PROYECTO - SIMULACIÓN DE ACOPLADORES DIRECCIONALES CON MICROCINTA EMPLEANDO EL SOFTWARE SONNET.

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR  INSTITUTO UNIVERSITARIO EXPERIMENTA EXPERIMENTAL L  DE TECNOLOGÍA DE LA VICTORIA LA VICTORIA –  EDO. ARAGUA.

DEPARTAMENTO DEPARTAMENTO DE D E INVESTIGACIÓ INVES TIGACIÓN. N.

SIMULACIÓN SIMULACIÓN DE D E ACOPLADORES DIRECCIONALES CON M ICROCIN ICROCINTA TA EMPLEANDO EL SOFTWARE SONNET. CODIGO CODIGO PGE-5029-10 Trabajo Especial de Grado como requisito para optar al Título de Técnico Superior Universitario en la Especialidad de Electricidad Mención Telecomunicaciones

Autores: Osmerlin Fernández C.I: V-16.207.436 Paula Colmenares C.I: V-11.182.945 Tutor: Henglleend Hengllee nd Rincón

La Victoria, Abril de 2010

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR  INSTITUTO UNIVERSITARIO EXPERIMENTA EXPERIMENTAL L  DE TECNOLOGÍA T ECNOLOGÍA DE LA VICTORIA LA VICTORIA –  EDO. ARAGUA.

DEPARTAMENTO DEPARTAMENTO DE D E INVESTIGACIÓ INVES TIGACIÓN. N. APROB APROBAC ACIÓN IÓN DEL TUTOR TUTOR ACADÉMICO. ACADÉMICO. En mi mi carácter caráct er de Tutor Académico del Trabajo Trabajo Especial de Grado Grado titul tit ulado ado:: SIMULACION DE ACOPLADORES DIRECCIONALES CON MICROCINTA EMPLEANDO EL SOFTWARE SONNET. Presentado(a) por los bachilleres Osmerlin Fernández, titular de la cédula de identidad No. 16.207.436 y Paula Colmenares, titular de la cédula de ide identi ntidd ad No. 11.182.945 11.182. 945 respectiva respectivam me nte, como como requisito para optar al título de Técnico Superior Universitario en la especialidad de Electr Electricidad, icidad,

Mención

Telecomunicaci Telecomunicac io nes, consideramos considera mos q ue d icho Trabajo Trabajo

reúne los requisitos y méritos suficientes para ser sometido a la presentación pública y evaluación por parte del jurado examinador que se designe. En la C iudad iudad de

La victor victoriia, a los ____Sei ____Se is___ días del mes d e

_Abril_______ del año 2010

(Henglleend H Rincon) C. I. No: 4.55.496

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR  INSTITUTO UNI UN IVERSITARIO EXPERIMENTA EXPERIMENTAL L  DE TECNOLOGÍA T ECNOLOGÍA DE LA VICTORIA LA VICTORIA –  EDO. ARAGUA. DEPARTAMENTO DEPARTAMENTO DE D E INVESTIGACIÓ INVES TIGACIÓN. N.

APROB APROBAC ACIÓN IÓN DEL JURADO EVALUADOR. SIMULACIÓN DE ACOPLADORES DIRECCIONALES CON MICROCINTA EMPLEANDO EL SOFTWARE SONNET. Por: Paula Colmenares Osmerlin Fernández Trabajo Especial de Grado titulado SIMULACIÓN DE ACOPLADORES DIRECCIONALES CON MICROCINTA EMPLEANDO EL SOFTWARE SONNET. Se aprueba en nombre del Instituto Universitario Experimental de Tecnolog Tecnología ía de La La Victoria, por el siguien siguie nte jurado examinador, en la la ciudad de La Victoria a los

días del de l mes de ________de 2010, con Mención:

Honorífica. Recomendación para su publicación. (Firma)

(Firma)

(Nomb (Nomb re y Apellido)

(Nombre y Apellido)

C.I. No.:

C.I. No.: (Firma) _______________________ (Nombre y Apellido) C.I No.: iii iii

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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR  INSTITUTO UNIVERSITARIO EXPERIMENTAL  DE TECNOLOGIA DE LA VICTORIA LA VICTORIA –  EDO. ARAGUA

Autores: Br. Paula Colmenares Br. Osmerlin Fernández Tutor: Ing. Rincón Henglleend Fecha: Febrero 2010

SIMULACION DE ACOPLADORES DIRECCIONALES CON MICROCINTA CON USO DEL SOFTWARE SONNET. RESUMEN La simulación de acopladores direccionales con microcinta empleando el programa sonnet tiene como objetivo apoyar los conocimientos adquiridos en el área de telecomunicaciones. El uso particular de la microcinta es un enfoque hacia la Tecnología de alta frecuencia en líneas de microcinta así como demostrar de forma practica los resultados del comportamiento de dispositivos pasivos como lo son los acopladores, para la realización de la simulación es necesario un previo estudio de sus componentes para afianzar los resultados obtenidos por dicho software. Desarrollando esta propuesta como un proyecto factible con soporte de una investigación documental para entonces así cubrir las necesidades del estudiantado en general y personas interesadas en dicho tema.

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INDICE GENERAL CONTENIDO

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Portada……………………………………….…..……………….…..………………..i Aprobación del Tutor Académico………………………………………………….…ii Aprobación del jurado Evaluador…………………………………………………….iii Resumen………………………………………………………………………….......iv Índice General……...………………………………………...………………………..v

Índice de Figura …………...………………………………………………...…..…... vi Índice de Graficas……………………………………………………………………vii

INTRODUCCIÓN …………………………………………………………….…..…1 CAPITULO 1. EL PROBLEMA 1. Titulo de la Investigac ión………………………………………………………......2 1.2. Planteamiento de l Problema………………………………………………….…..2

1.2. Objetivos de la Investigación…………………………………………………..…4 1.2.1. Objetivo General……………………………………………………...……..….4 1.2.2. Objetivos Específicos………………………………………………………….. 4 1.3. Justificación de la Investigación…………………………………………..……...4

1.4. Alcance de la Investigación …………………………………………………..….. 5

CAPITULO II. MARCO TEORICO 2.1. Antecedentes de la Investigación……………………………………..……..…… 6 2.2. Bases Teóricas……………………………………………………………….…... 8

2.2.1. Acoplador Direccional... ……………………………..………...………..……...8 2.2.2. Acoplador Bi- Direccional……………………………………………………...8 v

