Instituto Politecnico Nacional ESIME CULHUACAN Laboratorio de Ondas Electromagnéticas Guiadas Práctica # 2:
Medición de parámetros de la línea de transmisión bajo diferentes condiciones de carga
Ondas Electromagnéticas Guiadas Fecha de Entrega: 19/02/2013 Gonzalez Moreno Antonio de Jesus Profesor: Kuri Gamboa Elias Grupo: 4EM3
INDICE: 1.- OBJETIVOS 2.- MARCO TEORICO 3.- ANTECEDENTES 4.- POSTURA ACTUAL 5.- MATERIAL Y EQUIPO 6.- DESCRIPCION DEL EQUIPO 7.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 7.1 ~ Desarrollo de cada experimento 7.2 ~ Diagramas 7.3 ~ Lecturas 7.4 ~ Observaciones 8.- CONCLUSIONES 9.- BIBLIOGRAFÍA
1.- OBJETIVOS:
Interpretar y observar el comportamiento de las líneas de transmisión en cuanto a la propagación de las señales enviadas por cierto generador de señales, en este caso por medio de un simulador se muestran los efectos presentados en una línea de transmisión con diferentes terminaciones de carga. Se muestra la propagación de las ondas electromagnéticas en una línea de transmisión artificial, la cual se muestra gráficamente más adelante. 2.- MARCO TEORICO: En el estudio de un sistema de línea de transmisión real, el diseñador generalmente se ve imposibilitado de emplear el sistema en su conjunto, ya sea por su elevado costo o por sus grandes dimensiones, una forma de subsanar este inconveniente es haciendo uso de un simulador en el cual se pueden reproducir la mayoría de los efectos que se presentan al circular una señal a través de una línea de transmisión. Se sabe que la línea de transmisión está formada por elementos capacitivos, inductivos y resistivos distribuidos a lo largo de toda la línea. Sobre la base de lo anterior se pueden concentra dichos elementos y así formar una línea de transmisión artificial o simulador. El simulador TLD-11 tiene las siguientes características: La impedancia característica es de 600 Ω balanceados (Z0), los leds permiten visualizar la propagación de la onda a lo largo del simulador cuya longitud se puede seleccionar por medio de una llave rotativa a L, 2L y 8L cuyos tiempos de propagación corresponden a 0.25, 0.5 y 2 segundos respectivamente. Es posible anexar atenuación por medio de un control de atenuación cual no está calibrado. Si se desea explorar un instante de la propagación de la onda a través del simulador se puede hacer por medio del control (HOLD-RUN). En la posición HOLD la señal se detendrá en ese instante; al regresar a RUN la señal reanuda su avance a lo largo del simulador. Con la finalidad de energizar al simulador se dispone de un generador de funciones con las siguientes características: Frecuencia: 0.01 Hz – 100 KHz en 7 escalas controladas por medio de una botonera. Exactitud en la escala ± 5% de la escala completa. Generalmente ± 1 de la indicación de 1 al 10 en la escala del dial. Salida principal: Formas de onda senoidal- cuadrada – triangular con selección por medio de un botón: Impedancia de la fuente de señal de 600 Ω .
Control de amplitud: Se realiza por medio de un control calibrado simple rotulado con escalas del 1 al 10, a intervalos de 1 Vp.p. Salida mínima usable – ligeramente menor que 100 mVp.p. Amplitud máxima de 10 Vp.p. a circuito abierto. Estabilidad en amplitud: Generalmente menor al 5% de cambio de pico a pico en la gamma de 0.01 – 100 KHz. 3.- ANTECEDENTES: En un sistema radioeléctrico, una vez capturada una señal si se desea conectarla a otra etapa se hace a través de una línea de transmisión, la que en el caso más simple el dispositivo se reduce a un par de alambres o cables, un cable coaxial, una sección de guía de onda o una fibra óptica. El proceso de conexionado desde el punto de vista mecánico es muy simple, sin embargo cuando se envía una señal radioeléctrica a través de ella se presentan una serie de fenómenos, los cuales afectan la naturaleza de la señal de tal forma que resulta conveniente analizar con mucho detalle el proceso. Se define como línea de transmisión al dispositivo que permite acoplar o transferir energía radioeléctrica entre dos o más puntos con la menor pérdida posible. En general la línea de transmisión es un medio con fronteras bien definidas, entre las cuales se propagan ondas electromagnéticas las que tienen su origen en las diversas configuraciones del campo electromagnético o modo de propagación que se forma en el espacio vecino de la línea de transmisión, así desde este punto de vista a las líneas de transmisión se les puede clasificar en: -
Líneas de transmisión que transmiten con modos T.E.M. Líneas de transmisión que transmiten con modos de orden superior.
