋅= −⋅⋅⋅= == == ⇒ += += expˆ: expcoscosˆ : ; 0 cos),( cos),( , , � � Aplicando separación de variables y las condiciones de contorno para despejar las constantes, resulta: 22 2 22 22 0 , + +−= −⋅ − = b n a m kkj c c nm ππµεω γγ γ Nomenclatura Pozar TAF-2- 19 ESTUDIO DE LA GUÍA RECTANGULAR (II) Distribución de campo Distribución de corriente µεa fc 2 1 10 = Modo dominante TE10 ( ) ( ) ( )zx a PH H zx a senP a H EE zx a P aj E z y x zx y 1010, 10, 1010, 10,10, 1010, expcos 0 exp 0 expcos γπ γπ π γ γπ π ωµ −⋅= = −⋅⋅= == −⋅−= Banda X: a=22.86 mm, b=10.16mm Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Ubicación de modos para el caso a=2b TAF-2- 20 ESTUDIO DE LA GUÍA RECTANGULAR (III) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Tomado de referencia 4 Distribución de campos en la guía rectangular TAF-2- 21 ESTUDIO DE LA GUÍA RECTANGULAR (IV) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías TAF-2- 22 GUÍA ESTRANGULADA (REENTRANTE O RIDGED) • Ancho de banda de la guía rectangular está limitado a una octava. • Los “raíles” disminuyen la frecuencia de corte del fundamental. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías de corte del fundamental. • La capacidad de transmitir potencia decrece • Posibilidad de adaptar impedancias TAF-2- 23 GUÍAS CIRCULARES (I) Utilización de coordenadas cilíndricas. Condiciones de contorno para conductor perfecto ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 : 0 , : 0 1 1 1 0 z a z a c H TE F R P TM E F F P F k P ρ ρ ϕ ρ ρ ϕ ρ ϕ ρ γ ρ ρ ρ ρ ϕ ϕ = = ∂ = ∂ ⇒ = ⋅ = ∂ ∂ ∂ ∂⋅ + − = − = ∂ ∂ ∂ ∂ ẑ r ˆ φ̂ ẑ r̂ Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías ( ) 2 2 2 2 22 2 2 2 2 22 2 22 2 0 1 0 c cc F k P R RR R P k R R RR R P ϕ ϕ ρ γ ρ ρ ρ ρ ϕ ϕ ρ ρρ ρ γ ργ ρ ρ ρρ ρ ϕ ⋅ + − = − = ∂ ∂ ∂ ∂ ⇒ ∂ ∂∂ ∂ ∂ + ⋅ − + ⋅ =+ ⋅ − = − ∂ ∂∂ ∂ ∂ Las soluciones de ambas ecuaciones son del tipo: )cos()()( φφφ φφ kBkAsenP += )()()( ργργρ cncn DYCJR +=Modos TE Modos TM ( ) )()cos()(),( ργφφφρ cnH JnBnAsenF += ( ) )()cos()(),( ρφφφρ cnE kJnBnAsenF += φ̂ TAF-2- 24 GUÍAS CIRCULARES (II) ( ) µεπ γγγ ργ ρ ρ a p f a p a p J H nm nmc nmnm nmc cn a z 2 00 ' ,2' 2 0 ' , ' =⇒ −=⇒= =⇒= ∂ ∂ = n p’n1 p ’ n2 p ’ n3 0 3.832 7.016 10.174 1 1.841 5.331 8.536 Modos TE Modos TM 0)(0),( =⇒= akJaE cnz φ 2 2 0 22 0 −=−= a p k nmcnm γγγ µεπa p f nmcmn 2 = n pn1 pn2 pn3 0 2.405 5.520 8.654 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías 1 1.841 5.331 8.536 2 3.054 6.706 9.970 1 3.832 7.016 10.174 2 5.135 8.417 11.620 Distribución de modos TAF-2- 25 GUÍAS CIRCULARES (III) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Tomado de referencia 4 Distribución de campos en la guía circular TAF-2- 26 GUÍAS CIRCULARES (IV) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías TAF-2- 27 GUÍA DIELÉCTRICA • Guía de permitividad εr2 sobre dieléctrico de permitividad εr1. Todo sobre plancha Metálica. • Los campos quedan confinados en el Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Los campos quedan confinados en el dieléctrico de mayor permitividad. • Soporta modos TE y TM en la medida que toda la energía se concentre en el dieléctrico. • Ventaja: poco peso, reducidas dimensiones • Problema: grandes pérdidas en empalmes y en dobleces. TAF-2- 28 CONCEPTO DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN • Dos características importantes como sistemas de transmisión: – Capacidad de propagarse a cualquier frecuencia – Constancia de velocidad de fase lo que supone ausencia de dispersión • Retomando la expresión – Vo no depende de los puntos elegidos – La magnitud V(z) define de forma unívoca el potencial entre los dos conductores • Ambos conductores están recorridos por corrientes iguales en sentido contrario ( ) ( )zVzVldEV o ⋅−==⋅=Φ−Φ= ∫ γexp 2 1 2112 �� C1 C2 ( )⋅−⋅=⋅= ∫ γ �� Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Se puede definir una impedancia característica – η depende del medio – k depende de la geometría de la línea – Resultado independiente de z • El concepto de línea de transmisión se asocia a cualquier sistema transmitiendo un modo TEM. • Permite introducir los sistemas funcionando como circuitos con las constantes R, G, L y C cuando las dimensiones transversales sean pequeñas. ( )zIldHI o C ⋅−⋅=⋅= ∫ γexp �� cte ldH ldE I V Z C o ⋅=⋅ ⋅ == ∫ ∫ η�� �� 2 1 TAF-2- 29 CONCEPTO DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN (II) • Consideremos un cuadripolo simétrico (a=d) • Introduciendo las ecuaciones de propagación en las del cuadripolo ( ) ( ) −⋅= −⋅= =−⇒ += += lII lVV bca aIcVI bIaVV o o γ γ exp exp 1 12 122 221 221 I1 I2 V1 V2 ( ) = lZb γsenh Si es recíproco Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Formando la red en T: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = = = ⇒ −=− += la Z l c lZb bcal bcal o o o oo o o γ γ γ γ γ cosh senh senh exp exp 2 2 c a z c zz c a z bca = == = =− 22 21112 11 1 2 1211 zz − 1211 zz − 12z TAF-2- 30 CONCEPTO DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN (III) • Introduciendo los valores: • En el caso en que l sea muy pequeña: ( ) ( )l l ZZ o o o γ γ senh 1cosh −= ( ) ( )l l ZZ o o o γ γ senh 1cosh −= ( ) o o Z l Y γsenh= µ Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías εµωγ ε µη ⋅⋅−= ⋅=⋅= 2 o o ctecteZ ( )δεεεε εωωε ωµ tg1'''' ''' 2 jj l k j k Y l kjZ −⋅=−= ⋅ ⋅+= ⋅⋅= ( ) 2 l ZZ oo γ= ( ) o o Z l Y γ= ( ) 2 l ZZ oo γ= Carácter inductivo Capacidad más conductancia TAF-2- 31 CONCEPTO DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN (IV) • El circuito equivalente (en ausencia de pérdidas en conductores) queda: LCj Z G C L Z o o o ⋅+⋅= = ωγ 2Gl Cl 2 l L 2 l L ⋅= ⋅⋅== ⋅= o o C C Z G