UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
La Universidad Católica de Loja Microondas
Integrantes:
Carlos Andrés Puchaicela
Nixon Israel Tigre
Fecha: 2017/10/31
Diseño de un circuito atenuador en T
1. Objetivos a. Objetivo General -
Realizar el diseño de un atenuador tipo T para conseguir una atenuación de 13.42 dB (22 veces).
b. Objetivos Específicos -
Calcular los valores nominales de las resistencias para obtener una atenuación de 13.42 dB Diseñar un circuito atenuador que no dependa de la frecuencia (netamente resistivo). Acoplar el circuito, siendo que, visto desde la entrada tiene que tener una impedancia de 50 ohmios y visto desde la carga de 50 ohmios. Simular el circuito atenuador (en T) en el software de simulación AWR Desing Environtment con los valores de resistencias encontrados Calcular los parámetros S en una línea de transmisión
2. Marco teórico El atenuador es uno de los componentes básicos de un banco de microondas. En té rminos genéricos puede definirse como un elemento de circuito que produce una reducción en la amplitud de la onda que se propaga por la línea. El factor de atenuación se suele expresar en dB. Puede definirse en términos del cociente de la potencia de entrada y la de salida, o bien en términos de los campos correspondientes. En general, el atenuador produce también un cambio de fase, pero en la mayoría de los problemas de microondas no es necesario tenerlo en cuenta. Un atenuador se emplea fundamentalmente para regular la potencia de una señal que se propaga por un un sistema de transmisión. También es muy útil para para evitar las fluctuaciones en la señal de salida de un generador cuando en el sistema hay ondas reflejadas, o bien
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simplemente para reducir las reflexiones de una carga fuertemente desacoplada en amplios márgenes de frecuencias. Los atenuadores que reducen la potencia por efecto Joule se conocen como atenuadores disipativos. Entre las propiedades del atenuador debe estar la adaptación de las puertas de entrada y salida. De igual modo, un atenuador ideal no debe introducir cambios o distorsión de fase en el sistema en el cual se inserta. [1]
= [0 0] La operación básica de un acoplador direccional se muestra en la figura 1, en la cual se muestra el símbolo usado para un acoplador direccional y la definición de sus puertos. La potencia suministrada al puerto 1 es acoplada al puerto 3 (el puerto acoplado) con el factor de acoplamiento , mientras que el resto de la potencia de entrada es entregada al puerto 2 (el puerto cruzado) con el coeficiente . En un acoplador direccional ideal, no se entrega potencia al puerto 4 (el puerto aislado). [2]
|| =
|| =∝= 1
2.1 Configuraciones Existen configuraciones de red en T y en las mis mas que se pueden observar en la figura 1.
Figura 1. Configuraciones de un atenuador. (a) Red en T, (b) Red en pi.
2.2 Matriz de dispersión
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Figura 2. Matriz de dispersión S.
Pasiva:
≤ 1 ≤ 1 = = = y
= [0 0] Γ = Γ = 0 ⟹ Γ = Γ = 0
Se conserva la adaptación de la red: Reciprocidad: Simetría: y 2.3 Aplicaciones
En general los atenuadores se emplean fundamentalmente para reducir la potencia de señal que se propaga por un sistema de transmisión. Mencionaremos algunas aplicaciones:
Instrumentos de medición y aparatos eléctricos (televisiones y radios).
En los sistemas de microondas, en algunos casos, los atenuadores requieren un control automático de ganancia para la recepción y transmisión de s eñales. [2]
Evitan fluctuaciones en la señal de salida de un generador cuando en el sistema hay ondas reflejadas o bien simplemente para reducir las reflexiones de una carga fuertemente desacoplada en amplios márgenes de frecuencia.
En mezcladores de RF en donde el procesado de señal se lo realiza en el nivel intermedio de frecuencia. En la frecuencia intermedia la señal no exceder cierto umbral sino se producirán mezclas espurias. [3]
3. Diseño y Simulación 3.1 Atenuador en T Dado que tenemos el nivel de atenuación 13.4 dB, para determinar los valores de las resistencias debemos expresar el nivel de atenuación en términos de los parámetros S.