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2.2.3. Factor de Acoplamiento…..…………………………………………………...15 2.2.4. Perdidas………………………………………………………………………..16 2.2.5. Aislamiento……….……………………………………………………….…. .17 2.2.6. Directividad... ………………………………………………………………....19 2.2.7. Balance de Am plitud………………………..…………………………… ..….20 2.2.8. Balance de Fase ……… …………………..……….…….…………………… 20 2.2.9. Microondas…………... …………………..……….…….……………………21 2.2.10. Carga Adaptada………… ………….…..……….…….………………..……22 2.2.11. Impedancia……… …………………..……….…….………………………. 23 2.2.12. Microcintas……… …………………..……….…….……………………….24 2.2.13. Construccion de la Microstrip co mo tipo de línea de transmisión eléctrica…26 2.2.14.Proceso de Análisis y síntesis de la Microcinta para el acoplador Bidireccional……………………………………………………………………………27

2.2.15. Síntesis de la Microcinta……………………………………………………..30 2.2.16. Discontinuidades en la Microcinta…………………………………………..30 2.2.17. Acopladores en línea coaxial…………..……….…….……………………... 33 2.2.14. Acopladores en Guía de O nda……… ………….……..……….…….……..34 2.2.15. Acoplador de Doble Agujero………..……….…….…………………...……36 2.2.16. Acoplador de Fase Invertida de Sche winger…….….….……………………39 2.2.17. Acoplador de M oreno………………..……….…….……..…………………40 2.2.18. Software Sonnet… …………………..……….…….…………………..……40

CAPITULO III. MARCO METODOLOGICO 3.1. Diseño de la Investigación o Modalidad de la Investigación...…………………42 3.1.1. Diseño de la Investigación …...………………………………………...……...42 3.2. Área de la Investigac ión…...…………...…………………………………...….44

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CAPITULO IV. SISTEMA ACTUAL 4.1. Descripción de la Situació n Actual……………………...……………………...45 4.2.. Soporte para el Diseño Actual………………………….…………………..…..46 4.2.1. Análisis de Diseño del Acoplador Direccional Branch- Line….……………....46 4.2.2. Datos Técnicos del Diseño Branch.Line.. ...……………….…………………..50 4.2.3. Acoplador Direccional de tres Secciones de Linea Acopladas……….……...54 4.2.4. Especificaciones de Diseño del Acoplador de Tres Secciones de Líneas Acopladas……………………………………………………………………...……..60

CAPITULO V. SISTEMA PROPUESTO 5.1. Simulacion de un Acoplador direccional Branch- line con Microstrip en el Software Sonnet…………………………………………………………….………..64 5.2. Simulación de un Acoplador Direccional de Lineas Acopladas de tres Secciones en el Soft ware Sonnet………………………………………………………………..77

CAPITULO VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1. Conclusiones………………………………………………………………….....88 6.2. Recomendac iones……………………………………………………………….89 6.3. Anexos…………………………………………………………………………..91

Bibliografías………………………………………………………………………...90

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INDICE DE FIGURAS CONTENIDO

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Fig.1 2.2.1.Acoplador Direccional…………………………………………………..08 Fig.2 2.2.2. Disposición Geométrica de un Acoplador Bi- Direccional…………….09 Fig.3 2.2.2. Línea Desbalanceada y Circuito Sec undario…………………………...12 Fig.4 2.2.2. Circuito Balanceado……………………………………………………13 Fig.5 2.2.2. Circuito del Acoplador Bi- direccional…………………………………15 Fig.6 2.2.4. Perdidas por Inserción y Acoplamiento………………………..………17 Fig.7 2.2.5. Test de Recepción de dos Tonos………………………….……………18 Fig.8 2.2.13. Microcinta con corte Transversal ….....……………………………….27 Fig.9 2.2.14. Proceso de Análisis y Síntesis …………………..…..… ..…………….28 Fig.10 2.2.16. Elementos de la Microcinta con Discontinuidades …………….…..31 Fig.11 2.2.16. Líneas con Angulo Mitter). …………………………………………32 Fig.12 2.2.18. Acopladores Direccionales en Linea Coaxial ……………………….35 Fig.13 2.2.18. Acopladores Direccionales de Bethe-hole. …...…………….........…36 Fig.14 2.2.19. Acopladores en Guia Doble …….........................................................37 Fig.15 2.2.21. Circuitos impre sos que forman hibrido …....………………………..40 Fig.16 2.2.22. Imagen de pantalla del Software Sonnet………...…...……………..41 Fig.17 4.2.1. Mascara de un Divisor Branch-line en Microcinta………………….. Fig.18 4.2.1. Layout del Hibrido Branc- line de Banda Ancha.……………………48 Fig.19 4.2.1. Acoplador Hibrido Branch  –line……….. …………………………...54 Fig.20 4.2.1. Lineas Acopladas Simetricas………………………..………………..54 Fig.21 5.1. Capacidades S ección Elemental Líneas Acopladas…………………...54 Fig.22 4.2.1. Caso par de Líneas Acopladas Simétricas …………………………..55. Fig.23 4.2.1. Caso Impar de Líneas Acopladas Simétricas .……………..…………56 Fig.24 4.2.1. Acoplador Direccional con Líneas Acopladas ……………………...57 viii

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Fig.25 4.2.3. Líneas Acopladas Caso Par e I mpar…………..……..………………..58 Fig.26 4.2 4 Líneas Acopladas en Microcinta ……………………….……………...54

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INTRODUCCIÓN El siguiente trabajo de grado se concentra en el estudio y análisis de acopladores direccionales con microcinta, soportado en el software sonnet como aplicación para conocer su respectivo comportamiento. Los acopladores son dispositivos pasivos que permiten conectar entre sí dos o más elementos para producir un valor fijo de energía de radiofrecuencia de la señal de entrada permitiendo que la energía de radiofrecuencia restante pase por el puerto de salida. Los acopladores direccionales son circuitos esenciales en muchos sistemas de comunicaciones ópticas y en bandas de microondas. Un acoplador direccional es un dispositivo capaz de extraer parte de una señal que viaja por una línea de transmisión o guía de onda, dejando que el resto de potencia no acoplada se encamine a la salida directa. Entre sus principales aplicaciones se encuentran la medida de potencia, medida de relación de onda estacionaria (ROE), muestreo de la señal para Control y combinación de señales de microondas. Existen acopladores direccionales para las distintas tecnologías de microondas (guías de onda, coaxial, microstrip, etc.) y dentro de cada tecnología incluso existen distintos tipos de acopladores que tienen un principio de funcionamiento diferente. La tecnología sobre la que se basan las estructuras diseñadas en este proyecto es una tecnología híbrida puesto que se trata de una tecnología guiada combinada con metalizaciones de microstrip que permiten controlar la Radiación. El siguiente trabajo de grado se trazara a través del software sonnet, los diferentes parámetros del acoplador direccional Branch-line y el acoplador de líneas acoladas el cual nos permitirá realizar un respectivo análisis de funcionamiento del mismo.