Z L ηε δωηωε η µ ' tan '' Expresiones sin pérdidas en los conductores Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Simplificaciones adicionales: – A: Líneas de muy alta impedancia: carácter inductivo – B: Líneas de muy baja impedancia: carácter capacitivo – C: Pérdidas en los conductores ⋅= oZ C ε ' y con bajas pérdidas en el dieléctrico Ll Cl B Gl Cl2 l L 2 l L 2 l R 2 l R C βααωγ jLCj Z RZ G C L Z cd o o o ++=⋅+ ⋅ +⋅= = 22 A TAF-2- 32 LÍNEA COAXIAL (I) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Dos formas de resolución: a partir del problema electrostático o a partir de la ecuación de Helmholtz. • Problema electrostático: • El cable coaxial es capaz de soportar modos superiores TE o TM == == ⇒=⋅=⇒=⇒== a b KL a bK G a b KZa b K K a b C ln 2 ln ''2'' ln 22 ln' ln '2 0 π µµ πεωωε π ηη π επε TAF-2- 33 LÍNEA COAXIAL (II) • Es necesario conocer los valores de la función potencial Φ(ρ,φ) • Ecuaciones a considerar: 0 ),(1),(1 2 2 2 = ∂ Φ∂+ ∂ Φ∂ ∂ ∂ φ φρ ρρ φρρ ρρ )()(),( φρφρ PR=Φ 2 21 φρ ρ ρ ρ d Pd Pd dR R −= ∂ ∂ 022 2 =+ Pk d Pd φφ 02 =− ∂ ∂ φρ ρ ρ ρ k d dR R • Soluciones: Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías ab bV d dR ln ln ),(0 0 ρφρ ρ ρ ρ =Φ⇒= ∂ ∂ ρ ρ φρφρ ˆ ln ),(),( 0 ab V e t =Φ−∇= φ πρ φρφρ ˆ 2 ),(ˆ 1 ),( 0 I ez Z h TEM =×= • Soluciones: )cos()()( φφφ φφ kBkAsenP += π η 2 ln 0 0 0 ab I VZ == TAF-2- 34 TECNOLOGÍAS PLANAS • Características: – Coste económico. Chapa barata y proceso de fabricación sencillo mediante fotograbado. – Reducido peso que los hace ligeros. – Dimensiones reducidas – Permiten la integración de circuitos MIC (Microwave integrated circuits) y MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) – Están formados por materiales metálicos y dieléctricos. • Opciones tecnológicas: – Línea stripline (triplaca) – Línea microstrip – Línea coplanar – Línea de ranura TAF-2- 35 LÍNEA STRIPLINE (TRIPLACA): INTRODUCCIÓN • Se puede considerar derivada de la coaxial. • Proceso de construcción: superposición de placas • Recinto doblemente conexo: modos TEM • También soporta modos TE y TM que conviene eliminar – Tornillos entre los planos de masa Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías – Separación entre planos menor de λ/4 • Análisis: – Expresiones semiempíricas – Ábacos y curvas – Aproximación electrostática. • Formulación: 1 2 2 p p vf v f ϖ π λπβ µε λ ⋅= = = ⇒ = rr pv εγεεµϖϖβ 000 === CvC LC C L Z p 1 0 === TAF-2- 36 LÍNEA STRIPLINE: FORMULACIÓN Impedancia característica bW b Z er 441.0 30 0 + = ε π <− > −= 35.0)35.0( 35.00 2 b W forbW b W for b W b We Anchura de la línea >−− < = 1206.085.0 120 0 0 Zforx Zforx b W r r ε ε 441.0 30 0 −= Z x rε π Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Atenuación en los conductores ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ++⋅ + += − − +⋅+ − += > < − ⋅⋅ = − t W W t tW b B t tb tb tb tb W A mNp ZB bZ R ZA tb ZR r s r ors c π π π ε ε π ε α 4 ln 2 1414.0 5.0 7.05.0 1 2 ln 12 1 / 120 para 16.0 120 para 30 107.2 0 0 0 3 TAF-2- 37 LÍNEA STRIPLINE: ÁBACOS Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Impedancia característica de la línea triplaca en función de sus parámetros: anchura (W), grosor (b) y espesor de metal (t) Tomado de referencia 5 TAF-2- 38 LÍNEA MICROSTRIP: INTRODUCCIÓN • Proceso de construcción: placa fotograbada • Recinto NO doblemente conexo*: no soporta modos TEM sino cuasi TEM que son una superposición híbrida de modos TE y TM que conviene eliminar. • Aplicaciones: – Estructuras de transmisión: pocos campos desbordados, altas permitividades, bajos espesores. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías espesores. – Estructuras radiantes: gran campo desbordado bajas permitividades, espesores grandes. • Análisis: – Expresiones semiempíricas – Ábacos y curvas – * Recinto simplemente conexo es aquel en el que se puede ir desde cualquier punto del recinto a otro por cualquier línea sin salirse del recinto e p c v εµεβ ϖ === 1 ee p k v εεεµϖϖβ 000 === TAF-2- 39 LÍNEA MICROSTRIP (II) Modelo con medio homogéneo de permitividad efectiva εe re εε <<1 Wd rr e 121 1 2 1 2 1 + −++= εεε Concepto de permitividad efectiva ≤ + 1 8 ln 60 dWfor Wd Impedancia característica Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías ( )[ ] ≥ +++ ≤ + = 1 444.1ln667.0393.1 120 1 4 ln 0 dWfor dWdW dWfor dW Z e e ε π ε Anchura de línea ( ) > −+−−+−−− < −= 2 61.0 39.0)1ln( 2 1 12ln1 2 2 2 8 2 dWforBBB dWfor e e d W rr r A A εε ε π r rr rr Z B Z A ε π εε εε 0 0 2 377 11.0 23.0 1 1 2 1 60 = + + −++= Atenuación mNp kk re er re er d )1( )1( 2 tan )1( )1( 2 tan 0 − −= − −= εε εεδ εε εεδα mNp WZ Rs c 0 =α σ ϖµ 2 0=sR TAF-2- 40 LÍNEA MICROSTRIP (III) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Tomado de referencia 5 Impedancia característica y permitividad efectiva de la línea microstrip en función de sus parámetros: anchura (W), altura de substrato (h) TAF-2- 41 LÍNEA DE RANURA Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Es la línea dual de la microstrip pero con campos magnéticos • Soporta modos cuasi TEM • La eficiencia es menor que la microstrip • Modificando la separación entre placas se consigue variar la impedancia. Se consiguen fácilmente impedancias altas aumentando la separación entre placas. TAF-2- 42 LÍNEA COPLANAR • Es como una línea slotline pero con un conductor central Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías • Es como una línea slotline pero con un conductor central • El voltaje de la señal es aplicado entre el conductor central y los planos de masa. • Soporta modos cuasi-TEM pares o impares • Constante dieléctrica efectiva: • Menos dispersión que la