Universidad Nacional de Ingeniería Recinto Universitario Simón Bolívar Facultad de Electrotecnia y Computación
Ondas Electromagnéticas Trabajo: Seminario #1 Trabajo: Resonadores de microondas.
Integrantes: Aguilar Muñoz, Michael Jonathan Arauz Ortiz, Javier Enrique Profesor: Ing. Enrique José Hernández García.
Managua, Nicaragua Jueves, 5 de junio de 2012.
Contenido 1. Resumen 2. Objetivos a. Objetivo General b. Objetivos Específicos 3. Resonadores de microondas a. Resonadores RLC i. RLC en serie ii. RLC en paralelo b. Circuitos resonantes en alta frecuencia i. Inconveniente presentada en las altas frecuencia ii. Tipos de resonadores en alta frecuencia 1. Basado en líneas de transmisión 2. Resonadores de cavidad
Resumen El siguiente trabajo trata de profundizar en los distintos tipos de resonadores usando en la transmisión de microondas, para ello se dividirá en diversas secciones en la cuales hará énfasis en distintos aspecto de ellos. La primera parte tratara de aborda la definición de resonador, y sus distintos uso en los circuitos electrónicos, y las diferentes tecnología de construcción de los mismo. En la segunda parte se estudian los distintos tipos de resonadores basados en los distintos tipos de tecnología mencionado anteriormente, para ello hemos clasificados a los resonadores con el rango de frecuencia con las cuales trabaja, frecuencias baja, en los cuales ubicamos a los resonadores RLC, mientras que en frecuencia alta podemos mencionar a los resonadores basado en líneas de transmisión, resonadores de cavidad. Haciendo un especial énfasis en este último, detallando el modo de funcionamiento de los mismo, los distintos forma de construcción, y el funcionamiento de los resonadores sintonizable.
Objetivo General
Definir la variedad de funciones que desempeña los resonadores.
Objetivos Específicos
Conocer los diferentes tipos de resonadores para alta o baja frecuencia ocupando en transmisión con microondas. Explicar el principio de funcionamiento de los resonadores de cavidad.
Resonadores de microondas Los circuitos resonantes (en baja y alta frecuencia) son muy utilizados en ingeniería electrónica en una gran variedad de aplicaciones: filtros, osciladores, medidores de frecuencia y amplificadores sintonizados. La tecnología la que diferencie los circuitos resonantes en las distintas bandas frecuencia. Habría que definir un resonador como un dispositivo o sistema que es capaz de entrar en resonancia o que tiene la capacidad de comportarse de manera resonante, lo cual quiere decir que oscila a unas determinadas frecuencias con una amplitud más grande que a las otras. Sin embargo, habitualmente el término se utiliza para referirse a los objetos físicos que oscilan a una determinada frecuencia debido a que sus dimensiones son una integral múltiple de la longitud de onda a aquellas frecuencias. Las oscilaciones u ondas a un resonador pueden ser electromagnéticas o mecánicas. Los resonadores se utilizan tanto para generar ondas de frecuencias determinadas o para seleccionar frecuencias específicas de una señal Las tecnologías expuestas para realizar circuitos resonantes en microondas serán: líneas de transmisión, guías de onda formando cavidades resonantes y guías dieléctricas constituyendo resonadores dieléctricos. Depende de la frecuencia de trabajo a la que se quiera crear el resonador, ser diseñado y estudiado con diferentes tecnologías, como pueden ser circuitos equivalentes RLC para bajas frecuencias, tecnología microstrip para altas frecuencias, gua de ondas, cavidades, etc.
Circuitos Resonadores RLC Los resonadores RLC de microondas se pueden estudiar con dos tipos de circuitos equivalentes, en serie y paralelo, formados por elementos concentrados como resistencias, condensadores y bobinas. Son resonadores para trabajar a frecuencias inferiores a 1GHz, debido a la limitación en frecuencia que tienen estos elementos, sin olvidar que el
condensador puede trabajar a frecuencias un poco más elevadas de 1 GHz.
Resonadores RLC en serie En sus bornes presenta el mínimo de voltaje y la máxima corriente lo que supone el mínimo del modulo de impedancia. La forma de este tipo de resonadores es como la que se nuestra en la siguiente imagen:
La impedancia viene dada de la siguiente manera:
El circuito se halla en resonancia cuando la energía media almacenada en el campo magnético del la bobina coincide con la energía almacenada en el campo eléctrico del condensador. Esto nos indica que la impedancia de entrada dada por la frecuencia de resonancia va hacer real, como se mostrada en la ecuación:
Una de las características más importante en este tipo de resonadores es
la frecuencia de resonancia. Para obtenerla, se tiene que mirar que ocurre en las energías eléctricas y las magnéticas almacenada en la bobina L y en el condensador C. La energía almacenada en la inductancia L es:
Donde I es la corriente. La energía eléctrica almacenada en el condensador C es:
Donde V C es el voltaje que pasa por el condensador. De las dos ecuaciones mostradas anteriormente se obtiene la frecuencia de resonancia.
