Lab 3 Microondas (Autoguardado)

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRÓNICA

Laboratorio de Microondas y Fibra Óptica

ADAPTACIÓN DE IMPEDANCIAS MEDIANTE STUBS LABORATORIO 3

 

Arequipa, Diciembre de 2012 ADAPTACIÓN DE IMPEDANCIAS MEDIANTE STUBS 1. Objetivo El principal objetivo de este laboratorio es brindar un concepto de acople de impedancias mediante Stubs, además de afianzar los conocimientos del software Ansoft Designer para diseño de circuitos en microondas.

2. Acoplamiento de Impedancias En los sistemas de Microondas es importante evitar cualquier reflexión, especialmente en aquellos lugares donde la señal de microondas se encuentra a la salida de elementos activos tales como Amplifica Amplificadores dores y Oscilado Osciladores; res; especialm especialmente ente los Ampl Amplifica ificadores dores pueden pueden ser dañados porque las reflexiones pueden cambiar el punto de polarización del circuito. Existen muchas maneras de acoplar impedancias pero en este laboratorio trataremos las 4 variantes posibles en los stubs simples. Un stub en general consiste consiste en una pequeña línea de transmisión transmisión montada cerca de de la carga que se desea acoplar la cual esta generalmente a 90 grados de la linea de transmisión que se desea acoplar a la carga, esta puede ser terminada ya sea en un circuito abierto o en un cortocircuito (mediante un capacitor). Dependiendo de la longitud del stub y de la distancia hacia la carga se logra crear una un a impedancia que acopla la carga. Para el laboratorio se ha escogido una línea de transmisión microstrip. El substrato usado tiene las siguientes propiedades:

Grosor del substrato: Permitividad Relativa: Dielectric Loss tangent: 0.0022@10GHz Grosor del Metal:

0.8mm 2.52@1MHz 0.0008@1MHz

2.54@10GHz

35um Cu (en ambos lados)

El laboratorio consiste en acoplar una línea de 50ª una carga de 73+20i para obtener la mínima reflexión posible mediante el uso de diferentes Stubs.

 

3. Informe Previo 3.1 Calcular el ancho ancho de la línea de transmisión transmisión microstrip microstrip para 50 además además de calcu calcular lar la const constan ante te dieléc dieléctri trica ca efecti efectiva va,, la atenua atenuació ción n debido debido a las  perdidas por el dieléctrico y a las perdidas por por el conductor. conductor.  E e = ?

 E r  = 2.2

α c = ?

 f   = 2.45GHz 

α d  = ?

tan ∂ = 0.0022

w=?

d  = 0.8mm  E  − 1   Z   0.61 ⋅  B − 1 − ln ( 2 B − 1) + r  ⋅ ln( B − 1) + 0.39 −   E r  + 1   E r   π  

 A =

 A =

 Z 0

⋅

 E r  + 1  E r  − 1 

0.61

 E r  + 1 

 E r  

+

60

50

2

2 .2 + 1

⋅

60  B =  A =

+

2

⋅  ln( B − 1) + 0.39 −



 B =

 

377π  2 ⋅  Z 0 ⋅

 E r 

1 .2 

0.11 ⋅ 0.23 +   3.2   E r  

377π  2 ⋅ 50 ⋅ 2.2 50 60

3 .2

⋅

2

+

0.11  ⋅ 0.23 +  2.2  3.2 

1.2

   

 A = 1.159

 B =

377π  2 ⋅ 50 ⋅ 1.4832

 B = 7.985

 0.61 1.2 ⋅ 7.985 − 1 − ln( 2 ⋅ (7.985) − 1) + ⋅ ln ( B − 1) + 0.39 −  2 ⋅ (2.2)   E r   π  

 Z  

⇒ W  = 3.08

w = 3.08 ⋅ ( 0.8mm )

d 

w = 2.464mm

 E e =

 E e =

3.2

−

2

1.2 2

⋅

 E r  + 1  E r  − 1 2

−

2

⋅

1 1 + 12 ⋅ d 

1 1 + 12 ⋅ 0.8

2.464

 E e = 1.87 

φ  = 90º = β  = ε 0 ⋅ K 0 ⋅



w

 