microstrip en bajas frecuencias • Formulación: 2 1+= re εε << − + ≤< = − 1173.0 1 1 2ln 4 173.002ln 10 aWfor W a aW aW aWfor W a Z e e ε πη επ η TAF-2- 43 TABLA COMPARATIVA (I): tipos de estructuras de transmisión Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Tomado de referencia 4 TAF-2- 44 TABLA COMPARATIVA (II) Características Coaxial Guía onda Stripline Microstrip Modos: Habitual Secundario TEM TM,TE TE10 TM,TE TEM TM,TE Cuasi-TEM Híbrido TM,TE Dispersión No Media No Baja Ancho de Banda Alto Bajo Alto Alto Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Pérdidas Medias Bajas Altas Altas Capacidad de Potencia Media Alta Baja Baja Tamaño Grande Grande Medio Pequeño Dificultad de Fabricación Media Media Fácil Fácil Integración con otros Elementos Difícil Difícil Regular Fácil TAF-2- 45 MATERIALES EN MICROONDAS Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías Tomado de referencia 1 TAF-2- 46 BIBLIOGRAFÍA 1. Wadell, B.C.: "Transmisión Line Design Handbook", Artech House, 1991. 2. David M.Pozar: "Microwave Engeneering" Second Edition 1998, John Wiley&Sons. (capítulo 3) 3. Robert E. Collin: "Foundations for microwave engineering" New York McGraw-Hill, 1992. (capítulo 3) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 2: Líneas de transmisión y guías 1992. (capítulo 3) 4. Ramo, Whinnery y Van Duzer: “Fields and waves in communication electronics” John Wiley 1969. 5. Bahl y Bhartia: "Microwave Solid State Circuit Design", Wiley Interscience, 1988. (capítulo 2) 6. Harlan Howe: "Stripline Circuit Design"; Microwave Associates Burlington; Artech House 1974. 7. J. Esteban, M. A. González, M. Lambea y J. Rebollar; “Enfoque para el estudio de ondas guiadas en la ETSIT-UPM”, URSI Symposium Nacional, Oviedo 2006 TAF-2- 47 TAF traspas1/Lineas_de_transmision2009.pdf Capítulo 3: Herramientas para el análisis de líneas de transmisión: Carta de Smith Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith En el presente capítulo se va presentar la carta de Smith que constituye una herramienta básica en el análisis y diseño de cualquier circuito de microondas. El fundamento de la carta de Smith es la transformación de impedancias y coeficientes de reflexión haciendo uso de una representación polar en el plano de los coeficientes de reflexión. De esta forma se obtiene una representación acotada del conjunto de todas las impedancias pasivas existentes. TAF-3- 1 ECUACIONES DE PROPAGACIÓN EN UNA LÍNEA Dada una línea de transmisión: i(z,t) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith v(z,t) ∆z z Se puede obtener un modelo circuital equivalente de la misma… TAF-3- 2 i(z,t) v(z,t) R∆z L∆z G∆z C∆z v(z+ ∆z,t) i(z + ∆z,t) ECUACIONES DE PROPAGACIÓN EN UNA LÍNEA Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ∆z R = resistencia en serie por unidad de longitud, Ω/m L = inductancia en serie por unidad de longitud, H/m G = conductancia en paralelo por unidad de longitud, S/m C = capacidad por unidad de longitud, F/m TAF-3- 3 Ecuación del telegrafista Por las leyes de Kirchhoff: ( ) ( ) ( ) ( ) 0,,,, =∆+− ∂ ∂⋅∆⋅−⋅∆− tzzv t tzi zLtzizRtzv ( ) ( ) ( ) ( ) 0,,,, =∆+− ∂ ∆+∂∆−∆+⋅∆− tzzi t tzzv zCtzzVzGtzi Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ∂t ∆z 0 ( ) ( ) t tzi LtziR z tzv ∂ ∂⋅−⋅−= ∂ ∂ , ),( , ( ) ( ) t tzv CtzvG z tzi ∂ ∂⋅−⋅−= ∂ ∂ , ),( , Aplicación de la T. Fourier en t TAF-3- 4 ( ) ( ) ( )zIjwLR dz zdV ⋅+−= ( ) ( ) ( )zVjwCG dz zdI ⋅+−= Similitud con las ecuaciones de Maxwell ECUACIONES DE PROPAGACIÓN EN UNA LÍNEA Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ( ) ( ) 02 2 =− zV dz zVd γ ( ) ( ) 02 2 =− zI dz zId γ ( ) ( )jwCGjwLRj +⋅+=+= βαγ CONSTANTE DE PROPAGACIÓN TAF-3- 5 ( ) zozo eVeVzV γγ ⋅+⋅= −−+ ( ) zozo eIeIzI γγ ⋅+⋅= −−+ ECUACIONES DE PROPAGACIÓN EN UNA LÍNEA Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith jwCG jwLRjwLR Zo + +=+= γ − − + + −== o o o o o I V Z I V ( ) [ ] [ ]zozozozo o eVeV jwLR eVeV Z zI γγγγ γ ⋅−⋅ + =⋅−⋅= −−+−−+1 ( ) o z o z o Z eVeV zI γγ ⋅−⋅= −−+ TAF-3- 6 ( ) ( ) ( ) zo z o ezwtV ezwtVtzv α α φβ φβ ⋅++⋅ +⋅+−⋅= −− −++ cos cos, ECUACIONES DE PROPAGACIÓN EN UNA LÍNEA (dominio temporal) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith β πλ 2= fwvp ⋅== λβ TAF-3- 7 Línea sin pérdidas LCjwj =+= βαγ LCw=β 0=α C L Zo = Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ( ) z o oz o o e Z V e Z V zI ββ ⋅−⋅= − − + ( ) zozo eVeVzV ββ ⋅+⋅= −−+ LCw π β πλ 22 == LC w vp 1== β TAF-3- 8 Línea cargada i(z,t) v(z,t) z ZLZo,β Origen de referencia en la carga La onda regresiva aparece cuando la línea tiene una condición de cierre Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ( ) z o oz o o e Z V e Z V zI ββ ⋅−⋅= − − + ( ) zozo eVeVzV ββ ⋅+⋅= −−+ z = 0 z = -l TAF-3- 9 Definición del coeficiente de reflexión ( ) ( ) ooo oo L ZVV VV I V Z −+ −+ − +== 0 0 +− + −= o oL oL o VZZ ZZ V oL oL o o ZZ ZZ V V + −==Γ + − Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ( ) [ ]ljljo eeVzV ββ −+ ⋅Γ+= ( ) [ ]ljlj o o ee Z V zI ββ − + ⋅Γ−= TAF-3- 10 Onda estacionaria ( )2 2 1 2 1 Γ−= + o o av Z V P Pérdidas de retorno: ( )Γ⋅−= log20RL dB ( ) ( )lj lj o zj o eV eVeVzV βθ ββ 2 22 1 11 −+ −++ ⋅Γ+⋅ =⋅Γ+⋅=⋅Γ+⋅= Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ( )lj o eV βθ 21 −+ ⋅Γ+⋅ ( )Γ+⋅= + 1max oVV ( )Γ−⋅= + 1min oVV Γ− Γ+ === 1 1 min max V V SWRROE ∞<< SWR1 TAF-3- 11 Coeficiente de reflexión en cualquier punto de la línea ( ) ( ) lj lj o lj o e eV eV l ββ β 20 −+ −− Γ= ⋅ ⋅=Γ COEFICIENTE DE REFLEXIÓNEN EL RESTO DE LA LÍNEA Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ( ) ( ) ( ) ( )ljZZ ljZZ ZZ e e lI lV Z Lo oL oolj lj in β β β β tan tan 1 1 2 2 + += Γ− Γ+= − −= − − Ejemplos de casos particulares… TAF-3- 12 Línea cortocircuitada i(z,t) v(z,t) z 0 l Zo,β Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith l ( ) [ ] ( )zsenVjeeVzV ozjzjo βββ ⋅⋅−=−= +−+ 2 ( ) [ ] ( )z Z V ee Z V zI ozjzjo βββ cos2 00 ⋅=+= + − + ( )ljZZ oin βtan= TAF-3- 13 Línea en circuito abierto i(z,t) v(z,t) z 0 l Zo,β Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith l ( ) [ ] ( )zVeeVzV ozjzjo βββ cos2 ⋅=+= +−+ ( ) [ ] ( )zsen Z Vj ee Z V zI ozjzjo βββ ⋅⋅=−= + − + 00 2 ( )lZjZ oin βcot⋅−= TAF-3- 14 Línea λ/2 i(z,t) v(z,t) zZo,β ZL Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith z = 0 z = -l Lin ZZ = TAF-3- 15 Línea λ/4 i(z,t) v(z,t) zZo,β ZL Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith z = 0 z = - l L o in Z Z Z 2 = TAF-3- 16 Línea acoplada a otra línea Zo Z1 Γ T z 0 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith o o ZZ ZZ + −=Γ 1 1 ( ) [ ]zjzjo eeVzV ββ ⋅Γ+= −+ ( ) zjo eTVzV β−+ ⋅⋅= z>0 z<0 0 oZZ Z T + =Γ+= 1 121 TAF-3- 17 Propiedades del coeficiente de reflexión y de la onda estacionaria • Como consecuencia de la reflexión en la carga, las amplitudes de voltaje y de corriente permanecen estacionarias a lo largo de cada abscisa de la línea. • Los máximos ocurren cuando . • Los mínimos ocurren cuando • Máximos de voltaje coinciden con mínimos de corriente y viceversa. • En una línea sin pérdidas el módulo del coeficiente de reflexión permanece ( ) πβθ nl 22 =− ( ) ( )πβθ 122 −=− nl • En una línea sin pérdidas el módulo del coeficiente de reflexión permanece constante. Este lugar geométrico es una circunferencia en el plano complejo de • Existe una transformación bilineal entre impedancias y coeficientes: • A cada coeficiente de reflexión le corresponde uno, y sólo uno, valor de impedancia. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ( ) ( ) ljel β20 −Γ=Γ ( )lΓ ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 2 2 1 1 01 01 ZlZ ZlZ lZ l l Z e e lZ oolj lj + −=Γ⇒⋅ Γ− Γ+=⋅ Γ− Γ+= − − β β TAF-3- 18 Carta de Smith Im(Γ) 2 familias de rectas perpendiculares 2 familias de circunferencias perpendiculares x 1 1 + −= + −=Γ L L oL oL L Z Z ZZ ZZ L L LZ Γ− Γ+= 1 1 Correspondencia biunívoca Plano complejo de impedancias. Representación cartesiana. Plano semiinfinito. Plano complejo de coeficientes ΓL. Representación polar. Plano limitado por la circunferencia | ΓL|=1. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith Biyección Re(Γ) r x TAF-3- 19 Carta de Smith ( ) ( )( ) oZl l lZ Γ− Γ+= 1 1 ( ) ( ) jxr Z lZ lZ o +== lj Lejvuw β2−Γ=+= 1 1 + −= + −=Γ LoLL Z Z ZZ ZZ )(1 )(1 jvu jvu jxr +− ++=+ Normalización Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith 1++ LoL ZZZ ( ) ( ) 22 22 1 1 vu vu r +− +−= ( ) 221 2 vu v x +− = ( )2 2 2 1 1 1 r v r r u + =+ + − ( ) 2 2 2 111 xx vu = −+− TAF-3- 20 ( )2 2 2 1 1 1 r v r r u + =+ + − Familia de circunferencias con r como parámetro r Radio Centro + + 1 1 0, r1 r r=0v r=1 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith u (1,0)(0,0) r=∞ TAF-3- 21 Familia de circunferencias con x como parámetro x Radio x Centro 1 1 ,1 v (1,0)(0,0) ( ) 2 2 2 111 xx vu = −+− x=0 x=1 x=2 x=0.5 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith u (1,0)(0,0)x=0 x=-1 x=-2x=-0.5 TAF-3- 22 ¿Significado del sentido del movimiento en la carta? Sentido horario: hacia generador Sentido antihorario: hacia la carga Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 23 CALCULADOR EN LA CARTA DE SMITH Para una ROE de 2, llevando una línea vertical podemos ver que el coeficiente de reflexión en voltaje es 0.33, el coeficiente de Reflexión en potencia es 0.11 que, en dB vale 9.54 dB. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 24 Doble carta de Smith ZY El coeficiente Гv = - ГI Pasar de impedancias a admitancias supone girar 180º en la carta anterior. o hacer una doble lectura en la carta doble ZY. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 25 Adaptación de impedancias • Supone pasar de un punto de coeficiente de reflexión (impedancia) original a otro final. • Normalmente, aunque no siempre, el punto final es el origen: coeficiente de reflexión 0 ó impedancia normalizada 1. • Para realizar ese movimiento sólo nos podemos mover por circunferencias de podemos mover por circunferencias de un parámetro constante: – Movimiento a lo largo de la línea sin pérdidas: circunferencia de módulo de coeficiente de reflexión constante. – Inclusión de una celda de adaptación sin pérdidas: movimiento por una circunferencia de r ó g constante. – Inclusión de una celda de adaptación sólo con pérdidas: movimiento por una circunferencia de reactancia constante (no es lo habitual). Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 26 Adaptación de impedancias Ejercicios de la carta de Smith Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith Adaptadores simples Stub simple Doble stub TAF-3- 27 Adaptadores simples jX ZL = 50 +j10Zo = 70 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith d Encontrar la posición y el valor de la reactancia para conseguir adaptación en la línea… TAF-3- 28 ZL Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith 142.0714.0 j Z Z Z o L L +== TAF-3- 29 142.0714.0 j Z Z Z o L L +== Solución A: Azimut = 0.141 λ Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith Impedancia vista = 1 + j0.38 d = (0.141-0.043)λ = 0.098 λ Solución B: Azimut = 0.359 λ Impedancia vista = 1 - j0.38 d = (0.359-0.043)λ = 0.316 λ TAF-3- 30 Stub simple YL = 0.4 + j1.35Zo jB Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith d l Encontrar l y d para conseguir adaptación en la línea… TAF-3- 31 