Diseño de un resonador anillo para estimar la permitividad relativa del dielectrico

Laboratorio N°2 DISEÑO DE UN RESONADOR ANILLO PARA ESTIMAR LA PERMITIVIDAD RELATIVA DEL DIELÉCTRICO OBJETIVO El principal objetivo de este laboratorio es poder estimar la constante dieléctrica de una placa doble cara con un sencillo modelamiento experimental a través de las caras características de resonancia de los anillos circulares implementados en tecnología Microstrip además también servirá para afirmar los conocimientos adquiridos en la manipulación de software ANSOFT DEIGNER para diseño de circuitos en microondas. ESTRUCTURAS RESONANTES Se dice que un sistema es resonante cuando presenta un comportamiento selectivo para algunas frecuencias. En electrónica los sistemas resonantes más utilizados son los circuitos LC, en los cuales la impedancia equivalente del circuito se vuelve cero o infinito para alguna frecuencia en particular. En realidad, todo sistema presenta perdidas de energía lo que provoca un comportamiento un tanto distinto del inesperado idealmente. Para medir la calidad de un resonador se utiliza el factor de calidad Q definido como la razón entre la energía promedio almacenada por el resonador y la energía disipada por unidad de tiempo, cuando el resonador se encuentra trabajando en su frecuencia natural.

Claramente este tipo de estructuras tiene mucha utilidad en electrónica, ya que pueden ser utilizados para construir Filtros y Osciladores. Cuando uno trabaja en microondas varias estructuras pueden ser utilizadas como resonadores, entre ellas desatacan los cristales dieléctricos, los anillos de microstrip, o la utilización de líneas abiertas. La corriente por la línea de transmisión genera una onda de voltaje que debe cumplir con la condición de borde periódica es decir: ( )

(

)

(

)

Esta condición de borde impone que: Y por tato la frecuencia central viene dada por √

Las ondas que cumplan con esta condición serán atenuadas. El caso critico corresponde a aquellas señales para las cuales (

)

Pues las señales se sumaran en fase de 180 grados produciéndose entonces una atenuación total, en general las estructuras presentan resonancia para una frecuencia Fo y para todos los múltiplos de esa frecuencia y esto genera problemas con el manejo de las armónicas por parte de los filtros. SIMULACIÓN EN ANSOFT DESIGNER La frecuencia a la que se va a trabajar es de 1.55GHz. En placas de dos caras en fibra de vidrio.

Figura N° 1 : Símbolo de Ansoft Se inicia con la creación del proyecto en: Project/insert Circuit Design… “MS-RT duroid 6010 (Er=10.2) 0.010 inch, 0.5 oz copper”

Figura N° 2 : Ventana del Choose Layout Technology “Proyect 1*/circuit 1/Data/Duroid6010” hacer clic y configura nombres y datos Substrate Name: 3.6 que cambia hasta 4.6 Para cambiar datos pulsar: Edit H: 1.5 Cambiar a mm Er: 3.6 cambiar hasta 4.6 según sea el nombre Ok

Figura N° 3 : Ventana donde se le da un nombre, se pone el tamaño del dieléctrico “Components/microstrip/transmission lines”

Figura N° 4 : Colocando las líneas de transmisión “Components/microstrip/_General Components/” “MSSTEP MSSTEP” “MSSTEP TEE”

Figura N° 5 : Con más componentes.

Rotamos con

y ordenamos

Figura N° 6 : Ordenado de componentes

Luego ponemos el “Interface port”

Figura N° 7 : Agregando interfaz. Cambiamos los “Interface port” haciendo doble clic sobre este y cambiamos a “Microwave Port” y OK

Figura N° 8 : Cambiando el interfaz Terminamos de armar el circuito

Figura N° 9 : Circuito completo

Figura N° 10 : Cambiando valores de frecuencia y E.

Cambiamos E=360 y a frecuencia de 1.55GHz y presionamos “Synthesis”

Figura N° 11 : Después de haber puesto systhesis Cambiamos a todos los W con los calculados anteriormente

Figura N° 12 : Copiando el valor de W

Figura N° 13 : Cambiando el valor de W en todos componentes

Figura N° 14 : Circuito cambiado a un mismo W Con el dato de P y de W calculamos r

Figura N° 15 : Los valores de potencia son copiados para el cálculo de r

Radio R = 16.66607684 mm Er 3.6 3.8 4,0 4.2 4,4 4,6

W 3.295 3.170 3.054 2.946 2.844 2.749

P 115.067 112.506 110.125 107.903 105.825 103.874

r 16.666 16.321 16.000 15.700 15.420 15.157

Tabla N°1: valores de los diferentes ´´Er´´ que dan diferentes radios.

Figura N° 16 : Cambiando los valores del radio Luego “Add Solution Setud”

Figura N° 17 : Ingresando a add solution setud

Figura N° 18 : Análisis de setup “add”

Figura N° 19 : Ingresando para poner parámetros de análisis Ponemos los valores para “Star”, ”Stop” y ”Step” que es los limites de donde se va a analiza en los anillos

Figura N° 20 : Poniendo los parámetros de análisis “Add” y “OK”

Figura N° 21 : Sumando los parámetros de análisis Luego “Finalizar”

Figura N° 22 : Viendo que se agregó parámetros Analizamos el circuito

Figura N° 23 : Analizando el circuito Creamos los reportes

Figura N° 24 : Creando los reportes “OK”

Figura N° 25 : Aceptando los reportes Y ponemos las variables a graficar

Figura N° 26 : Escogiendo las variables a graficar

La grafica nos muestra la frecuencia a la que se diseño

Figura N° 27 : Grafica de la frecuencia de trabajo IMPLEMENTACIÓN Nos genera esta grafica

Figura N° 28 : Empezando a graficar el anillo resonador Juntamos todos los bloques con “CONTROL + M”

Figura N° 29 : Pistas generadas por el programa

Figura N° 30 : Juntado todas las pistas Cambiamos el relleno

Figura N° 31 : Ingresando para cambio de pistas

Figura N° 32 : Cambiando los rellenos de las pistas

Figura N° 33 : Rellenado las pistas

Figura N° 34 : Rellenado todas las pistas Finalmente se tienen los anillos

Figura N° 35 : Resultado después de rellenar las pistas

Figura N° 36 : Si seleccionar Quitamos las flechas

Figura N° 37 : Ingresando para quitar la flechas

Figura N° 38 : Quitando las flechas Y ya está el anillo terminado

Figura N° 39 : Anillo terminado

CONCLUSIONES   

Con la variación de diferentes constantes dieléctricas se puede identificar la constante dieléctrica de la placa. El software nos facilita la fabricación de anillos resonadores. La frecuencia con la que se trabajo es de 1.55GHz para obtener 6 placas las cuales se analizan en el laboratorio identificando una de las más cercanas.