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CAPÍTULO I EL PROBLEMA 1. Título de la inves tigación. Simulación de acopladores direccionales con microcinta empleando el software sonnet.

1.1.- Planteamiento del problema: Las necesidades de información, de su tratamiento y de su transmisión son mayores cuanto mayor es la evolución de la sociedad y más complejas sus interrelaciones. Durante el último siglo se ha producido un espectacular desarrollo de los sistemas de información y transmisión de datos. Las telecomunicaciones proporcionan un conjunto de métodos, técnicas y medios que hacen posible llevar a cabo tal desarrollo y la cobertura de aspectos que van desde la Conceptualización, Análisis, Diseño y Evolución de la aplicación. La importancia adquirida por las comunicaciones a distancia permite afirmar que un sistema (de gestión, de investigación científico, etc.) debe disponer de un adecuado sistema que garantice la cobertura de todas las necesidades de información. No obstante, los más prestigiosos especialistas en software insisten en la necesidad de una información plural, diversificada, con amplitud de miras, que muestre las múltiples y complejas interrelaciones de los distintos campos de la estructura del conocimiento humano. Se pretende con ello favorecer la ductilidad intelectual, la capacidad de adaptación del sistema a situaciones e intereses muy diversos.

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Por ello, guiados por el interés de proporcionar a los estudiantes de Instituto Universitario Experimental de Tecnología de La Victoria (IUTELV), una herramienta de referencia rigurosamente construida, capaz de ayudarle a fundamentar su formación específica sobre una base sólida y plural, se propone la utilización de un

simulador electromagnético de ondas completas como lo es Sonnet para el estudio de acopladores direccionales con microcinta así como de diferentes elementos que intervienen en las telecomunicaciones a través de un entorno virtual, que incluye aspectos fundamentales que sirvan de base para la emisión de resultados de análisis rápido y confiable. Todo lo anterior con la intención de ofrecer; a técnicos, ingenieros, estudiantes, profesores y demás personas que desarrollan actividades en el ámbito tecnológico, una aplicación de gran valor didáctico, que será para una ayuda eficaz y un instrumento de consulta imprescindible.

1.2.- Objetivos de la investigación: 1.2.1.- Objetivo general: SIMULACIÓN DE ACOPLADORES DIRECCIONALES CON M ICROCINTA EMPLEANDO EL SOFTWARE SONNET. 1.2.2.- Objetivos específicos: Establecer los requerimientos generales de acopladores direcciónales con microcinta y sonnet como software de simulación. Adecuar un ambiente para el desarrollo de la simulación. Simular Acopladores Direccionales con microcinta. Realizacion de un manual, como guia para aquellas personas interesadas en el manejo del software.

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1.3.- Justificación de la investigación: La evolución alcanzada en los últimos años en el campo de las telecomunicaciones, ha permitido al hombre una mejor calidad de vida, todo esto gracias al uso del computador, ya que se ha convertido en una herramienta de uso imprescindible para lograr la vanguardia del mercado en todos los niveles. A medida que avanza la tecnología los procesos se hacen más mecánicos y estáticos, es por ello que se hace necesario el uso de simuladores que nos den una visión del comportamiento

de

los

diferentes

elementos

que

intervienen

en

las

telecomunicaciones. Se puede acotar que las organizaciones buscan manejar la información de manera eficaz y eficiente para así minimizar el tiempo de espera y así mejorar la calidad de los servicios prestados, en el Instituto Universitario Experimental de Tecnología , La Victoria Estado Aragua, se desea buscar la manera de cumplir con cada uno de estos requerimientos y así cumplir con las necesidades del usuario esto se quiere conseguir a través de la implantación de sistemas software que sean capaz de dar respuestas de inmediato a la hora de solicitar una característica especifica de un componente y así ser más efectivo en la implementación de dichos elementos. Este programa permitirá la simulaciones de acopladores, en nuestros laboratorios, ya que en nuestra casa de estudio no disponemos de todos los modelos de dispositivos y así las personas interesadas puedan tener acceso al software como instrumento didáctico, como al manual disponible para la simulación de acopladores direccionales con sección de microcinta como base de este trabajo de grado, de la misma manera se proporcionan herramientas documentales para un mejor rendimiento del software, que los hace una herramienta práctica para el desarrollo de un modelo de sistema real obteniendo respuestas confiables en tiempos eficaces evaluando así los parámetros de comportamiento.

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La aplicación se considera un ejemplo para futuros diseños que facilitan el aprendizaje durante el estudio en el área de telecomunicaciones, así como a personas interesadas en el tema.

1.4.- Alcances de la investigación: Adaptacion de los parametros que intervienen en un acoplador direccional con microcinta. Realización de pruebas con d iseño de acopladores direccionales con secciones de microcinta y análisis comparativos a partir de diseños ya elaborados. Visualizacion grafica del comportamiento del acoplador. Elaboracion de un manual de funcionamiento.

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CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1.- ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN. Para la realización de este trabajo se tomó como referencia las siguientes, los antecedentes que se presentan a continuación, son el producto de ideas realizadas en torno al tema en cuestión es decir, que estos trabajos se presentan con la finalidad de sustentar este proyecto y además tomar de ellos algunos argumentos que sirvieron de referencia para el desarrollo de los objetivos específicos del trabajo, Entre los trabajos como referencia se toman: Danny Smith, Alberto Laya (2009); ―SIMULACION DE ANTENAS

FRACTALES CON USO DEL SOFTWARE SONNET”; Tesis de grado para optar por el titulo de T.S.U. en electricidad mención telecomunicaciones del instituto universitario Experimental de tecnología la victoria (IUETLV) PGE-2054-05, El objetivo principal de este proyecto denominado simulación de antenas fractales con uso del software Sonnet, es lograr la evaluación de antenas ya elaboradas y debido a la escases de antenas fractales diseñadas en la institución se recopilaran valores de antenas encontradas en la web culminación de un prototipo con esas características, ofreciendo una mejor zona de recepción gracias al patrón de radiación que esta genera e implementar el mismo en aplicaciones del área de comunicaciones móviles. Su relación con la presente consiste en que ambas persiguen constatar la teoría sobre dispositivos en el área de las telecomunicaciones a partir de modelos simulados, solo que para esta ocasión que en este caso estudiamos el proceso de acopladores direccionales.

