Acoplador Anillo 2.4GHz Castillo_Peña

UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA ESCUELA DE ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

MICROONDAS

Integrantes: Estefanía Castillo Peña Victor

Docente : Ing. Marco Morocho.

Paralelo

Fecha

: “B”

: 14-12-2018

TEMA: Diseño e implementación de un acoplador en anillo a 2.4Ghz 1. OBJETIVOS: 

Diseñar e Implementar un Acoplador en anillo a 2.4Ghz  Determinar las medidas correspondientes al acoplador para su realización física.  Utilizar AWR como herramienta para la simulación de este diseño.  Optimizar el acoplador.

2. MARCO TEORICO Acoplador en anillo es también llamado híbrido de 180° es una red de cuatro puertos con un desfase de 180° entre los dos puertos de salida. También puede ser operado de manera que las salidas estén en desfase. Como podemos observar en la Figura del símbolo del acoplador híbrido, si una señal es aplicada al puerto 1 se dividirá en forma equitativa en dos componentes en fase en los puertos 2 y 3, y el puerto 4 quedará aislado. Si la señal es aplicada al puerto 4, esta se dividirá en forma equitativa en dos componentes con un desfase de 180° en los puertos 2 y 3, y el puerto 1 quedará aislado. Cuando se opera como sumador, las señales aplicadas en los puertos 2 y 3 serán sumadas en el puerto 1, y la respectiva diferencia quedará en el puerto 4. Por lo tanto, los puertos 1 y 4 se refieren como la suma y la diferencia de los puertos respectivamente.

Fig. 1 Circuito de un acoplador en anillo.

 S 11  S  S    21  S 31   S 41

S 12

S 13

S 22

S 23

S 32

S 33

S 42

S 43

S 14 

  S 34   S 44  S 24

Se conoce que este circuito circ uito es simétrico y reciproco de tal manera se puede obtener S 11



S 33

S 22



S 44

S 21



S 43



S 12



S 34

S 41



S 43



S 14



S 32

S 

S 

Con lo que se puede reescribir la matriz de dispersión

 S   S  S     S    S 

11

S 21

S 31

S 41 

21

S 22

S 41

S 24

31

S 41

S 11

S 21

41

S 24

S 21

S 22

    

Realizando el análisis de excitación par e impar 1

b1



b2



b3



b4



b

1 E 

2 1 2 1 2 1 2

 b10



b

2 E 

 b20



b

3 E 

 b30

  b1  b

 b40

 b

b

4 E 

1

2

2

1 

2

1 E 

b

 b10

2 E 



 

b20

Análisis circuito par

a

b 1 E 

2 Zo

 Z o

2 E 

 Z o

  4

b

1 E 

  8

2 Zo

3  2 Zo

8

Fig.2 Análisis par del acoplador en anillo

b1 E 



1   j

2



 j

2

1

1   j

2



 j

2

1



2 2 j



2



 j 2

b2 E  

2 1   j

2



 j

2

1



2 2 j

2





 j 2

Análisis circuito impar b

a

1 E 

2 Zo

 Z o

2 E 

 Z o

  4

b

1 E 

  2 Zo

8

3  2 Zo

8

Fig.3 Análisis impar del acoplador en anillo

 j

b10



b20



2

 j 2

Sustituimos en las ecuaciones anteriores 1    j

 j       0  S 11 2   2 2   1    j  j     j   S 21 b2    2   2 2   2 1    j  j     j   S 31 b3    2   2 2   2 1    j  j    b4     S 41 2   2 2   b1 

Con los valores encontrados podemos completar la matriz de dispersión

  0     j S    2   j   2  0 

  j

  j

2

2

0

0

0

0

 j

  j

2

2

    j  2   j   2  0  0

4

 S ki S kj  0 *

k 1 * * * * S 11 S 12  S 21S 22  S 31 S 32  S 41 S 42

  j

2

* ( S 22 )0

S 22  0

3. DISEÑO DEL ACOPLADOR Cálculos Matemáticos Se realizara un acoplador Híbrido en anillo para una f recuencia de 2.4 GHz a escoger y se trata con un épsilon de 4.3 

Frecuencia de operación: 2.4 GHz



Impedancias de entrada y de salida Zo: 50Ω



Constante dieléctrica (єr): 4.3 (fibra de vidrio)



Espesor del dieléctrico (H): 1.5 mm



Espesor del cobre (T): 0.001mm



Tangente de pérdidas ( ): 0.0001





  60 60 1 = √  = 50√ 4.3 = 5.646   60 60 2 =  2 = 50√ 2 4.3 = 3.99

Se calcula el ancho de la microcinta W.