Entre las líneas que transmiten con modos T.E.M. están las líneas de transmisión bifilares y los cables coaxiales, mientras que entre las líneas que transmiten con modos de orden superior están las guías de onda. Además existen otras como las líneas de transmisión dieléctricas que operan con modos cuasi TEM estas son las fibras ópticas. La característica más importante en una línea que opera con modos TEM (Transverso Electro Magnético) es que no existe componente ni del campo eléctrico E ni de la intensidad de campo magnético H en la dirección de propagación es decir las componentes de los campos son totalmente transversales a la dirección de
propagación. En las guías de onda existen algunas componentes del campo eléctrico E o de la intensidad de campo magnético H en la dirección de propagación. 4.- POSTURA ACTUAL: Hoy en dia las líneas de transmisión son bastante utilizadas tanto en el área de comunicaciones como en otras áreas relacionadas a las ciencias y tecnología, asi como también en las aplicaciones no tecnológicas, como podría ser en medicina, pues su utilización radica en la fibra óptica. 5.- MATERIAL Y EQUIPO: A.- Simulador de línea de transmisión marca Feedback TLD-511 B.- Generador de funciones marca Feedback FG-600 o equivalente. C.- Juego de cargas y puntas de conexión. 6.- DESCRIPCION DEL EQUIPO: A.- Simulador de línea de transmisión marca Feedback TLD-511: Este tipo de aparatos se usan en el diseño de sistemas de líneas de transmisión para pruebas, ya que no es posible realizar simulacros en tamaño y tiempo real en sistemas en operación. Este modelo de simulador cuenta con opciones para modificar la longitud de la línea (L, 2L y 8L); permite ver la propagación de la onda mediante 13 columnas de leds, cada columna cuenta con 10 leds. Es posible variar la atenuación usando del control HOLD - RUN. La impedancia característica de este modelo es de 600Ω. Cuando se requiere detener una imagen del simulador, para dibujar la forma de onda que pasa a través de él, se cuenta con el control HOLD - RUN desplazando dicho control a la posición Hold, si se conmuta a RUN el simulador vuelve a mostrar la señal de propagación. B.- Generador de funciones marca Feedback FG-600 o equivalente: Para variar las formas de onda se alimenta al simulador con generador de funciones el cuál maneja frecuencias desde 0.001Hz hasta 100 KHz, y permite elegir entre tres formas de onda (triangular, cuadrada y senoidal), además de que proporciona un control para la amplitud de la onda. Su impedancia característica es de 600Ω. C.- Juego de cargas y puntas de conexión: Elementos de cargas resistivas con diversos valores, los cuales nos serán útiles en la experimentación, asi mismo utilizaremos los correspondientes juegos de puntas para realizar las conexiones indicadas.
7.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:
7.1 ~ Desarrollo de cada experimento: A.- Arme el circuito que se muestra en la figura 1 con los siguientes comandos: Control: *Power on *Step input *Hold-Run *Line length *Attenuation
Pocisión: - Lámpara encendida - En la posición media - Run - 8L - Min
B.- A continuación debe colocar las uniones (links) como se observa en la Fig. 1. Ahora tenemos preparado nuestro simulador para realizar los pasos indicados: 1. Mande un pulso de A a B, moviendo brevemente el control step input hacia A, hasta observar que se ilumina la segunda columna. El pulso enviado se reflejará, es decir, regresará a A y volverá a B, debido a que no hay una carga que consuma dicha señal. 2. Coloque una carga de 600 Ω (600R) en la entrada B, antes del link. Repitiendo el paso uno se observa que la señal no se refleja al llegar a B, debido a que existe una carga, la cuál la consume totalmente. 3. Cambie la carga de 600 R a la entrada A, después del link. Repitiendo el paso uno es posible ver que el pulso viaja hasta el lado B, reflejándose, por lo que regresa a la entrada A, siendo consumida por la carga colocada. 4. Coloque otra carga de 600R en la entrada B, antes del link. Mandando un pulso de A hacia B, es posible observar que llega la señal a B, siendo consumida por la carga. Si se manda el pulso en sentido contrario, es decir, de B a A, se observará algo similar, la señal se viaja a A y ahí es consumida por la carga. Se le denomina onda incidente al pulso enviado, y en caso de haber reflexión, el pulso que regresa se le llama onda reflejada.Es importante recordar que los links son ligas o uniones que nos sirven para cerrar el circuito del simulador y poder mandar pulsos, ya sea de A hacia B si el link se encuentra colocado horizontalmente y en las entradas adecuadas como en la Fig. 1; o de B hacia A si el link se coloca de forma similar, pero en el lado opuesto. 5. Desarrolle los 4 conjuntos de experimentos planteados a continuación. Experimento 1: Propagación de una Linea de Transmisión (Fig. 1, 2, 3) El propósito de este experimento es que el alumno visualice la propagación de una perturbación, tal como un pulso o una onda, en una línea ideal no reflejante, como sería la propagación de una onda acústica (la propagación únicamente se realiza en una dimensión).