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Carreño Yenifer , Zamora Odaine (2009); ―EVALUACION DE ANTENAS

PLANAS A MICROCINTAS CON EL SOFTWARE SONNET ‖; Tesis de grado para optar por el titulo de T.S.U. en electricidad mención telecomunicaciones del instituto universitario Experimental de tecnología la victoria (IUETLV) PGE-39082009, El presente trabajo de grado tiene como objetivo principal evaluar antenas planas a microcintas con el software SONNET la aplicación principal de estas antenas es como antena receptora, la ganancia que proporcionan depende del nivel de potencia aplicado, y de la geometría optima de la misma. Esta investigación permite establecer una comparación de las condiciones entre los dos diferentes tipos de antenas y se toma como referencia por el uso de la microcinta como implementación de los diseños de simulación asi como el uso predeterminado del software sonnet. Ing. Sergio Buenrostro Rocha (2007); Tijuana, B.C. México “METODOLOGIA PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE ANTENAS

DE MICROCINTA EN LA BANDA WIMAX A 3.5 GHZ” Tesis de grado para optar a la Maestría en ciencias en sistemas Digitales del Instituto Politécnico Nacional Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Digital con registro A060077, Este trabajo de Investigación se propone una metodología para diseñar y construir una antena planar en tecnología de microcinta, para operar bajo el estándar de comunicaciones inalámbricas de área metropolitana IEEE 802.16-2005, conocido como Wimax. La antena desarrollada en esta tesis tiene aplicaciones en conectividad fija y móvil. Para poder recibir y transmitir señales de y hacia una estación base sin necesidad de línea de vista. La antena esta formada por un arreglo de cuatro elementos ―Parches‖ rectangulares y una red de acoplamientos de banda basada en

doble stub. La antena fue construida sobre un sustrato dieléctrico delgado de bajo costo tipo FR-4 suspendido en aire para reducir las perdidas en el dieléctrico e

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incrementar la ganancia y el ancho de banda. Para un funcionamiento optimo de la antena. De acuerdo a las especificaciones de dicho trabajo de grado se toma como referencia el estudio de la adaptación de la microcinta como línea de transmisión y modelado de sus elementos.

2.2.- BASES TEÓRICAS: 2.2.1.- ACOPLADOR DIRECCIONAL Los acopladores direccionales ideales son circuitos de cuatro accesos, sin pérdidas, recíprocos y completamente adaptados. De las puertas de un acoplador direccional, una esta aislada de la entrada, otra recibe potencia de forma privilegiada y la última recibe potencia de forma menos privilegiada. El acoplador direccional consta de dos líneas de transmisión y un mecanismo de acoplo de señal entre ellas. Figura 1. Acoplador Direccional

Fuente: www.ing.uc.edu.ve/~azozaya/MyWebUNEFA/.../ circuitoOndas.pdf  2.2.2 . Acoplador Bi-direccional El acoplador Bi-direccional puede dividir la Potencia óptica Entre dos guías de onda en cualquier proporción requerido. Aunque el número de salidas podría ser restrictiva, este acoplador es el único (en su forma básica) que divide el poder en una relación que no sea N / P, Donde P es la entrada de corriente y N es el número de canales de salida. Los acopladores Bi-direccionales se forman mediante la colocación de dos guías de onda en las proximidades entre si. El acoplamiento se produce como 8

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resultado de la superposición entre lo que se desvanece de la guía de onda y el otro núcleo de la guía de ondas, como se indica en la figura 2, el movimiento de la Guía de Onda y el núcleo de una de las guías de ondas, donde las líneas representan los campos electromagnéticos. Varios análisis teóricos se han reportado sobre acopladores direccionales. Sin embargo, es difícil lograr un dispositivo sin resultados experimentales, debido a su sensibilidad y a las variaciones en la fabricación. Las simulaciones pueden cerrar la brecha entre teoría y práctica, proporcionando una buena aproximación para la primera misma de cómo se comportara el circuito, además de ayudar a la optimización del circuito.

Figura 2. Disposición Geométrica de un acoplador Bi-direccional donde P ent = P1 + P2.

Como se ha señalado, una breve superposición de campos con las guías de onda es necesaria para obtener acoplamiento. Para el acoplamiento el coeficiente debe ser lo suficientemente grande, la terminación del campo tiene que llegar a una región importante de la guía de onda, Por lo tanto el espacio entre las guías de onda tiene mayor efecto sobre el coeficiente del acoplador. También es importante señalar que en este espacio el coeficiente de acoplamiento depende exponencialmente de la corta disminución de los campos. Una regla general consiste en establecer la separación de las regiones principales de acop lamiento en el orden del ancho de guía de ondas. 9

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La relación de Acoplamiento de Energía puede ser descrita como:

[

ŋ=

Donde L es la longitud de la sección de acoplamiento directo, L final es el aumento en el acoplamiento longitud en la zona de transición, L c es la longitud del acoplamiento total necesario por completo para poder pasar un par de haz de luz a través de una guía de onda a otra, dada por: Lc= El coeficiente de acoplamiento tal como se ha señalado se puede resolver utilizando el modo de acoplamiento a través de las siguientes ecuaciones, se puede demostrar que: Donde R es el radio de curvatura (Curva en la Región del parámetro S) y d es una variable obtenida a partir de: Lc

Lc

Donde d es la separación de las guías de onda en la sección de acoplamiento directo es posible obtener los valores de L c y Lfinal por simulación. Esto se hace comparando la fracción de la energía cruzada de dos acoples con diferentes l, pero a la misma longitud de onda. A partir de estos datos podemos obtener d 0, este procedimiento se puede repetir para longitudes de onda diferentes con el fin de obtener valores para L C y Lfinal para los propósitos de diseño.