 K 0 =  K 0 =

2π  ⋅ ( 2.45 ⋅ 10 9 ) 3 ⋅ 10

8

2π  ⋅  f   c

= 51.31m −1

90 ⋅ π  180 = 0.022m = 1.87 ⋅ ( 51.31)

α d  =

52.35 ⋅ ( 2.2) ⋅ (1.87 − 1) ⋅ ( 0.0022 ) 2 ⋅ 1.87 ⋅ ( 2.2 − 1)

α d  = 0.067 Np

m

α c =

 R s  Z 0 ⋅ w

σ cv = 5.8 ⋅ 10 −9

w = 2 ⋅ π  ⋅ ( 2.45 ⋅ 10

−9

w = 2 ⋅ π  ⋅  f  

 µ 0 = 1.24 ⋅ 10 −6

 R s =  R s =

w µ 0  Z  ⋅ σ 

2 ⋅ π  ⋅ ( 2.45) ⋅ 10 −9 ⋅ (1.24 ⋅ 10 −6 ) 2 ⋅ 5.8 ⋅ 10 7

 R = 0.0128  s

α c =

0.0128 50 ⋅ ( 2.464)

α c = 1.04 ⋅ 10 −4 ⋅ 10 3 α c = 0.10

3.2 Calcule Calcule las longitudes longitudes de todos todos los stubs, stubs, use la carta carta de Smith para so soluc lucion ionar ar el proble problema ma,, compa compare re las dos so soluc lucion iones, es, la más más optima optima en cuanto al ancho de banda y Return Loss para cada stub

 

4. Solución por Ansoft Designer

4.1 Desacople en Impedancias Crea un nuevo proyecto en ADS, seleccione la pestaña de Project e “Insert Circuit 

Design”, elija una línea de transmisión Microstrip (Después se modificara sus valores).

Fig. 1 Choose Layout Technology

Fig.2 Nuevo Project En la ventana Administrador de Proyectos, seleccione el icono Data dentro de la pestaña. “Circuit” , dededoble clic al sustrato se abrirá la ventana “Substrate Definition” Edite estas propiedades del substrato y del metal, dadas en la primera parte del laboratorio.

 

Fig3. Administrador de proyectos

Fig. 4 Substrate definition

En la ventana de la edición ubiqu ubique e 2 puertos puertos de interfaz esta parte parte esta disponibles disponibles en el menú “Draw” o en la barra de herramientas; a continuación de doble clic en el Puerto y conviérta conv iértalo lo en un “Microwave Port” además edite las impedancias a 50Ω y 73 +20jΩ, conecte conec te ambos ambos puertos puertos y  analice el circuito del mismo modo del laboratorio 1. Cree 2 reportes uno del Return Loss y el otro con los parámetros S, en especial el S22 y el S11.

 

Fig.5 Port Definition

Fig. 6 Simple temination

 

Fig. 7 Create Report

Fig. 8 Return loss Para terminar cree un reporte este ya no será “Rectangular Plot” sino será uno de “Smith Chart” para esto modifique el atributo del “Display Type” en la ventana Create Report que aparece para crear un reporte , en este grafico muestre los valores de S11 y el S21, donde deben estar ubicados dichos valores para un acople perfecto.

 

FIg. 9 Repot Rectangular

Fig.10 Smith Chart

 

¿Que ocurre en el sistema, esta acoplado? El sistema se presenta estable pero presenta un problema al no tener la señal a niveles óptimos para nuestro acople, es decir el valor de que la grafica muestra es menor al optimo deseado en este tipo de análisis.

Describa los parámetros dibujados. El dibujo XY Plot nos muestra dos comportamientos en referencia a los puntos de salida y entrada de nuestro sistema completo. Podemos ver como los valores de S11 presentan perdidas de unos 12dB, es decir; se encuentra a -12dBs con referencia al valor de S21 que se mantiene en un valor cercano a los 0 dBs. Esto en conjunto indica que la intensidad de señal que llega a la salida del sistema no es la mínima adecuada para la mejor transferencia de potencia deseada en este diseño.