Con B1

ℎ = 2  − 1 − 2 − 1 + 2 −1  − 1 + 0.39− 0.61 1ℎ = 2 5.646 − 1 − 2 ∗ 5.646 − 1 + 42.3∗4.−31 5,646 − 1 + 0.39− 04..631  ≥ 2 ℎ 1ℎ = 2 [4.646 − 10.292 + 0.3864.646 + 0.39 −0.138] 1ℎ = 1.912  1= 1.=9.4×1.5  1ℎ = 2 3.99− 1 − 2∗3.99 − 1 + 42∗.31−4.31 3.99− 1 + 0.39 − 04..631    = 1. 0 2  ℎ 1= 1.=0.2×1.5        + 1      − 1 1 1   1 = 2 + 2 ×  1 + 112ℎ + 0.041 −   ℎ   ( = .  )       + 1      − 1 1 2   2 = 2 + 2 ×  1 + 122ℎ + 0.041 −   ℎ   ( = .  )   310  = 91510 = ,    =  

Con B2

Calculamos el Er efectivo

Medio 1

Medio 2

 = √ 327.3.28737 = .     = .   = √ 327.3.18757 = .     = .  21 = 23 1 1 = 43 1 = 43 181.22 = .  

Para la curvatura

4. SIMULACION EN AWR

Fig4. Simulación del acoplador en anillo para la frecuencia de 2.4Ghz

Fig5. Parámetros S del acoplador en anillo

Fig6. Diseño del acoplador en anillo en AutoCAD

Fig7. Diseño implementado

5. RESULTADO EN EL ANALIZADOR DE REDES ANALISIS DEL PUERTOS 1 AL PUERTO 2 CUANDO EL PUERTO 3 Y 4 ESTAN TERMINADOS

Parámetros S11 (Representación de los coeficientes de reflexión en el puerto 1 cuando se tiene acoplado el puerto 3 y 4).

Parámetros F11 (Representación del desfase que existe en el puerto 1).

Parámetros S21 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 2 desde el puerto de entrada 1).

Parámetros F21 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 1 al puerto de salida 2).

Parámetros S12 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 1 desde el puerto de entrada 2 asumiendo que la fuente está en 2).

Parámetros F12 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 2 al puerto de salida 1).

Parámetros S22 (Representación de los coeficientes de reflexión en el puerto 2 cuando se tiene acoplado el puerto 3 y 4).

Parámetros F22 (Representación del desfase que existe en el puerto 2)

ANALISIS DE LOS PUERTOS 1 A 4 CUANDO LOS PUERTOS 2 Y 3 ESTAN TERMINADOS

Parámetros S 41 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 4 desde el puerto de entrada 1 asumiendo que la fuente está en 1).

Parámetros F41 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 1 al puerto de salida 4).

Parámetros S14 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 1 desde el puerto de entrada 4 asumiendo que la fuente está en 4).

Parámetros F14 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 4 al puerto de salida 1).

Parámetros S44 (Representación del coeficiente de reflexión visto en el puerto 4 cuando se tiene acoplados los puertos 2 y 3)

Parámetros F44 (Representación del desfase que existe en el puerto 4)

ANALISIS DE LOS PUERTOS 1 A 3 CUANDO LOS PUERTOS 2 Y 4 ESTAN TERMINADOS

Parámetros S 31 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 3 desde el puerto de entrada 1 asumiendo que la fuente está en 1).

Parámetros F31 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 1 al puerto de salida 3)

Parámetros S13 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 1 desde el puerto de entrada 3 asumiendo que la fuente está en 3).

Parámetros F13 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 3 al puerto de salida 1).

Parámetros S33 (Representación del coeficiente de reflexión en el puerto 3 cuando se tiene acoplados los puertos 2 y4)

Parámetros F33 (Representación del desfase que existe en el puerto 3)

ANALISIS DE LOS PUERTOS 2 A 4 CUANDO LOS PUERTOS 3 Y 1 ESTAN TERMINADOS

Parámetros S42 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 2 desde el puerto de entrada 4asumiendo que la fuente está en 4).

Parámetros F42 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 1 al puerto de salida 3).

Parámetros S24 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 1 desde el puerto de entrada 3 asumiendo que la fuente está en 3).

Parámetros F24 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 3 al puerto de salida 1).

ANALISIS DE LOS PUERTOS 2 A 3 CUANDO LOS PUERTOS 4 Y 1 ESTAN TERMINADOS

Parámetros S32 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 3 desde el puerto de entrada 2 asumiendo que la fuente está en 2).

Parámetros F32 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 2 al puerto de salida 3).

Parámetros S23 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 2 desde el puerto de entrada 3 asumiendo que la fuente está en 3).

Parámetros F23 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 3 al puerto de salida 2).

ANALISIS DE LOS PUERTOS 3 A 4 CUANDO LOS PUERTOS 3 Y 1 ESTAN TERMINADOS

Parámetros S43 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 3 desde el puerto de entrada 4 asumiendo que la fuente está en 4).

Parámetros F43 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 4 al puerto de salida 3).

Parámetros S34 (Representación del coeficiente de transmisión visto en el puerto de salida 4 desde el puerto de entrada 3 asumiendo que la fuente está en 3).

Parámetros F34 (Representación del desfase que existe desde el puerto de entrada 3 al puerto de salida 1).