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Un acoplador direccional (A.D.) es un dispositivo que permite detectar y separar las ondas incidente y reflejadas presentes en una línea de transmisión, por ejemplo, aquella que une la salida de un transmisor de radio con el sistema irradiante. Si llamamos Ε x al voltaje de la línea de transmisión en el punto de conexión del

circuito secundario e Ix la corriente en el mismo punto, se tiene: +

=

-

Donde: Ef  = voltaje de la onda incidente. E  b= voltaje de la onda reflejada. V = velocidad de propagación en la línea de transmisión. Z0 = impedancia característica de la línea de transmisión. x = posición a lo largo de la línea.   = frecuencia angular de la señal que entrega el generador.

Figura 3. Línea Desbalanceado y Circuito Secundario.

Fuente: [email protected]

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Para la malla secundaria se cumple, con I1 = IX:

 jw

= (2

+ jw

)

Por lo tanto: = Si hacemos w

>> 2

Entonces la expresión se convierte en:

= Obsérvese que para esta condición I1 e I2 están en fase y el término dependiente de la frecuencia desaparece. Los voltajes en A y B serán entonces:

=

= =

= −

Ahora bien, una muestra de voltaje que sea independiente de la frecuencia se puede obtener con ayuda de un divisor capacitivo, como se muestra en la Fig. 4.3.2. Así:

=

O

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=

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Figura 4. Circuito Balanceado.

Fuente: [email protected] =

=

Sustituyendo para Ex e I1 tenemos:

=

(

-

(

Si se cumple que: =

(

Los términos que contienen Ef se cancelan y

= -2

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)

+

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Así mismo: =

=

Sustituyendo para Ex e I1 : = -2

Tenemos por tanto un acoplador bidireccional con lecturas de la onda incidente y onda reflejada. El capacitor C1 puede hacerse ajustable para fines de calibración y asegurar buena directividad. De requerirse así, pueden obtenerse voltajes continuos (DC) para excitar un galvanómetro, rectificando y filtrando las tensiones EAC para la onda reflejada, y EBD para la onda directa.

Figura 5. Circuito del Acoplador

Fuente: [email protected]

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2.2.3. FACTOR DE ACOPLAMIENTO El factor de acoplamiento es definido como: C3, 1 = – 10 log (

) dB

Donde P1 es la potencia de entrada en el puerto 1 y P 3 es la potencia de salida en el puerto acoplado (ver Figura 6). El factor de acoplamiento representa la propiedad primaria de un acoplador direccional. El acoplamiento no es constante, varia con la frecuencia. Mientras que varios diseños pueden reducir esta variación, es imposible construir un acoplador perfecto sin ninguna variación a la frecuencia. Los acopladores direccionales son especificados en términos de exactitud en la frecuencia central de la banda de operación. Por ejemplo un acoplamiento de 10 decibelios (dB) +/-0.5 dB significa que el acoplador direccional puede tener un acoplamiento de 9.5 dB a 10.5 dB en la frecuencia central de la banda. La precisión es debida a las tolerancias dimensionales en la separación entre las dos líneas acopladas. Otra especificación es la sensibilidad a la frecuencia. Una mayor sensibilidad a la frecuencia permitirá una banda de frecuencias operativa más ancha. Se usan múltiples secciones de acoplamiento de un cuarto de longitud de onda para obtener un mayor ancho de banda de frecuencia. Normalmente este tipo de acoplador direccional es diseñado para una relación de ancho de banda de frecuencia y para un máximo de ondulación de acoplamiento dentro de la banda de frecuencias. Por ejemplo, un típico diseño de acoplador con un ancho de banda de frecuencia de 2:1 que produce un acoplamiento de 10 dB con una ondulación de +/-

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0.1 dB, utilizando la especificación previa de exactitud, tendría un acoplamiento de 9.6 +/- 0.1 dB hasta 10.4 +/- 0.1 dB a lo largo del rango de frecuencias.

2.2.4. PÉRDIDAS En un acoplador direccional ideal, las pérdidas de la línea principal desde el puerto 1 al puerto 2 (P1  –  P2) debido a la potencia acoplada al puerto de salida acoplado son: = 10 log ( 1 – 

) dB

Las pérdidas serán una combinación de pérdidas de acoplamiento, pérdidas dieléctricas, pérdidas del conductor y pérdidas por ROE. Dependiendo del rango de frecuencias, las pérdidas por acoplamiento son menos significantes con un acoplamiento superior a 15 dB. En este caso las otras pérdidas constituyen la mayor parte del total de pérdidas. En la Figura 6 se muestra un gráfico con la relación teórica entre las pérdidas por inserción (dB) y el factor de acoplamiento (dB).

Figura 6. Perdidas por Inserción y Acoplamiento.

Fuente: es.wikipedia.org/wiki/Acoplador direccional.

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2.2.5. AISLAMIENTO El aislamiento de un acoplador direccional puede ser definido como la diferencia en niveles de señal, en dB, entre el puerto de entrada y el puerto aislado, estando los otros dos puertos conectados a cargas adaptadas, o: Aislamiento: Aislamiento:

El aislamiento también puede ser definido entre los dos puerto de salida. En este caso, uno de los puertos de salida es usado como entrada, mientras que el otro es considerado como puerto de salida. Los otros dos puertos (entrada y aislado) están conectados a cargas adaptadas.

El aislamiento de los puertos de entrada y aislado puede ser diferente del aislamiento entre los dos puertos de salida. Por ejemplo el aislamiento entre los puertos 1 y 4 puede ser de 30 dB mientras que el aislamiento entre los puertos 2 y 3 puede tener un valor diferente, como por ejemplo 25 dB. Si ambas medidas de aislamiento no están disponibles, se puede asumir que son iguales. Si no están disponibles ninguna de las dos, se puede estimar el aislamiento por la suma del factor de acoplamiento mas las pérdidas de retorno (ROE). El aislamiento debería ser lo más alto posible. En los acopladores actuales, el puerto aislado nunca está completamente aislado. Siempre estará presente alguna señal de RF. Los acopladores direccionales de guía de onda son los que tienen el mejor aislamiento.

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Figura 7. Test de Recepción de dos tonos.

