Técnicas de acople de Impedancia Sergio Fernández Rojas 20081005099, 20081005099, Jonathan Espinosa López 20082005018, Freddy Daniel García Cala 20082005034
--This paper presents the characteristics, behavior and design of a single stub tuning; the document is based on previous simulations on Ansoft Designer software, theoretical information and laboratory practice.
II. OBJETIVOS
Abstract
Index terms--input
impedance, single-stub, coaxial,
Ansoft designer.
A. Objetivo General Acoplar una impedancia compleja a una línea de transmisión con un equilibrador reactivo simple conectado en paralelo. B. Objetivos Específicos
I. INTRODUCCION
E
l acople de impedancias es algo trascendente a la hora de transmitir información, ya que se requiere que haya la máxima transferencia de potencia, La red de acople se diseña generalmente para que la impedancia vista desde ambos terminales sea la misma. Logrando un buen acople se espera que las señales reflejadas desaparezcan (aunque habrá reflexiones múltiples entre el acople y la carga). En otras palabras la técnicas de acople son técnicas que consisten en la eliminación de las reflexiones que se producen en una línea de transmisión cuando ésta se encuentra terminada con una carga de impedancia distinta de la impedancia característica característica de la l a línea. Los métodos más comunes en el acople de impedancias en banda estrecha son:
— Transformador — Transformador lambda/4 — Adaptación — Adaptación con elementos concentrados — Simple — Simple sintonizador en serie (Stub Sencillo en serie) — Simple — Simple sintonizador en paralelo (Stub Sencillo en paralelo) — Doble sintonizador en serie (Stub doble en serie) — Doble sintonizador en paralelo (Stub doble en serie)
Implementar el equilibrador reactivo (stub sencillo) diseñado en la práctica 3. Comprobar la impedancia de entrada de la línea de transmisión a longitud L1. Comprobar la impedancia de entrada del Stub (d1). Comprobar la impedancia de entrada, SWR y RTL a la entrada de la línea de transmisión para el acople sugerido. Calcular porcentaje de error de los parámetros medidos.
III. MATERIALES
Cable RG58-AU (Línea de Transmisión λ /8(carga) a 115 MHz) Cable RG58-AU (Línea de Transmisión y stub 115 MHz) Conectores BNC (Macho) 1 T BNC (H) - (H) - (H) 1 T BNC (H) - (M) - (H) 1 Carga de 50 Ω ( Terminador) BNC (M) Analizador de Redes
IV. MARCO TEÓRICO El acople de impedancia es importante principalmente por la siguiente razón: hay máxima transferencia de potencia cuando la carga está acoplada con la línea (suponiendo que el generador está acoplado). Y las pérdidas de
potencia en la línea de alimentación se reducen al mínimo.
paralelo es especialmente fácil de en forma de ―microstrip‖ o ―stripline‖.
fabricar
En el acople con stub sencillo, los dos parámetros ajustables son la distancia a la que está la carga del Stub, y el largo del mismo. Figura 1. Una red de acople sin pérdidas para ac oplar una carga ZL con una línea de transmisión con impedancia característica Z0.
Mientras la impedancia de carga ZL tenga una parte real distinta de cero una red de acople siempre podrá ser encontrada. Hay muchas opciones disponibles para hacer los acoples, sin embargo, vamos a discutir el diseño y realización de algunos tipos de acoples prácticos. Los factores que pueden ser importantes en la selección de una red de acople particular, incluyen los siguientes: — Complejidad: Al igual que con la mayoría de soluciones de ingeniería, el diseño más simple que satisfaga las especificaciones requeridas, es generalmente preferible. Un acople simple es usualmente más barato, más confiable y posee menos pérdidas que un diseño más complicado. — Ancho de Banda: Cualquier tipo de red de acople ideal puede dar un acople perfecto (reflexión igual a cero) en una sola frecuencia. En muchas aplicaciones, sin embargo, es deseable acoplar una carga sobre una banda de frecuencias. Hay varias maneras de hacer esto pero, por supuesto, implica un aumento correspondiente en la complejidad. — Implementación: Dependiendo del tipo de línea de transmisión o de ser una guía de ondas, un tipo de red de acople puede ser preferible en comparación con otro. Por ejemplo, los stub de ajuste son mucho más fáciles de aplicar en una guía de onda que transformadores lambda cuartos multisección. — Ajustabilidad: En algunas aplicaciones de acoples puede que requieran ser ajustados para que coincida con una impedancia de carga variable. Algunos tipos de redes de acople son más susceptibles que otras en este aspecto. A. Stub Sencillo El acople con stub sencillo es una técnica de acople que utiliza una longitud de línea de transmisión(un "stub") en circuito abierto o en corto circuito, conectado en paralelo y/o en serie con la línea de transmisión a una cierta distancia de la carga, como se muestra en la figura 1. Tal circuito de sintonización es conveniente desde un aspecto fabricación de microondas. El stub en
Para el caso del stub en paralelo, la idea básica es seleccionar d de tal forma que la admitancia Y, que se ve mirando en la línea a una distancia d desde la carga es de la forma Y0 + jB. Entonces la susceptancia del stub se escoge igual a – jB, resultando en la condición de acople.