 

4.2. Transformador de λ/4 Ubique un transformador de λ/4 en medio de las cargas, solo considere la impedancia real. Analice y cree reportes similares al punto anterior.

 Z  =  Z in ⋅ Z 0  Z in = 73Ω   (sólo

parte real)

y

 Z in = 50Ω

Fig.11 Microship single

Fig. 12 Report λ/4

 Z  = 60.42Ω

 

¿Que ocurre en el sistema, esta acoplado? Es posible de alguna manera acoplar las impedancias con dicho transformador. Sustente su respuesta. Con lo que se puede observar en nuestra grafica decimos primero que partiendo de una frecuencia de 1 Ghz comenzamos a ver un incremento de la atenuación, la cual inicialmente esta en -12dB y luego tiene a disminuir llegando a unos -22dB a una frecuencia de 3Ghz. El sistema por lo tanto no presento grandes mejoras de acoplamiento aunque comenzara a presentar atenuación para las frecuencias no deseadas no consigue el nivel mínimo optimo para la frecuencia a la que se desea trabajar.

Fig. 13 acople impedancias transformador

Fig.14 Acople Smith Chart

 

4.3 Stubs Parale Paralelos los de Circ Circuito uito Abierto y de Corto Circuito Comenzaremos construyendo un stub paralelo de circuito abierto ya que este es el mas fácil de implementarlo, necesitaremos añadir en la ventana de edición las siguientes líneas de transmisión; las cuales se encuentra en la segunda pestaña de componentes y en la carpeta de “Microstrip” la lass líne líneas as que que se ag agre rega gara ran n es una una líne línea a de tran transm smis isió ión n norm normal al (MSTRLE) para la distancia hacia la carga , una línea de circuito abierto (MSOSTE) ubicada en la carpeta “Open Ended Line” para la longitud de línea de transmisión y un (MSTEEC) ubicada en la carpeta “General Components”. Coloque todos los componentes como se muestra en la figura 15. No olvidar de colocar las dimensiones físicas de los stubs calculados en su solución del informe previo. Analizar el circuito y crear el mismo reporte de los anteriores puntos.

Fig.15 Stubs circuit

 

PARALELO CIRCUITO ABIERTO: ℓ1

d1:

ℓ1=152.64

d1=68.472    m   g    e    z     4    d     5    4    H     0    6    G     0  .     5     2  .     2    4  .     2    5     2    =    1    =    =     W    E    F

3 2

1

W3=2.20054mm W2=2.20054mm W1=2.20054mm

W=2.2005mm E=68.472deg F=2.45GHz

PNUM=1

PNUM=2

RZ=50Ohm

RZ=73Ohm

IZ=0Ohm

IZ=20Ohm

Fig.16 Stubs circuit abierto

Fig.17 Report Stubs circuit abierto

 

Fig.18 Stubs paralelo circuit abierto

Fig.19 Smith Chart circuit abierto

 

ℓ2

d2

ℓ2=27.36

d2=143.316

   m    m     4    g    z    e    H     5     0     d     G     0     6     3     2  .     5  .     7     4  .     2     2    2    =    =    =     W    E    F

3 2

1

W3=2.20054mm W2=2.20054mm W1=2.20054mm

W=2.20054mm E=143.316deg F=2.45GHz

PNUM=1

PNUM=2

RZ=50Ohm

RZ=73Ohm

Port1

IZ=20Ohm

IZ=0Ohm

Fig.20 Stubs paralelo circuit abierto

Fig.21 Report Stubs paalelo circuit abierto

Port2

 

Fig.22 Report Stubs paralelo circuit abierto

Fig. 23 Smith chart Report Stubs

 

PARALELO CORTO CIRCUITO

ℓ1

d1:

ℓ1=62.64

d1=68.472

   m    m    z     4    g    e    H     5    d     0    4    G     0    6    5     2  .  .     4  .     2    2     2    =    6    =    =     W    E    F

3 2

1

W3=2.20054mm W2=2.20054mm W1=2.20054mm

PNUM=2

PNUM=1 RZ=50Ohm

W=2.20054mm E=68.472deg F=2.45GHz RZ=73Ohm

Port1

IZ=20Ohm

IZ=0Ohm

Fig. 24 Stubs paralelo corto circuit

Fig. 25

Port2

 