Fuente: es.wikipedia.org/wiki/Acoplador direccional. Si el aislamiento es alto, el acoplador direccional es excelente para combinar señales y alimentar una sola línea hacia un receptor para realizar tests de recepción de dos tonos. En la Figura 7 una señal entra por el puerto P 3, otra por el puerto P 2, y las dos salen por el puerto P 1 . La señal que pasa del puerto P 3 al puerto P 1 tendrá unas pérdidas de 10 dB, y la señal que va del puerto P 2 al puerto P 1 tendrá 0.5 dB de pérdidas. La carga interna del puerto aislado disipará las pérdidas de señal desde el puerto P3 hasta el puerto P 2. Si los aislamientos de la Figura 3 son ignorados, la medida de aislamiento (del puerto P 2 al puerto P 3) determina la cantidad de potencia del generador de señal F 2 que será inyectada hacia el generador de señal F 1. A medida que el nivel de inyección se incrementa, se puede producir modulación del generador de señal F1, o incluso inyección de bloqueo de fase. Debido a la simetría del acoplador direccional, la inyección reversa se producirá con los mismos posibles problemas de modulación del generador de señal F 2 por F1. Además los aisladores son usados en la Figura 7 para incrementar efectivamente el aislamiento (o directividad) del acoplador direccional. Consecuentemente las pérdidas por inyección serán debidas al aislamiento del acoplador direccional más el aislamiento inverso de los aisladores.

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2.2.6. DIRECTIVIDAD (Según): es.wikipedia.org/wiki/Acoplador direccional. La directividad debería ser lo más alta posible. La directividad es muy alta en la frecuencia de diseño y es una función más sensible a la frecuencia debido a que depende a la cancelación de dos componentes de la oscilación. Los acopladores direccionales de onda de guía son los que mejor dirctividad tienen. La directividad no es medible directamente, es calculada a partir de la diferencia entre las medidas de aislamiento y acoplamiento: La directividad está directamente relacionada con el aislamiento, y es definida por: 10 log (

) dB

Donde: P3 es la potencia de salida del puerto acoplado y P 4 es la potencia de salida del puerto aislado. La directividad debería ser lo más alta posible. La directividad es muy alta en la frecuencia de diseño y es una función más sensible a la frecuencia debido a que depende a la cancelación de dos componentes de la oscilación. Los acopladores direccionales de onda de guía son los que mejor dirctividad tienen. La directividad no es medible directamente, es calculada a partir de la diferencia entre las medidas de aislamiento y acoplamiento: dB

2.2.7. BALANCE DE AMPLITUD (Según): es.wikipedia.org/wiki/Acoplador direccional. Esta terminología define la diferencia de potencia en dB entre los dos puertos de salida de un híbrido 3

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dB. En un circuito ideal híbrido la diferencia debería ser de 0 dB. De todos modos, en un dispositivo real el balance de amplitud depende de la frecuencia y se aparta de la diferencia ideal de 0 dB. En ingeniería de transmisión, las acopladoras diferencia-amplitudes son usadas para crear relleno nulo.

2.2.8. BALANCE DE FASE La diferencia de fase entre los dos puertos de salida de un acoplador híbrido debería ser de 0, 90, 180 grados dependiendo del tipo utilizado. De todos modos, al igual que en el balance de amplitud, la diferencia de fase es sensible a la frecuencia de entrada y normalmente variará unos pocos grados. Las propiedades de fase de un acoplador híbrido de 90 grados pueden ser usadas con gran ventaja en los circuitos microondas. Por ejemplo, en un amplificador equilibrado de microondas las dos entradas son alimentadas a través de un acoplador híbrido. Los dispositivos FET normalmente tienen una pobre adaptación y reflejan mucha energía incidente. De todos modos, como los dispositivos son esencialmente idénticos, los coeficientes de reflexión de cada dispositivo son iguales. El voltaje reflejado desde los FETs está en fase con el puerto aislado desfasado 180 grados con el puerto de entrada. Además, toda la potencia reflejada desde los FETs va hacia la carga en el puerto aislado y ninguna potencia va hacia el puerto de entrada. Como consecuencia se consigue una buena adaptación de entrada relación de onda estacionaria (ROE).

Si se usan líneas adaptadas en fase para una entrada de antena hacia un acoplador de 180 grados, se producirá un nulo directamente entre las antenas. Para recibir una señal en esta posición se debería cambiar el tipo de híbrido o la longitud de la línea. Esta es una buena aproximación para rechazar una señal desde una dirección determinada o para crear el patrón de diferencia para un radar monopulso.

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Los acopladores de diferencia de fase pueden ser usados para crear una inclinación de haz en una estación de radio VHF en FM (Modulación en Frecuencia), retrasando la fase en los elementos inferiores de un array (arreglo) de antenas. De esta manera se puede redirigir completamente el rango de retransmisión en las estaciones AM (Modulación en Amplitud) de onda media que usan radiadores mast. Normalmente se hace de noche para evitar radio interferencias skywave a una estación en la dirección opuesta.

2.2.9. MICROONDAS Se denomina microondas a las ondas electromagnéticas definidas en un rango de frecuencias determinado; generalmente de entre 300 MHz y 300 GHz, que supone un período de oscilación de 3 nanosegundos ns (3×10-9 s) a 3 picosegundos ps (3×10 12

s) y una longitud de onda en el rango de 1 m a 1 mm. Otras definiciones, por

ejemplo las de los estándares IEC 60050 y IEEE 100 sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 1 cm a 100 micrómetros. El rango de las microondas está incluido en las bandas de radiofrecuencia, concretamente en las UHF (ultra-high frequency, frecuencia ultra alta en español) (0.3  –  3 GHz), SHF (super-high frequency, frecuencia súper alta) (3  –  30 GHz) y EHF (extremely

high frequency,

frecuencia extremadamente alta) (30  –  300 GHz).

Otras bandas de radiofrecuencia incluyen ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda que las microondas. Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda  — en el orden de milímetros —  se denominan ondas milimétricas, radiación terahercio o rayos T. La existencia de ondas electromagnéticas, de las cuales las microondas forman parte del espectro de alta frecuencia, fueron predichas por Maxwell en 1864 a partir

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de sus famosas Ecuaciones de Maxwell. En 1888, Heinrich Rudolf Hertz fue el primero en demostrar la existencia de ondas electromagnéticas mediante la construcción de un aparato para producir ondas de radio.