Mande un pulso de A a B, de la forma que se indico en el inciso 1 de la Práctica Básica. Este pulso de cuatro niveles viajará hacia el final de la línea (B) y desaparecerá, al ser consumida por la carga, puede observar el efecto en la Fig. 2. * Propagación en sentido inverso de un pulso de una señal * Propagación de una onda senoidal Experimento 2: Atenuación y Dispersión (Fig. 5,6) El objetivo de este experimento consiste en comprobar los efectos principales de perdidas en la línea (atenuación), asociadas con las propiedades de amplitud-frecuencia y amplitud-fase. * Atenuación de una onda senoidal * Distorsión de la atenuación * Dispersión de un pulso Experimento 3: Terminaciones casos simples (Fig. 6,7) El objetivo de este experimento es comprobar que existe un valor de impedancia especial que absorbe totalmente a la señal que se propaga a través del simulador, en caso de no tratarse de la impedancia correcta se presentará el fenómeno de reflexión. * Reflexión de una señal en un sistema de desacoplamiento severo * Superposición de onda incidente y reflejada * Ondas estacionarias Experimento 4: Ondas estacionarias y reflexión parcial (Fig. 8) Este experimento tiene varios propósitos: observar la reflexión parcial en una terminación desacoplada; observar a las ondas estacionarias sobre una línea con terminación desacoplada; y confirmar que las ondas estacionarias son iguales a la suma de las ondas incidentes y reflejadas. Si una línea está terminada en un valor de impedancia idéntico al de la impedancia característica, se dice que está correctamente terminada y por lo tanto no hay ondas reflejadas, es decir, la totalidad de la señal se absorbe en la carga. Si la terminación es en corto circuito o en circuito abierto la totalidad de la señal se refleja. * Reflexión de un pulso * Onda estacionaria debido a desacoplamiento
7.2 ~ Diagramas:
7.3 ~ Lecturas: Experimento 1: * Propagación en sentido inverso de un pulso de una señal - Los pulsos se anulan debido a que ambas cargas son iguales. Fig. 2 * Propagación de una onda senoidal – La señal se produce con un máximo a cierta distancia recorrida y regresa de la misma manera pero con un desfasamiento de 180 grados (Pasa por debajo de donde surge la primer señal). Fig. 4 Experimento 2: * Atenuación de una onda senoidal – Al girar la perilla se atenua gradualmente la señal por lo que se atenua y al final termina desapareciendo. Fig. 5
* Distorsión de la atenuación – Al observar tal atenuación en un estado estático observamos los valores máximos, minimos y medios de tal atenuación. * Dispersión de un pulso – Al mandar un pulso este se atenua mas aparte sufre un efecto en el cual se crea una cola detrás de tal atenuación. Fig. 6 Experimento 3: * Reflexión de una señal en un sistema de desacoplamiento severo – Impedancia de carga es igual a impedancia característica, por lo tanto se anula la señal. Fig 6 * Superposición de onda incidente y reflejada – Obtenemos un máximo y poco a poco estese va atenuando hasta desaparecer. * Ondas estacionarias – A mayor frecuencia la longitud de onda es menor en la onda viajera y la amplitud aumenta en la estacionaria con respecto a la viajera. Fig 7 Experimento 4: * Reflexión de un pulso – El coeficiente de reflexión cambia de signo debido a que es una carga menor que la característica por lo que primero viaja por la parte superior y luego por la inferior. * Onda estacionaria debido a desacoplamiento – La onda estacionaria se reduce debido al desacoplamiento. Fig 8 7.4 ~ Observaciones: Al hacer ciertas observaciones fue un tanto difícil mantener una señal integra o ideal para poder analizar dicha señal, pero finalmente todo salió a pie de pagina tal y como se indica en la sección a desarrollar de esta práctica. El simulador de L.T. estaba un tanto averiado y con ciertos detalles técnicos por lo que puede que haya sido una razón que hacia inconsistentes ciertas observaciones. 8.- CONCLUSIONES: Las líneas de transmisión sufren de distintos fenómenos, debido tanto a acoplamientos como desacoplamientos, pues así mismo se encuentran ciertos fenómenos estrechamente relacionados con la resistencia con la que se encuentran tales líneas a su paso mientras estas son portadoras de señales o pulsos que de cierta manera podrían llegar a decrecer y de igual manera podríamos llegar a encontrar tanto máximos como mínimos en términos de transferencia de señales como lo vimos en tales experimentaciones elaboradas. El coeficiente de reflexión puede llegar a sufrir bastantes cambios como el desfasamiento y por lo tanto la variación de su amplitud (+1, -1). La señal puede sufrir de decrementos o atenuación por
lo cual se sufren perdidas de información. Es necesario conocer a que amplitud y en que tiempo se logra obtener la mejor transmisión de la señal en una L.T. para asi poder mandar íntegramente o lo mejor posible la información deseada desde un transmisor hasta un receptor. 9.- BIBLIOGRAFÍA: Fundamentos de electromagnetismo para ingenieria - David K. Cheng Campos y Ondas Electromagnéticas - David K. Cheng