Fig. 26

Fig. 27

 

ℓ2

d2

ℓ2=117.36

d2=143.316    m    m   g    e    z     4    d     5    6    H     0     3  .     5     G     0     2     4  .     7  .     2    1     1     2    =    =    =     W    E    F

3 2

1

W3=2.20054mm W2=2.20054mm W1=2.20054mm

W=2.20054mm E=143.316deg F=2.45GHz

PNUM=1

PNUM=2

RZ=50Ohm IZ=0Ohm

RZ=73Ohm IZ=20Ohm

Port1

Fig. 28

Fig. 29

Port2

 

Fig. 30

Fig. 31

 

¿Que ocurre con el sistema, esta acoplado? Vemos que ay una gran caída solo para el punto de los 1.9GHz que llega hasta unos -36dB, y en el mismo un punto máximo en la señal tomada de S11. Esto no nos muestra un total acop acople le de impe impeda danc ncia iass debi debido do a que que la lass seña señale less pasa pasan n por por el punt punto o de -3dB -3dB en dos dos frecuencias distintas y estas no coinciden con la frecuencia de trabajo que tenemos nosotros. Por lo tanto decimos que no se acoplo correctamente el sistema, aunque presente una grafica cercana a la deseada.

¿Es posible de alguna manera mejorar el acople de impedancias? Sustente su respuesta. Pues podemos conseguir el mejor acople de impedancias cambiando los valores de nuestros stubs, es decir su distancia d con respecto a la carga y su longitud. Esto debido a que estos paráme par ámetro tross son muy sensib sensibles les a pequeñ pequeñas as va varia riacio ciones nes,, y al realiz realizar ar mín mínimo imoss cam cambio bioss podremos obtener una mejora o viceversa en las graficas analizadas. El motivo que no se consiga en primera instancia el acoplo es que al llegar al análisis de simulación se presentas menores errores de calculo y el simulador puede considerar parámetros que en los cálculos teóricos normalmente no se realizan. Los cálculos iniciales son normalmente referenciales y trabajan en función a pocas variables, en este caso distancia d. longitud l. ancho w, los cuales se consiguen teóricamente con la utilización de una carta de smith que si bien es bastante grafica no es precisa en los datos que se puedan obtener de este ya que dependen del manejo que el diseñador tenga de este metodo.

4.4. Stubs Series de Circuito Abierto y de Corto Circuito Ahora en el caso de un stub en Serie se debe de ubicar los siguientes componentes 2 (MSBEND) para conectar las líneas de transmisión con los stubs ubicados en la carpeta “bends”, par los stubs se necesita una línea (MSCPL) ubicada en la carpeta “Coupled  Lines”. Modifique los valores con las soluciones del informe previo y analice el circuito creando los reportes iguales a los de los puntos anteriores. El circuito armado debería de quedar como el de la Figura 2, para un stub en serie de corto circuito basta con cortocircuitar las terminaciones del stub de circuito abierto con una línea de transmisión normal (MSTRLE)

 

SERIE CIRCUITO ABIERTO ℓ1

d1:

ℓ1=117..36

d1=53.244

Fig. 32

Fig. 33

 

Fig. 34

Fig. 35

 

ℓ2

d2

ℓ2=62.64

d2=158.4

Fig. 36

Fig. 37

 

Fig. 38

Fig. 39

 

Serie Corto Circuito ℓ1

d1:

ℓ1=27.36

d1=53.244

Fig. 40

Fig. 41

 

Fig. 42

Fig. 43

 

ℓ2

d2

ℓ2=152.64

d2=158.4

Fig. 44

Fig. 45

 

Fig. 46

Fig. 47

 

¿Que ocurre en el sistema, esta acoplado? La grafica nos muestra que no existe atenuación en la señal S21 solo una pequeña ondulación, la cual se repite y acentúa en la señal S11 la que también tiene una mayor caída en el punto de 2.51GHz, pero el punto principal que vemos es que en ningún momento llega a pasar por los -3dB necesarios para calificar un buen acople.