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 32 Solución A: Azimut = 0.193 λ d = (0.193-0.153)λ = 0.04 λ Admitancia vista = 1 + j2.3 Azimut de -j2.3 = 0.315 λ l = (0.315 – 0.25) λ = 0.065 λ Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith Solución B: Azimut = 0.307 λ d = (0.307-0.153)λ = 0.154 λ Admitancia vista = 1 - j2.3 Azimut de j2.3 = 0.185 λ l = (0.25 + 0.185) λ = 0.435 λ TAF-3- 33 Doble stub ZrZo jB1 jB2 λ/4 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith l1l2 Zo Zo Zo = 200 Ω SWR = 6.5 Dmin voltaje a la carga = 0.168 λ Zr ?? l1 y l2 para adaptación de la línea ?? TAF-3- 34 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 35 Desplazándose 0.168 λ hacia la carga: Zr = Zo(0.6 – j1.6) = 120 – j320 Ω Solución A: Yr = 0.21 + j 0.41 Solución B: Yr = 0.21 - j 0.41 Admitancia del stub = j0.41 – j0.55 = -j 0.14 Yr = 0.21 + j0.55 Admitancia del stub = -j0.41 – j0.55 = -j 0.96 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith Admitancia del stub = j0.41 – j0.55 = -j 0.14 l1 = (0.478-0.25) λ = 0.228 λ Azimut de –j0.14 = 0.478 λ Admitancia del stub = -j0.41 – j0.55 = -j 0.96 l1 = (0.379-0.25) λ = 0.129 λ Azimut de –j0.96 = 0.379 λ Yin = 1 – j1.95 Yin = 1 + j1.95 Azimut de j1.95 = 0.174 λ l = (0.25 + 0.174) λ = 0.424 λ Azimut de -j1.95 = 0.326 λ l = (0.326 – 0.25) λ = 0.076 λTAF-3- 36 Criterio de Bode-Fano La demostración del criterio es muy compleja: H. W. Bode, Network Analysis and Feedback Amplifier Design, NY, 1945. R. M. Fano, Theeoritical limitations on the broad band matching of arbitrary impedances, Journal of the Franklin Institute, vol. 249, pp. 57-83, January 1950, Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith impedances, Journal of the Franklin Institute, vol. 249, pp. 57-83, January 1950, and pp. 139-154 February 1950. ¿Se puede conseguir una adaptación perfecta para un ancho de banda especificado? Si no se puede, ¿cuál es la relación entre el máximo coeficiente de reflexión que nos podemos permitir en la línea y el ancho de banda? ¿Se puede evaluar la complejidad de la red de adaptación? TAF-3- 37 ( ) RCdww π≤ Γ∫ ∞ 0 1 ln Módulo Γ RC w m π≤ Γ ∆ 1ln Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ∆w w Γm TAF-3- 38 Para una carga dada, se puede conseguir un ancho de banda elevado a expensas de aumentar el coeficiente de reflexión…. El coeficiente de reflexión sólo puede ser cero Principales conclusiones del criterio de Bode-Fano Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith El coeficiente de reflexión sólo puede ser cero a frecuencias discretas…. Circuitos con Q mayor son más difíciles de adaptar que los de Q menor: (Q alta equivale a valores de R y/o C altos) TAF-3- 39 Teoría de reflexiones múltiples Zo Z1 Γ T z 0 RL Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith 0 Γ1 T1 Γ3 Γ2 o o ZZ ZZ + −=Γ 1 1 1 1 10 10 2 Γ−=+ −=Γ ZZ ZZ 1 1 3 ZR ZR L L + −=Γ oZZ Z T + =Γ+= 1 1 11 2 1 o o ZZ Z T + = 1 2 2 TAF-3- 40 ( ) n n TT TTTTTT ∑ ∞ = ΓΓ−Γ−Γ= =+ΓΓ−ΓΓ+Γ−Γ=Γ 0 323211 3 3 2 2 213 2 2213211 ... Serie geométrica Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith Serie geométrica ( ) ( )( )11 1 2 32 3213211 2 1 ZRZZ RZZTT Lo Lo ++ −= ΓΓ+ Γ−ΓΓΓ+Γ=Γ Recordar adaptador de λ/4… TAF-3- 41 Desadaptación de la carga y del generador i(z,t) v(z,t) z 0 Zo,β ZLVg ZG -l Γl ΓG Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith Zin ( ) [ ] gin in g lj l lj o ZZ Z VeeVlV + =⋅Γ+=− −+ ββ lj gl lj gin o go e e ZZ Z VV ⋅− ⋅− + Γ⋅Γ−+ = β β 21 og og g ZZ ZZ + − =Γ TAF-3- 42 { } ( ) ( )22 2 2* 2 1 1 Re 2 1 Re 2 1 gingin in g in ginin XXRR R V Z VIVP +++ = == Potencia entregada a la carga Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith Carga adaptada a la línea ( ) ( )22 2 2 1 ggo o g XRZ Z VP ++ = Generador adaptado a la línea cargada ( )2 2 42 1 gg g g XR R VP + = Adaptación compleja g g R VP 4 1 2 1 2= * gin ZZ = TAF-3- 43 Línea de transmisión con pérdidas ( ) ( )jwCGjwLRj +⋅+=+= βαγ wLR << +≅ o o GZ Z R 2 1α L Z ≅ Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith wCG << oZ2 LCw≅β C Zo ≅ Línea de Heaviside C G L R = L C R=α LCw=β TAF-3- 44 ( ) [ ]zzo eeVzV γγ ⋅Γ+= −+ ( ) [ ]zz o o ee Z V zI γγ ⋅Γ−= − + ( ) ( ) ( ) ( )lZZ lZZ Z lI lV Z Lo oL oin γ γ tanh tanh + += − −= Con PL potencia en la carga Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ( )[ ] l o o in elZ V P α2 2 2 1 2 Γ−= + [ ]2 2 1 2 Γ−= + o o L Z V P ( ) ( )[ ]ll o o Linloss eeZ V PPP αα 2 22 2 11 2 −Γ+−=−= + la carga TAF-3- 45 CONCEPTO DE COEFICIENTE DE DESADAPTACIÓN • Potencia disponible de un generador • Potencia de entrada a la red sin pérdidas g g dg R V P 2 8 1 ⋅= ingg MP RRV P ⋅= ⋅⋅ = 2 41 Zin ZgZg Vg ΓS Γin ZL Red sin pérdidas Mg • Adaptación conjugada para máxima transferencia de potencia • Coeficiente de reflexión conjugado: • Relación entre coeficiente de reflexión conjugado y coeficiente de desadaptación: Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith gdg ingg in MP ZZR P ⋅= + = 28 * gin ZZ = gin gin in ZZ ZZ + − = * ρ 21 ingM ρ−= ZinMg TAF-3- 46 CONCEPTO DE COEFICIENTE DE DESADAPTACIÓN (II) ZgZg Vg ΓS Γin ZL Red sin pérdidas • Teorema: el coeficiente de desadaptación a través de una red de adaptación sin pérdidas permanece constante a lo largo de toda la estructura. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith ZinMg M2 M1 21 MMMg == TAF-3- 47 Conclusiones (I) • Se ha presentado la línea de transmisión finalizada que origina una onda estacionaria. • Dicha onda estacionaria viene caracterizada por el coeficiente de reflexión en cada punto de la línea. – En una línea sin pérdidas es constante el módulo. Esto supone – En una línea sin pérdidas es constante el módulo. Esto supone una circunferencia. – En una línea con pérdidas hay un decrecimiento del módulo con la variación de fase. Esto supone una espiral. – Al haber una aplicación biyectiva entre cada coeficiente de reflexión y cada impedancia, a cada coeficiente de reflexión le corresponde una y sólo una impedancia. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 48 Conclusiones (II) • La carta de Smith constituye la herramienta básica para el análisis de cualquier circuito de microondas. • Consiste en una representación en el PLANO POLAR de los coeficientes de reflexión. • Por la aplicación biyectiva entre coeficientes de reflexión e impedancias a cada coeficiente de reflexión en el e impedancias a cada coeficiente de reflexión en el plano polar le corresponde un valor de impedancia o admitancia. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 49 Conclusiones (III) • Funcionalidades de la carta de Smith: – Lectura directa del coeficiente de reflexión en módulo y fase (mediante la superposición de curvas de resistencia – conductancia- y reactancia –susceptancia-, también se lee el valor de la impedancia). – Obtención del valor del coeficiente de reflexión en cualquier punto de una línea sin más que hacer una rotación a través de punto de una línea sin más que hacer una rotación a través de una circunferencia de coeficiente de reflexión constante (centro el origen y radio R). – Representación de admitancias/impedancias sin más que hacer un giro de 180º (en la carta de Smith convencional). – Adaptación de impedancias mediante movimientos en, principalmente, dos familias de circunferencias: coeficientes de reflexión constantes y resistencias (conductancias) constantes. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 50 Referencias 1. David M.Pozar: "Microwave Engeneering" Second Edition 1998, John Wiley&Sons. (capítulo 5) 2. Robert E. Collin: "Foundations for microwave engineering" New York McGraw-Hill, 1992. (capítulo 5) 3. Bahl y Bhartia: "Microwave Solid State Circuit Design", 3. Bahl y Bhartia: "Microwave Solid State Circuit Design", Wiley Interscience, 1988, segunda edición. (capítulo 4). Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 3: Líneas de transmisión y carta de Smith TAF-3- 51 TAF traspas1/LRF_medida_impedancia_2013.pdf Capítulo 1 Medida de la impedancia en microondas: analizador de circuitos En Ingeniería de Microondas los parámetros básicos que Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes En Ingeniería de Microondas los parámetros básicos que indican la transferencia de energía entre puertos del circuito, son los parámetros de dispersión. La medida de dichos parámetros está basada en la medida del coeficiente de reflexión (equivalente a la medida de la impedancia por la transformación bilineal que las relaciona) que nos determina la potencia que se transmite o refleja en un puerto del circuito. En este capítulo se explican los fundamentos de dicha medida, desde la línea ranurada hasta los analizadores de circuitos. Daniel Segovia Vargas Medidas en Microondas-6- 1 ÍNDICE (I) • Fundamentos de la medida de impedancia. • Línea de ranura • Puentes de impedancia y bancos reflectométricos • Analizador de redes (circuitos): – Medida de cuadripolos – Prestaciones del analizador de circuitos Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes – Prestaciones del analizador de circuitos – Opción de la medida del tiempo – Calibración. Medidas en Microondas-6- 2 MEDIDA DE AMPLITUD FUNDAMENTOS DE LA MEDIDA DE IMPEDANCIA LÍNEA DE MEDIDA PUENTES Y BANCOS Medida de amplitud: línea de ranura, ROE Comparación de amplitudes: acoplos directivos Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes MEDIDA DE FASE Referencia de fase: cortocircuito terminal CALIBRACIÓN Medidas en Microondas-6- 3 ESQUEMA DE UN BANCO DE MEDIDA EN GUÍA B Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes A C Medidas en Microondas-6- 4 MEDIDA DE LA IMPEDANCIA CON UNA LÍNEA DE MEDIDA (RANURADA) • En Microondas lo que se mide directamente es el coeficiente de reflexión, no la impedancia. • La expresión del coeficiente de reflexión viene dada por: z=l z=0 V l I l Vg Zl Zg Zo Plano de carga Zl Cortocircuito ONDA ESTACIONARIA ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )zjzjV zjV V V VVV IZV IIzjIzjII VVzjVzjVV L r L LLL ri ri ⋅⋅−⋅Γ= ⋅⋅⋅ ⋅⋅−⋅==Γ += ⋅= ⇒ −=⋅⋅−⋅−⋅⋅⋅= +=⋅⋅⋅−⋅+⋅⋅⋅= + − −+−+ −+ β β β ββ ββ 2exp exp exp expexp expexp Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes • En la sonda se recoge una potencia: • La relación de onda estacionaria nos permite averiguar el módulo del coeficiente de reflexión • Para la fase hay que introducir una referencia (o calibración): se coloca un cortocircuito en la posición de la carga a medir Circuito abierto Vmax Vmin Vmax Vmin Carga capacitiva Carga inductiva Longitud eléctrica ( )zjVV Li ⋅⋅⋅+ βexp ( ) ( )( )ϕββ −⋅⋅⋅Γ⋅+Γ+⋅=⋅⋅−⋅Γ+⋅= zKzjKP LLL 2cos212exp1 22 ( ) ( )2 2 mín máx 1 1 L L P P ROEP Γ− Γ+ == ( ) ( ) 1 1 1 1 mín máx + −=Γ⇒ Γ− Γ+ === s s V V sROE L L L Medidas en Microondas-6- 5 MEDIDA DE IMPEDANCIA : CARTA DE SMITH • De la relación de onda estacionaria se obtiene el módulo del coeficiente de reflexión y de la referencia (calibración) la fase de dicho coeficiente. • Con el coeficiente de reflexión se obtiene la impedancia: 0.2 0.5 1 2 j0.2 -j0.2 0 j0.5 00 j2 0 Γ(z) 0(1) -1(0) 1(inf) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 1 1 1 1 + −=Γ⇒ Γ− Γ+==⇒ Γ− Γ+⋅= − +== zz zz z z z Z zZ zz z z Z II VV zI zV zZ o ri Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes • La impedancia y el coeficiente de reflexión están relacionadas por una transformación bilineal que permite obtener una herramienta gráfica: carta de Smith. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) +− = +− +−= ⇒ +− ++=+ += + −=Γ⇒+= 22 22 22 1 2 1 1 1 1 1 1 vu v x vu vu r jvu jvu jxr jvu z z jxrz ( ) ( ) = −+− + =+ + − 22 2 2 2 2 11 1 1 1 1 xx vu r v r r u -j0.5 -j1 -j2 PLANO ΓΓΓΓ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 111 +=Γ⇒Γ−==⇒Γ−⋅=−== zzzzZzzzZIIzIzZ oori Medidas en Microondas-6- 6 PUENTES Y REFLECTÓMETROS • La línea de medida mide sólo a una frecuencia • Es muy laborioso el proceso de medida aunque las bandas sean estrechas. • Para medir mediante comparación de una carga de referencia con otra carga incógnita se necesitará una red de cuatro puertas: – Una con la carga incógnita. – Otra con la carga de referencia. – Un generador de señal. Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes – Un generador de señal. – Un detector donde se refleje la comparación. • Otras opciones de medida: – La doble T/ T mágica (rat race en su versión impresa). – El acoplador direccional. – Puentes de impedancia. – Banco reflectométrico. Medidas en Microondas-6- 7 UNIONES DE CUATRO GUÍAS: DOBLE T 4 3 1 2 2414 ss = 1122 ss =Simetría Propiedades de la T plano H Propiedades de la T plano E 2313 ss −= Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes 4 2 33 1 1 014 =sOctopolo sin pérdidas − − = 441414 331313 14131112 14131211 0 0 sss sss ssss ssss S Medidas en Microondas-6- 8 UNIONES DE CUATRO GUÍAS: T MÁGICA • Si la doble T se adapta desde las guías 3 y 4 se dice que la doble T es una T mágica. De aquí resulta: • De donde la matriz de parámetros S de una T mágica tiene la forma: 00 jrjm ee 04433 == ss 02211 == ss 2 12 14 2 13 == ss Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes • La T mágica mantiene las propiedades de la doble T pero, además, tiene propiedades de acoplo directivo donde: – la relación de amplitud es siempre de 3 dB – una salida se encuentra desfasada 180º respecto a la otra − − = 00 00 00 00 2 1 jrjr jmjm jrjm ee ee ee ee S Medidas en Microondas-6- 9 REFLECTÓMETROS BASADOS EN DOBLE T/ T MÁGICA Generador Detector Carga referencia Carga problema Doble T/ T mágica 1 2 3 4 a3 b1 a1 b2 a2 b4 Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes • Un reflectómetro es capaz de medir el módulo del coeficiente de reflexión mediante la comparación de las potencias incidentes y reflejadas en la carga problema. • El esquema se basa en: – La carga de referencia está perfectamente adaptada (a2=0) Detector1 ( ) 32 11 22 14 2 13 43 11 1413 4 4114 313111 11 01 P s ss Pa s ss b bbs asbs p p p p p p ⋅ Γ⋅− Γ⋅⋅ =⇒⋅ Γ⋅− Γ⋅⋅ =⇒ =⋅Γ⋅ =⋅+⋅−Γ⋅ Medidas en Microondas-6- 10 REFLECTÓMETROS BASADOS EN DOBLE T/ T MÁGICA (II) • La potencia detectada resulta proporcional al valor del módulo del coeficiente de reflexión de la carga problema si s11=0 (T mágica). • Causas de error: – Si s11≠0 se produce un error llamado de fase por ser proporcional al argumento de Γp – Si la carga de referencia no está totalmente adaptado (error de referencia) ( ) ( ) mpmppmpmp ss Γ⋅+⋅Γ≤Γ≤Γ⋅−⋅Γ 1111 11 [ ] [ ]rmpprmprp PP Γ+Γ≤Γ≤Γ−Γ⇒⋅Γ−Γ⋅= 324 4 1 Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes • Ejemplos, supongamos una T mágica con s11=0.0476 y referencia : – Carga a medir está bien adaptada • Error de fase • Error de referencia • Cuando la carga a medir está próxima a la adaptada es más importante el de referencia. – Carga a medir cualquiera • Error de fase: • Error de referencia: • Es más importante el de fase. [ ] [ ]rmpprmprp 34 4 0099.0=Γr 0476.0=Γp %23.00476.00023.19977.0 ±=Γ⇒⋅Γ≤Γ≤⋅Γ mpmppmp %)20(0099.00476.0 ±=Γ mp 5.0=Γp ( )%8.40238.05000.0 ±=Γ mp ( )%20099.05000.0 ±=Γ mp Medidas en Microondas-6- 11 ACOPLOS DIRECTIVOS • Definición: dispositivo de 4 puertas totalmente adaptado donde, para cada puerto de entrada, existe un puerto aislado. • Tipos de puertos: – Transmitido: aquel al que se transmite la mayor cantidad de potencia – Acoplado: aquel al que se transmite la menor cantidad de potencia – Aislado: aquel al que, idealmente, no se transmite ninguna potencia • Diferencias con la T mágica: Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes • Diferencias con la T mágica: – El puerto acoplado y transmitido no tienen que ser iguales. – El puerto acoplado y transmitido están desfasados 90º. • Si entrando por 1 el puerto aislado es el 2, la matriz resulta: = 00 00 00 00 2414 2313 2423 1413 ss ss ss ss S 1: entrada 2: aislada 4: transmitida 3: acoplada Medidas en Microondas-6- 12 PUENTE DE IMPEDANCIA ass ⋅Γ⋅⋅ • La señal en el brazo 4 se compone de – Señal reflejada en la carga problema |Γ |: 1 2 4 3 ΓR ΓP Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes 31413 ass p ⋅Γ⋅⋅– Señal reflejada en la carga problema |Γp|: – Señal procedente de a3 debido a un aislamiento imperfecto – Señal reflejada en la carga de referencia |Γr|: • Las dos últimas producen error. • Se suelen utilizar acoplos de alta relación de acoplamiento (-20dB) para reducir los errores. Por lo que si: 334 as ⋅ 31413 ass r ⋅Γ⋅⋅ ⇒ < = = 01.0 9950.0 1.0 34 14 13 s s s Señal directa de 3: 0.01 a3 Señal reflejada en la referencia: 0.099 a3 |Γr| Medidas en Microondas-6- 13 PUENTE REFLECTOMÉTRICO • Se da un paso más respecto al puente de impedancia: se sustituye el oscilador generador por un generador de barrido para tener una medida en banda de frecuencia. • SE SUPONE CONSTANTE LA RESPUESTA EN FRECUENCIA DE TODOS LOS ELEMENTOS EN TODA LA BANDA. 