2.2.10. CARGA ADAPTADA Se llama carga adaptada a una impedancia con la que se termina una línea de transmisión y de valor igual a la impedancia característica de dicha línea, con el fin de absorber toda la energía procedente de la línea y eliminar las reflexiones. Igualmente se utiliza para guías de ondas, estando en este caso, el material resistivo dentro de una sección de guía. Se distinguen; Cargas de baja potencia, que suelen ser de forma piramidal o cónica muy aguda, con su base descansando en un cortocircuito y su eje paralelo al eje de la guía. Esta disposición tiene la ventaja de minimizar la reflexión en toda la banda de la guía. Su potencia depende de la banda de frecuencias, siendo, para banda X inferior a 5 vatios. Cargas de alta potencia, que tienen el material resistivo unido a las paredes de la guía, buscando la máxima disipación.

2.2.11. IMPEDANCIA La impedancia es una magnitud que establece la relación (cociente) entre la tensión y la intensidad de corriente. Tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en cuyo caso, ésta, la tensión y la propia impedancia se describen con números complejos o funciones del análisis armónico. Su módulo (a veces impropiamente llamado impedancia) establece la relación entre los valores máximos o los valores eficaces de la tensión y de la corriente. La parte real de la impedancia es la resistencia y su parte imaginaria es la reactancia. El concepto de impedancia generaliza la ley de Ohm en el estudio de circuitos en corriente alterna (AC).El término fue acuñado por Oliver Heaviside en 1886.

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En general, la solución para las corrientes y las tensiones de un circuito formado por resistencias, condensadores e inductancias y sin ningún componente de comportamiento no lineal, son soluciones de ecuaciones diferenciales. Pero, cuando todos los generadores de tensión y de corriente tienen la misma frecuencia constante y sus amplitudes son constantes, las soluciones en estado estacionario (cuando todos los fenómenos transitorios han desaparecido) son sinusoidales y todas las tensiones y corrientes tienen la misma frecuencia que los generadores y amplitud constante. La fase, sin embargo, se verá afectada por la parte compleja (reactancia) de la impedancia. El formalismo de las impedancias consiste en unas pocas reglas que permiten calcular circuitos que contienen elementos resistivos, inductivos o capacitivos de manera similar al cálculo de circuitos resistivos en corriente continua. Esas reglas sólo son válidas en los casos siguientes:

Si estamos en régimen permanente con corriente alterna sinusoidal. Es decir, que todos los generadores de tensión y de corriente son sinusoidales y de la misma frecuencia, y que todos los fenómenos transitorios que pueden ocurrir al comienzo de la conexión se han atenuado y desaparecido completamente. Si todos los componentes son lineales. Es decir, componentes o circuitos en los cuales la amplitud (o el valor eficaz) de la corriente es estrictamente proporcional a la tensión aplicada. Se excluyen los componentes no lineales como los diodos. Si el circuito contiene inductancias con núcleo ferromagnético (que no son lineales), los resultados de los cálculos sólo podrán ser aproximados y eso, a condición de respetar la zona de trabajo de las inductancias.

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2.2.12. MICROCINTAS Línea de transmisión constituida por una cinta conductora y una superficie conductora paralela de anchura muy superior; estos dos conductores son solidarios de las dos caras de un soporte dieléctrico de pequeño espesor. Las líneas de microcintas son ampliamente usadas para interconectar circuitos lógicos de alta velocidad en las computadoras digitales porque estas pueden ser fabricadas por técnicas automatizadas y ello proporciona una señal uniforme en toda la trayectoria. La impedancia de una línea de microcinta está en función del ancho de la línea de cinta, el espesor de la línea de cinta, la distancia entre la línea y área de tierra, y la constante relativa del dieléctrico del material. Para encontrar la impedancia de una microcinta se relaciona la ecuación de otra línea de trasmisión como es la del alambre sobre tierra (wire over ground), cuya impedancia es,

Donde, es Constante relativa del dieléctrico del medio ambiente. h es distancia entre el centro del alambre y el área de tierra. d es diámetro del alambre. La constante efectiva relativa del dieléctrico para una línea de microcinta puede relacionarse con la constante relativa del dieléctrico del material. DiGiacomo y coayudantes descubrieron una ecuación empírica para la constante efectiva relativa del dieléctrico de la línea de microcinta como medida de propagación del tiempo y la constante relativa del dieléctrico en varios materiales.

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Donde: es constante relativa del dieléctrico del medio ambiente. es Constante efectiva relativa del dieléctrico de la línea de microcinta. La sección transversal de la línea de microcinta es rectangular. Debemos transformar los parámetros circulares a su equivalente en rectangular. Springfield descubrió una ecuación empírica para la transformación,

d = 0,67 w Donde, d: es diámetro de la línea sobre tierra w : es ancho de la línea de microcinta t : es espesor de la línea de microcinta Sustituyendo la ecuación para la constante del dieléctrico y para la equivalencia del diámetro en la ecuación de la impedancia característica de la línea de alambre sobre tierra, obtenemos

Donde: : es constante relativa del dieléctrico del material. h : es distancia entre el centro del alambre y el área de tierra. w : es ancho de la línea de microcinta t : es espesor de la línea de microcinta

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Esta ecuación es para la impedancia característica de una línea angosta de microcinta. La velocidad de propagación es,

La impedancia característica para una línea ancha de microcinta fue derivada por Assadourian y otros, está expresada por ,

2.2.13. CONSTRUCCIÓN DE LA MICROSTRIP COMO TIPO DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN ELÉCTRICA La línea de microcinta es el medio de transmisión más común empleado en circuitos de radiofrecuencia y microondas. Esta es una línea de transmisión planar no homogénea, que se deriva de una línea de transmisión de alambres paralelos, la cual consiste de un plano de tierra y una línea conductora separados por un material dieléctrico. La microcinta esta compuesta por un conductor de cobre u oro que esta rodeado de aire por la parte superior y tiene un ancho W, largo L, y un grosor T, que descansa sobre un sustrato dieléctrico que tiene un espesor h y una constante dieléctrica εr. En la parte inferior del sustrato se encuentra el plano de tierra. La

estructura general de una microcinta en un corte transversal se ilustra en la Figura 8.

Figura 8. Microcinta con corte transversal.

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2.2.14. PROCESO DE ANÁLISIS Y SÍNTESIS DE MICROCINTA PARA EL ACOPLADOR BI- DIRECCIONAL Al calculo de las características eléctricas de la microcinta, como la ε eff.