Si el sistema no esta acoplado ¿a que se debe? Primeramente podemos ver que el stub colocado tiene más parámetros que el simple stub short-circuit en paralelo. Se aumenta el ancho y la longitud del stub lo que incrementa los parámetros y por lo tanto hay mayores variaciones de las señales al pasar pos este mismo. En el circuito descrito anteriormente ¿es un stub en serie? Sustente su respuesta. Este es un stub en serie, debido a que estos pueden ser conectados a la línea de transmisión ya sea en serie o en paralelo acá podemos ver que el stub utilizado en esta ocasión esta en serie con la línea de alimentación, es decir de la línea al stub y del stub a la carga.

En que líneas de transmisión se usan los stubs en serie? Para líneas como coaxiales, o guías de onda se prefieren los stubs en cortocircuito, circui to, debido a que el área de secció sección n de un circuit circuito o abierto puede tener el tamaño necesario como para radiar, en cuyo caso el stub ya no es mas puramente reactivo. Para medios de transmisión transmisión com como o microstri microstrip p o strip striplines, lines, so son n utilizado utilizadoss los circuitos-abiertos debido a su fácil fabricación debido a que el agujero en el substrato como hacia tierra ya no se necesita.

 

5. Optimización En la versión con todas las licencias del Ansoft Designer existe una herramienta llamada “Tuning ” o sintonizador la cual no esta presente lamentablemente en la versión estudiantil que poseemos, entonces nosotros deberemos de optimizar nuestros diseños manualmente. Pa Para ra es esto to noso nosotr tros os debe debere remo moss de modi modific ficar ar la lass magn magnit itud udes es físi física cass de las las líne líneas as de transmisión poniendo en su lugar variables, las cuales podrán tomar diferentes valores.

Paso 1 Guardarr el proyec Guarda proyecto to con otro otro nombre nombre,, por precauci precaución ón de ocurri ocurrirr alg alguna una fal falla la o mala mala modificación: Hora abrir el menú “Circuit”, ahora en “Design Properties” y dentro de “Local  Variables”, añad añada a “ Add   Add ””,, 2 nue nuevas vas longit longitude udess “L1”,  “L2”, los los va valo lore ress de las las longitudes de las líneas tanto del stub como la distancia hacia la carga.

 Trabajando con milímetros enton entonces ces tenemos a P y W, donde a P le cambie tan tanto to el de la carga como como el stub, con l1 d1, don donde de P vendría a ser la long longitud itud de ond onda a y como hall ha llam amos os lo loss va valo lore ress en func funció ión n de la lam mbd bda a an ante tess de multi ultipl plic icar arlo loss po porr 36 360 0 obteniéndose:

 

 Y  Paralelo Corto Circuito: D1=0.1902λ ℓ1=0.174 λ D2=0.3981 λ ℓ2=0.326 λ  Y Paralelo Circuito Abierto: D1=0.1902λ ℓ1=0.424 λ

D2=0.3981 λ ℓ2=0.076 λ

Z Serie Corto Circuito D1=0.1479λ ℓ1=0.076 λ D2=0.44 λ ℓ2=0.424 λ

Z Serie Circuito Abierto D1=0.1479λ ℓ1=0.326 λ D2=0.44 λ ℓ2=0.174 λ De aquí aquí es d donde onde ob obtengo tengo el valor de λ que es P ahora lo multip multiplico lico por cada u uno no de  los valores anteriores:

P= 84.3296 ℓ1=0.424*84.3296=35.76 D1=0.1902*84.3296=16

Fig. 48

 

Paso 2 En el diagrama del circuito cada longitud de la línea que deseamos cambiar para poder ver como afecta a la respuesta del circuito modifiquémosla por las variables creadas

P= 84.3296 ℓ1=0.424*84.3296=35.76 D1=0.1902*84.3296=16 Luego reemplazando en el circuito con otras líneas que contengan solo P y W, en p reemplazo los valores de L1 (arriba) y D1 (abajo) con los valores hallados como en la figura, esos ya están en milímetros.