1 4 Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes 1 2 4 3 ΓR ΓP Generador de barrido PRESENTACIÓN Control de frecuencia Medidas en Microondas-6- 14 BANCO REFLECTOMÉTRICO • Se da un paso más respecto al puente reflectométrico: se sustituye la carga de referencia por un detector que, además de estar adaptado, proporciona una señal de referencia. • Esto reduce mucho los errores debidos a las inestabilidades de los generadores 4 4 2 2 2 13 13 4 4 4 2 22 1 1 114 14 1214 13 r p i g P P s sP P P I PP P Is P s Ps s Γ = = = = ≈ = ⋅ ⋅⋅ Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes 1 2 4 3 ΓP Generador de barrido PRESENTACIÓN Control de frecuencia Pr Pi P1 P4 Pg Medidas en Microondas-6- 15 PUENTE INTERFEROMÉTRICO • Objetivo: medida de cuadripolos por sustitución. • Se mide la potencia transmitida sin cuadripolo (calibración en transmisión) y con cuadripolo Carga adaptadaGenerador de barrido Tmágica divisora Tmágica combinadora Carga adaptada Cuadripolo a medirOnda incidente 1 Onda transmitida 1 B Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes • La señal se divide en dos iguales en una T-mágica o una T. • Una señal proporcional a la diferencia de las transmitidas en cada brazo se recoge en el brazo diferencia (E) de la T mágica. • Si todos los elementos están bien calibrados la única forma de anular la señal en el brazo diferencia es que el cuadripolo a medir sea idéntico al de referencia. PRESENTACIÓNAtenuador calibrado Desfasador calibrado Onda incidente 2 Onda transmitida 2 B= onda transmitida 2 – onda transmitida 1 Medidas en Microondas-6- 16 ANALIZADOR DE REDES • Es prácticamente el único sistema de medida de impedancias que se emplea en la actualidad. • Puede ser: – Analizador escalar: mide solamente el módulo de los parámetros de transmisión o reflexión. – Analizador vectorial: mide módulo y fase de los parámetros S. • Su evolución se ha producido en una doble línea: Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes • Su evolución se ha producido en una doble línea: – Incremento de prestaciones • Fiabilidad, precisión, facilidad de manejo, rapidez, estabilidad, integración. – Incremento en frecuencia • Incremento del rango integrado. • Adición de puentes externos para aumentar más la frecuencia. Medidas en Microondas-6- 17 DIAGRAMA DE BLOQUE DE UN ANALIZADOR ESCALAR Permite obtener las medidas de los módulos de transmisión y reflexión en función de la frecuencia R DETECTOR Referencia Sistema de Generador de barrido Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes DETECTOR Transmisión A B DETECTOR Reflexión Sistema de presentación y control D.U.T. Acoplador de referencia Acoplador de reflexión de barrido Carga Medidas en Microondas-6- 18 DIAGRAMA DE BLOQUE DE UN ANALIZADOR VECTORIAL (I) • El objetivo es la medida de la amplitud y la fase de los parámetros S. • Respecto al analizador escalar: se sustituyen los circuitos detectores por conversores de frecuencia de forma que se reduce la frecuencia de la señal a un valor suficientemente pequeño donde se puede obtener la frecuencia de salida en un voltímetro digital. • Las frecuencias intermedias se obtienen mediante PLL enganchados a una muestra de señal. – Proceso muy complejo si los márgenes de medida son grandes. • La sensibilidad llega a valores de -90 a -100dBm con márgenes dinámicos de 80 dB. Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes Conversor RF-FI A B Conversor RF-FI R Conversor RF-FI Sistema de presentación y control BPF BPF BPF D.U.T. Acoplador de referencia Acoplador de reflexión Generador de barrido Oscilador PLL Carga Medidas en Microondas-6- 19 DIAGRAMA DE BLOQUE DE UN ANALIZADOR VECTORIAL (II) • Como reflectómetro se usa un acoplador direccional: – Cubriendo la banda total mediante circuitos de banda muy ancha. – Mediante varios circuitos conmutados. • Para medir los cuatro parámetros sin necesidad de desconectarlo al sistema se disponen de dos circuitos reflectómetros como se muestra en la figura. a1 b1 a2b2 Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes D.U.T. 1 2 GENERADOR Medidas en Microondas-6- 20 ANALIZADOR VECTORIAL (III) Puente interferométrico con dos acopladores direccionales para evitar la conmutación. Para la medida de la fase es necesaria la conversión de frecuencia a bandas inferiores. Va provisto de un receptor de comparación o voltímetro vectorial. Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes Medidas en Microondas-6- 21 ANALIZADOR VECTORIAL (IV): receptor de comparación Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes Medidas en Microondas-6- 22 ANALIZADOR VECTORIAL (V): prestaciones de los modelos iniciales TRANSMISIÓN La precisión es muy buena, tanto en amplitud como en fase Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes Medidas en Microondas-6- 23 ANALIZADOR VECTORIAL (III) Puente interferométrico con dos acopladores direccionales para evitar la conmutación. Para la medida de la fase es necesaria la conversión de frecuencia a bandas inferiores. Va provisto de un receptor de comparación o voltímetro vectorial. Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes Medidas en Microondas-6- 24 ANALIZADOR VECTORIAL (VI): prestaciones de los modelos iniciales REFLEXIÓN La precisión no es tan buena, pero se pueden reducir los errores mediante calibración Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes Medidas en Microondas-6- 25 ANALIZADOR VECTORIAL (VII): prestaciones de equipos actuales REFLEXIÓN TRANSMISIÓN Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador de redes Medidas en Microondas-6- 26 ANALIZADOR VECTORIAL (VIII): aumento de frecuencia Grupo de Radiofrecuencia, Electromagnetismo, Microondas y Antenas, GREMA, UC3M Tema 1: Medida de la impedancia: analizador
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