6. ANALISIS DE RESULTADOS EN ANILLO O RATE RACE

−10. 3 6 −4. 8 5  −4. 3 3 −26. 3 6 3  −30. 3 −4. 5 2  =  −26.−4.−4.712110 −12. −30.−4.305 −4.  −14.604 −4.−11.589  0. 3 031∠−152. 6 8 0. 5 721∠37. 2 9  0. 6 074∠30. 4 3 0. 0 460∠−173. 9 0 2 3. 9 94∠−161. 1 6  0. 0 305∠−77. 2 0. 5 942∠−133. 1  = 0.0.0.50814∠37. 648∠−175 230∠39.48 0.0.60060∠−133 316∠−77.8 0. 0.5861∠45. 1995∠−160.94 0.52540∠− 0.5902∠44.160.3448   = −20|4131| = −22.26 

DIRECTIVIDAD: Relación de potencia entre la puerta acoplada y la puerta aislada.

7. CONCLUSIONES 

El circuito del acoplador con respecto a sus puertos mediante la mediación en el analizador de redes se puede observar que es de muy baja adaptación, es decir su acople no es muy bueno y por esta razón observamos perdidas por retorno elevadas. Además, el funcionamiento

no es muy bueno independientemente de la frecuencia ya que no existe una frecuencia a la que el dispositivo tenga un buen acople. 

Los parámetros S de la matriz del circuito nos permiten determinar que la potencia de salida en cada uno de pues puertos S12 S21 S13 Y S31 es de más de la mitad de la mitad de la potencia, esto debido al bajo acoplamiento de sus puertos, es decir que parte de la potencia reflejada está incidiendo en los puertos de salida y por esta razón existe un incremento de la potencia distribuida.



Si consideramos que la entrada es el puerto 1 y deseamos saber cuál es el perfil de aislamiento con respecto al mismo debemos tener en cuenta la configuración de nuestro dispositivo (ver fig.40). los parámetros S14 y S41 nos permiten observar que el nivel de aislamiento entre estos dos puertos es bueno con respecto a la frecuencia de diseño ya que esta sobre el rango permitido, es decir esta entre -26 dB aproximadamente, un valor de 0,048 cercano a 0 como lo establece la condición de la matriz ideal.

Configuración de los puertos del acoplador Rat Race diseñado para la banda de WIFI 

Con respecto a los puertos de salida S23 y S32 estos puertos nos indican un nivel de aislamiento entre ellos aceptable con respecto a la frecuencia ya que esta entre los -30Db, es decir cercano a 0 como lo establece la matriz de un acoplador ideal.



Los puertos de transmisión S34 y S43 se supone entran en fase asumiendo que cualquiera de los dos puertos es la entrada y por esta razón la potencia que se transmite en este puerto es de la mitad de la potencia, sin embargo esto debido a las perdidas por retorno no se está dando como se espera.



°

Con respecto a las fases los parámetros de transmisión deben estar

°

desfasados 90   es decir desde la entrada a cada una de las salidas S12 S31, sin embargo el desfase es de aproximadamente 40   esto debido a

los ajustes realizados para lograr un eficiente funcionamiento a la frecuencia deseada. 

Los puertos de salida según lo establecido deben estar desfasado 180

°

°

pero debido a las longitudes de las líneas y las dimensiones del circuito el desfase es de aproximadamente 77 . 

Los puertos 2 y 4 deben estar en fase debido a que sus recorrido por el acoplador es el mismo desde cualquier camino que se desee tomar con respecto a la potencia transmitida se observa más de la mitad de la potencia ya que por un camino se va una parte de la potencia y otra parte de la potencia se va por el otro camino y como este puerto de estrada esta presidido de dos puerto más 1 y 3 la potencia se disipa en las cargas que están adaptadas a dichos puertos es por esto que esta potencia se suma a las potencias reflejadas de las cargas.



Con respecto a la fase entre el puerto 3 y el puerto 4 estas llegan en fase debido al recorrido y se da el mismo caso que se tiene en el puerto 2 a 4.



Los parámetros de reflexión también llegan en fase con respecto a los recorridos por el ramal 1 y el ramal 2 a este se suman todos los desfases

°

que hace por dada longitud de las líneas que comprenden los dispositivos. Estos valores están entre 160   debido a los cambios realizados en el diseño. 

El ancho de banda del acoplador es de 71 MHz tomando en cuenta que el acople no es bueno se ha tomado como referencia al mejor funcionamiento de -10 dB ya que no alcanza el valor requerido



No existe una frecuencia que nos indique que el dispositivo es eficiente a dicho valor por lo tanto se concluye que no es un dispositivo apto para acoplar las impedancias de otros circuitos.

8. RECOMENDACIONES 

El diámetro de la circunferencia influye en la frecuencia en la que deseamos, entre mayor sea el diámetro menor la frecuencia de operación.

9. REFERENCIAS [1] David M Pozar (2005). Microwave engineering. Third edition, Jhon Wiley & Sons, USA

[2] Scrib Diseño de un acoplador en anillo disponible en línea http://es.scribd.com/doc/125515608/Acoplador-Anillo

[3] Foros electrónica, diseño de un acoplador en anillo direccional disponible en

línea

http://www.forosdeelectronica.com/f11/diseno-acoplador-

direccional-anillo-57507/