= = El cuadrado de
representa la ganancia de circuito
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= = = 1 = 1 = 10log1 == 10log − − 20log
Las pérdidas por atenuación es el inverso de la ganancia del circuito:
Cálculo para Atenuador en T. Partimos de las pérdidas de atenuación: El atenuador tiene las siguientes características:
Como se conoce
= 30 = 50 Ω − = 20log = 20log( + ) = ( + ) 20 + 10 ⁄ = ( ) ⁄ = ⁄+ .4⁄ 50 50 1 0 = 10.4⁄ + 1 = 32.386Ω = 2 32.386 50 = 232.386 = 22 Ω = + 38 = 5500 + 32. = 0,232.1338 y
despejamos
:
Reemplazamos valores:
La matriz de dispersión nos queda de la siguiente forma:
y
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= 0,2013 0,2013 Ω Ω
R1= 32.38
R2= 32.38
R3= 22
Ω
SIMULACIÓN
La simulación se la realizó en el software AWR Desing Environment 12 y se obtuvieron los siguientes resultados:
Figura 3 – Circuito diseñado en T (AWR)
Figura 4 – Parámetro S12 Circuito diseñado en T (AWR)
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IMPLEMENTACIÓN Para la implementación hemos utilizado resistores de montaje comerciales, dos de valor 32 ohm y uno de 22 ohm Por otra parte hemos utilizado dos conectores SMA hembra por el hecho que tienen menores pérdidas y trabajan muy bien a altas frecuencias. En la siguiente figura se muestra como quedó el atenuador
Figura 5 – Circuito final
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Ya con el atenuador implementado se procedió a realizar las mediciones en el analizador de redes vectorial, el cual nos arrojó los siguientes resultados:
Parámetro S11
Parámetro S12
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Parámetro S21
Parámetro S22
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5. CONCLUSIONES
Debido a que no existen los valores exactos de los resistores medidos, se debe usar los valores de resistores comerciales más cercanos a los cálculos, lo que como se pudo evidenciar en las gráficas anteriores de los parámetros de la matriz, provoca alteraciones en la atenuación final.
Los atenuadores nos permitirán acoplar una señal para que la misma pueda ser usada para un proceso posterior, ya sea de filtrado o amplificación.
En nuestro caso se pudo conseguir dos resistores comerciales de 33
Ω
ℎ
y uno
de 22 por lo que la atenuación resultante fue de 13.34 dB.
Se puede evidenciar que el atenuador al no depender de la frecuencia tiene un gran ancho de banda.
Finalmente, el atenuador debe ser lo más compacto y robusto posible para que al momento de realizar las mediciones en el analizador de redes vectorial este no sufra alguna desconexión.
Analizando los parámetros S: o
S11 es el coeficiente de reflexión a la entrada, con la salida terminada en carga adaptada. Muy Cercano a cero.
o
S22 es el coeficiente de reflexión a la salida con la entrada terminada en carga adaptada.
o
S12 es la ganancia de transmisión directa con la salida terminada en carga adaptada.
o
S21 es la ganancia de transmisión inversa, con la entrada terminada en carga adaptada.
Cuando un dispositivo estuvo a bajo prueba, esto es cuando, se inserta entre una fuente de señal y un detector como, en este caso, un analizador vectorial, se puede introduce importantes errores. Este efecto es debido a la impedancia de la malla o blindaje externo del cable y sólo ocurre a baja frecuencia (por debajo de 100 kHz). A medida que se incrementa la frecuencia, el cable actúa más como una línea de transmisión y la impedancia de la malla o blindaje e s menos crítica.
6. RECOMENDACIONES
Se recomienda utilizar resistores de montaje superficial debido a que existen menos pérdidas.
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Se recomienda soldar de manera precisa y exacta los conectores SMA a la placa para que no exista problema de desconexión de los conectores al momento de realizar las mediciones Se recomienda utilizar cautín de alta potencia para que el soldado sea rápido y evitar sobrecalentar los resistores para que éstos no influyan en el correcto funcionamiento del atenuador. Se recomienda cortar los resistores comerciales al máximo punto de unión con el resto del circuito para obtener un buen resultado del atenuador
7. REFERENCIAS [1] Miranda J., Sebastián J.L., Sierra M. y Margineda J., <>, PEARSON EDUCACION S.A., Madrid, 2002.
[2] Baquero Mariano, <>, Universitat Politècnica de València,2011.
[3] AWR Design Environment Internal, V.10.04, AWR Corporation, 1999-2012. wa [4]Cable coaxial [en línea]. Disponible
en
[5]Parámetros
S
y
Carta
de
Smith,
parte 1
[en
línea].
Disponible
en
[6]Parámetros
S
y
Carta
de
Smith,
parte 2
[en
línea].
Disponible
en
[7]COAXIAL CABLE - ATTENUATION & POWER HANDLING CALCULATOR [en linea]. Disponible
en