Figura 2. Diferentes formas de conectar un Stub sencillo a una línea de transmisión.
Para realizar el acople es necesario: - Determinar la longitud (L) del stub. - Determinar la distancia (d) a la carga donde hay que colocar el stub.
La admitancia equivalente de un stub terminado en cortocircuito o circuito abierto es siempre imaginaria
Por lo tanto, el stub debe colocarse en un punto en el que la admitancia de la línea tenga parte real igual a Yo (parte real normalizada igual a la unidad)
() ̂() V. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
1.
Calibrar el AVR con las Cargas BNC
Para esto se utilizaron las cargas en circuito abierto, la carga en corto circuito, y la carga de 50Ω, garantizando que el anali zador de redes quede calibrado. 2. Medición de la carga reactiva en paralelo con la carga de 50 La primer medición que se realizó fue la de la carga que se iba a acoplar con el stub sencillo que era un trozo de coaxial cortado a terminado en corto en paralelo con un terminador de 50 . El valor obtenido fue el siguiente:
√
Entonces las distancias de l y del brazo del stub son respectivamente las siguientes
3. Medición de la impedancia de entrada con el stub implementado
De este resultado nos podemos dar cuenta que la carga ( ) que vamos a acoplar es la hallada en la práctica 2, del paralelo entre una carga de 50 Ω y la longitud del cable coaxial cortado a λ /8:
El analizador de redes Anritsu ofrece la facilidad de exportar todos los resultados obtenidos de la medición realizada los cuales mostramos a continuación.
Para continuar con la práctica debemos hallar las longitudes necesarias para el stub sencillo, entonces normalizamos la carga con 50, ya que es la impedancia característica del coaxial que utilizamos, quedando lo siguiente, que es con la carga que vamos a trabajar de ahora en adelante:
Figura 3. ROE para un barrido en frecuencia de 75-150 MHz
A. Acople con Stub Sencillo El procedimiento detallado como lo vemos en el anexo 1 muestra que los valores obtenidos fueron los siguientes:
Haciendo un zoom a esta imagen es posible corroborar la condición de diseño ROE<1.2 a la frecuencia de grupo de trabajo de 1 15Mhz.
Debido a que somos el grupo de laboratorio número 7, nuestra frecuencia de trabajo es
Y el valor de lambda es
Figura 4. ROE para un barrido en frecuencia de 75-150 MHz
Figura 5. Pérdidas de Retorno para un barrido en frecuencia de 75-150 MHz
Figura 7. Simulación del acople con el stub sencillo.
Figura 8. ROE Figura 6. Carta de Smith
VI. SIMULACIONES Para la realización de simulaciones se usó el software libre ANSOFT DESIGNER versión estudiantil, se hizo un barrido de frecuencia desde los 105MHz hasta 125MHz para tomar como frecuencia central 115MHz que es la frecuencia de trabajo del grupo.
Figura 9. Impedancia de entrada
Debido a que en el Ansoft Designer equivale a 360 grados eléctricos, tomamos para la simulación los siguientes valores:
Quedando de esta forma la simulación: Figura 10. Pérdidas de retorno A continuación se muestran las tablas de datos para el ROE y la impedancia, para obtener un valor más preciso a la frecuencia de trabajo:
VII. MEDICIONES Y ANALISIS DE RESULTADOS Valor Valor esperado medido Zin 50.47Ω 48Ω ROE 1.01 1.18 l 50.42 cm 51.8 cm d 24.67 cm 23.5 cm Figura 13. Tabla de resultados.
Error porcentual 4.89% 16.8% 2.73% 4.74%
VIII. CONCLUSIONES
Para implementar el stub sencillo en la práctica se necesita una T BNC(H)BNC(M)-BNC(H), la utilización de esta T hace que se produzcan errores en la medición haciendo que no sea la más precisa, además la carga también requería una T, lo que hacía que el error aumentara.
El uso de stub sencillo es conveniente para anchos de banda pequeños, para este caso un BW de aproximadamente 10Mhz.
Es necesario realizar las mediciones de cada uno de los componentes, tanto como para la carga así como el brazo y el trozo de línea que une el stub con la carga, para tener mayor seguridad en el momento de medir.
Fue necesario realizar pequeños ajustes a las longitudes para garantizar que el ROE fuera menor a 1.2, ninguno de ellos supera el 5% (ver figura 13)
Figura 11. ROE exacto a 115MHz Podemos ver que el valor del de 1.010712 .
ROE en 115MHz es
Figura 12. Impedancia exacta a 115MHz Podemos ver que el valor de la impedancia en 115MHz es de 50.473Ω – j0.249Ω que es un valor muy cercano a los 50 Ω que queremos acoplar.
IX. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS [1] POZAR M., David, Microwave Engineering.John Wiley & Sons INC. 2 Ed
X. ANEXOS Anexo 1. Acople con stub sencillo.