Fig. 49 Ahora añado los valores de L1 y D1:

Fig. 50

 

Cambiando lo que había en los circuitos por las variables D1 y L1

Fig. 51 Dándoles los mismos valores ℓ1 y D1, debiendo salir la misma grafica como dice el paso 2:

Fig. 52

 

Paso 3 Si ahora presionamos el botón de analizar “Analyze” deberíamos de obtener el mismo valor que se obtuvo anteriormente.

Local Variables ) Ahora modificamos valores: en Designer Properties ( Local

Fig. 53 Luego “ Analyze”

en “Circuit ” y se obtiene :

Fig. 54 Como se ve el grafico esta a punto de coincidir por lo que tomamos otro valor de -3 db con 2.2 asi tomamos otro valor:

Luego “Analyze”

 

Fig. 55 En este grafico se observa como es que se acerca a -3dB, por lo que para los demás circuitos en paralelo seria igual, pero para los de serie seria el mismo con su circuito correspondiente.

Paso 4 Ahora nosotros podemos modificar el valor d las variable L1 / L2 para obtener diferentes valores de las curvas de salida modificadas. Para poder observar ls variaciones de las curvas hechas para diferentes valores de simulación, ahora podemos modificar diferentes curvas hechas para diferentes valores de simulación, ahora podemos modificar nuestros valores y ver la variación con respecto a la anterior grafica. Siguiendo estos pasos, modifique de la mejor manera posible el resultado de los stubs tanto en ancho de banda como en su magnitud del coeficiente de reflexión.

Consideramos Consideram os para ello el grafico de S21 en el que coincide -3dB con 2.45GHz:

 

Fig. 56 Obteniéndose lo siguiente al realizar el grafico con Carta Smith:

Fig. 57

 

6. Informe Final  De los valores óptimos para los stubs encontrados después de optimizar el

circuito, que diferencias hay con los valores manuales, a que se deben estas diferencias.  Explique como es que se produce el acople de impedancias en los stubs, es

decir como afectan tanto la longitud de la línea hacia la carga como la longitud del stub. Esta dependencia directa con respecto de la distancia con la carga y la longitud del stub esta relacionada a la impedancia que tiene con la carga viendo por la línea desde el punto del stub. De la forma Zo+jX por lo que la reactancia del stub se elige en la variable compleja -jX. 

De algunas conclusiones de los diferentes diseños de Stubs realizados en el diferente laboratorio, cual es mejor a su criterio, de un concepto claro de sus diferentes pros y contras de cada diseño.

Podemos comprender que conseguimos buenos resultados con diseños mas simples, debido a que las señales señales comienzan comienzan a tener mayores mayores variaciones variaciones entre mas complejo complejo es el diseño utilizado. Así como se vio que con un stub en paralelo el grafico dibujado era mas estable y exacto que los conseguidos con el stub en serie que provoco ondulaciones en la grafica. Podemos deostubs paralelo o en serie están a la aplica apl icació ción ndarnos en la cuenta que seque desea desla eaaplicación utiliz utilizar ar dado dad que en tienen tiene n respue respuesta stas s dif difere erente ntesssujetos así como diferentes pueden ser los resultados que se desea obtener.

CONCLUSIONES: • • •

•

•

Observamos que en un problema existen por lo menos dos soluciones pero una de ellas es más eficiente que la otra y es fácil determinar cual de ellas es la más adecuada para la implementación. Observamos que a mayor frecuencia los valore de W y P se hacen mas delgados que al trabajar con frecuentas bajas. Al imprimir ya para pasarlo a la placa tuvimos que colocar solo TRACE, para que solo se imprima las pistas, además al trazo tuvimos que darle un color solidó usando la instrucción SOLID FILLED, quedando como se mostró anteriormente, el cual nos dio como seria el acabado final de la placa. Para la simulación usamos el sustrato FR4 pero modificamos el H a 1.66 mm y un Er a 4.8, ya que en la prac practica tica anterior vimos que el material material que utilizamos era un FR4 y observamos que al simularlo obtuvimos una buena respuesta, es decir que este sustrato es el adecuado para trabajar a esta frecuencia. Demostramos que para acoplar impedancias con partes complejas, es decir puede ser inductiva o capacitaba, la manera correcta de acoplar las antenas a una línea de transmisión es usando STUBS, dando como resultado un adecuado macheo.