Resonadores RLC en paralelo En sus bornes hay máximo voltaje y mínimos de corriente lo que supone máximo modulo de impedancia. La forma de este tipo de resonador se observa en la siguiente fig.
La impedancia de entrada para el resonador RLC en paralelo se nuestra de la siguiente manera.
La energía eléctrica almacenada en el condensador C es
Donde V es el voltaje que corre por C. La energía magnética almacenada en la inductancia L es,
Donde I es la corriente que corre por el inductor L De las dos ecuaciones previamente expuestas podemos hallar la frecuencia de resonancia.
Circuitos resonantes de alta frecuencia Inconvenientes en alta frecuencia:
El aumento de la frecuencia de resonancia supone reducir la inductancia o capacidad: caso límite, reducción a un hilo, concepto de línea de transmisión. Una bobina acaba siendo auto resonante: capacidades parásitas y resistencias parásitas En un circuito no cerrado el efecto de la radiación se hace no despreciable.
Conclusiones sobre alta frecuencia:
Una sección de línea de transmisión puede resonar en determinadas Se puede reducir las pérdidas cerrando la estructura y pasando al concepto de cavidad Resonante Los conceptos de resonancia serie y paralelo siguen siendo válidos pero se repiten cada media longitud de onda.
Tipos de resonadores en alta frecuencia: Basados en líneas de transmisión Los resonadores utilizados para trabajar a altas frecuencias se suelen diseñar mediante líneas de transmisión microstrip que es un tipo de línea de
transmisión eléctrica que pueden ser fabricados utilizando placa de circuito impreso [PCB], y se utiliza para transmitir señales de microondas. Consiste en una franja de conducción separada de la franja de masa por una capa de sustrato dieléctrico. Componentes de Microondas, tales como antenas, acopladores, filtros, divisores, etc. pueden formarse a partir de microstrip, haciendo dicho componente como una metalización sobre el sustrato. El Microstrip hasta ahora es más barato que la tecnología tradicional de guía de onda, además de ser mucho más ligero y compacto.
Las desventajas de microstrip en comparación con la guía de onda son: su baja capacidad de manejo de energía y el hecho de tener mayores pérdidas. Además, a diferencia del microstrip; no está cerrada, y por lo tanto es susceptible de captar gran cantidad de ruido Para abaratar costos, los microstrips pueden ser construidos sobre un sustrato ordinario FR4 (estándar PCB). Sin embargo, se encontró que las pérdidas dieléctricas en FR4 son demasiado elevados a nivel de microondas, y que la constante dieléctrica no está suficientemente bien controlada.las líneas de Microstrip también se utilizan en diseños PCB digitales de alta velocidad, donde las señales deben ser enrutadas de una parte a la otra con la mínima distorsión posible, evitando el ruido y las interferencias de radiación
Resonadores de cavidad Una guía de onda es un componente para microondas básico. No se usa solo como línea de transmisión sino también se emplea segmentos especiales más cortos para diversos propósitos. Entre ellos se encuentran la simulación de componentes reactivos y la formación de circuitos resonantes. Otras aplicaciones incluyen la unió de unidades múltiples y el acoplamiento de impedancias. Algunos de los componentes especiales derivados de la guías de microondas, son los resonadores de cavidad el cual es explicada a continuación, coples direccionales, circuladores, bobinas hibridas y duplexores. Los resonadores de cavidad es un resonador electromagnético, es un dispositivo formado por un cierto espacio limitado por superficies dieléctricas, que utiliza la resonancia para seleccionar determinadas frecuencias del conjunto de ondas electromagnéticas que lo atraviesan. La cavidad presenta una superficie interior que refleja las ondas de una frecuencia específica, cuando la onda que es resonante con la cavidad entra, rebota con pequeñas pérdidas. Cuanta más energía en forma de ondas entra a la cavidad, más se recombina y refuerza con las ondas que ya están dentro, incrementando su intensidad. Existen diferentes maneras de construir cavidades. Aun cuando se puede usar segmentos cortos de una guía de onda, las cavidades suele ser
componentes diseñados de manera especial. En muchas ocasiones son huecos hechos de bloque de metal. Por maquinado puede obtenerse dimensiones muy precisas para una frecuencia específica. A menudo se aplica un recubrimiento de plata o algún otro material que tenga perdidas bajas, a las paredes internas de la cavidad, para asegurar perdidas mínimas y una Q muy alta. Algunas cavidades también son sintonizables. La sintonía en los resonadores se puede obtener comprimiendo las caras metílicas para alterar las dimensiones internas. Otro método incluye el uso de un tapón metálico ajustable o de un disco para provocar ligeras alteraciones en los componentes reactivos, cambiando así ligeramente la frecuencia de resonancia. A menor tamaño de la cavidad, mayor será la frecuencia de operación.