Impedancia Zm

y

longitud eléctrica θm, se le llama a nálisis. Estas se calculan

partiendo de las características del sustrato dieléctrico tales como su constante dieléctrica relativa ε r, espesor h, grosor t, frecuencia de operación, Ancho W y largo L se le conoce como síntesis y se calculan partiendo de los valores de la constante ε r, espesor h, grosor t, frecuencia de operación F, Impedancia Z m y longitud eléctrica θ m de la microcinta en la figura 9. se muestra un breve resumen de lo mencionado anteriormente indicando los datos de entrada y los resultados para el análisis y síntesis del circuito de la microcinta para el acoplador Bi- direccional, utilizando las ecuaciones del modelo de Hammerstad y Jensen (1980), por considerarlo entre los mas simples y precisos.

Figura 9. Proceso de Análisis y Síntesis

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0,053

b = 0,564

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Donde: λ0 = Longitud de onda en el vacio (m) η0 = Impedancia Intrínseca o del espacio Libre εeff = Constante dieléctrica efectiva (adimensional)

Zm = Impedancia de la microcinta (Ω) λm = Longitud de onda de la microcinta(m) θm = Longitud elé ctrica en la microcinta (˚ )

h = Espesor del dieléctrico (m)

2.2.15. SÍNTESIS DE MICROCINTA. El modelo de Hammerstad y Jensen también se puede utilizar para obtener el ancho W y largo L de una línea a partir de la Impedancia y longitud eléctrica y un proceso iterativo. Otro modelo que permite realizar la síntesis y obtener las dimensiones W y L, es el de Wheeler (1977) y se proporciona en las ecuaciones siguientes.

Donde: C o = Velocidad de la luz 2.99792458 x 10 8 m/s Ε0 = Permitividad en el vacio 8.8541878176*10 -12 F/m μ0 = Permeabilidad en el vacio 4π*10 -8 N/A2

t = Grosor del conductor (mm)

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2.2.16. DISCONTINUIDADES EN LA MICROCINTA Una discontinuidad en un circuito de microondas consiste de una transición abrupta en la geometría de la línea a lo largo de la misma por lo que la propagación de las ondas electromagnéticas en ella sufre variaciones en los campos E y H, por lo que se generan ondas estacionarias que producen efectos capacitivos e inductivos. Si estas discontinuidades no se compensan de manera adecuada, dichas reactancias parasitas, pueden provocar errores de amplitud y fase, desacoplamientos de entrada y salida, al igual que posibles acoplamientos espurios. Las discontinuidades son dependientes de la frecuencia, y entre mas alta sea la frecuencia, mayor será la discontinuidad, por lo que se pueden generar un VSWR alto debido al desacoplamiento de impedancias. Estas se pueden presentar por ejemplo, en la unión coaxial  –  línea de microcinta, o en las transiciones de una fuente a la línea de microcinta y de la línea hacia la carga. Cuando se utilizan líneas de microcinta de longitud y ancho constante terminando en una carga, no se requiere compensar transiciones. Algunos tipos de discontinuidades pueden emplearse en redes de impedancias de banda ancha. En la figura 10. Se muestran las discontinuidades típicas, como las transiciones de ancho de línea tales como el cambio de impedancia abrupto, semi-abrupto y los taper, las líneas en Angulo, unión T e Y, Cruz y Resonador acoplado.

Figura 10. Elementos de Microcinta con discontinuidades a) línea de longitud y ancho constante, b) Cambio de Impedancia abrupta, c) Cambio de Impedancia semiAbrupto.

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Fuente: http://www.scribd.com/Metodologia para el diseño-/d/3115307 Los elementos utilizados para suavizar las discontinuidades y desempeñarse como acopladores de impedancia como el taper. Se minimizan los cambios abruptos de impedancia en el circuito. Además se reducen las radiaciones espurias y la concentración de energías en las transiciones. Las líneas en Angulo se utilizan para cambiar la dirección de las líneas de transmisión y en otros casos para incrementar o disminuir la distancia entre dos puntos. Al doblar la línea, se tiende a concentrar energía en la esquina que produce una acumulación de los campos y provocan radiaciones espurias. Cuando las líneas en Angulo se recortan en diagonal en las esquinas, se reducen las capacitancias espureas. El porcentaje de recorte óptimo se calcula mediante ecuaciones.

Figura 11. Líneas en ángulo con ―Mitter‖

Fuente: http://www.scribd.com/Metodologia para el diseño-/d/3115307

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Donde:

M = Porcentaje de Recorte (%) W = Ancho de Conductor (m)

La unión T, Y y divisor tipo Wilkinson, se pueden utilizar como divisores de potencia o combinadores de señales. En el caso del divisor, se ponen los puertos de salida 2 y 3, con una impedancia al doble 2Z 0 que la de la entrada Z 0 en el puerto 1 para conseguir la máxima transferencia de potencia. Por lo que la potencia en la salida será la mitad de (3dB) que la entrada.

2.2.17. ACOPLADORES EN LÍNEA COAXIAL En línea coaxial el tipo más frecuente de acoplador direccional es el de líneas acopladas. El tramo de acoplamiento se produce mediante bloqueos metálicos adosados al conductor. En los diseños básicos, este tramo tiene una longitud o un múltiplo de esta cantidad. Tanto el factor de acoplo como el ancho de banda dependen de esta longitud, así como la proximidad entre conductores. Algunos tipos de acopladores utilizan tramos de acoplamiento con una distancia entre bloques que pueden ser escalonada o bien puede seguir una línea exponencial, gracias a lo cual se consiguen importantes mejoras en el ancho de banda respecto al diseño básico. En la práctica, los fabricantes proporcionan acopladores direccionales de tres o cuatro puertas. Los acopladores de cuatro puertas, reciben también el nombre de acopladores bidireccionales. En los diseños de tres puertas, sé consideran directamente una carga adaptada a la puerta que está aislada de la puerta 1.En esta circunstancia, se suele considerar que la directividad es el cociente de la potencia en 32

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la puerta 3 cuando el acoplador se alimenta por la 1, y la potencia en la 3 cuando la alimentación es por la 2.Estos diseños tienen la ventaja de que la señal por la puerta 3 no sea afectada por los posibles desacoples que puedan existir en la puerta 4.Sin embargo, presenta el inconveniente de que no permiten extraer simultáneamente potencia, incidente y reflejada, debido a lo cual ofrece menos versatibilidad en muchas aplicaciones. Por ejemplo, en Reflectometría.

2.2.18. ACOPLADORES EN GUÍA DE ONDA Existen numerosos tipos de acopladores en guía, puede considerarse que el más sencillo es el de Bethe-hole. En el de la figura 5, dos secciones de guía rectangular paralela entre si se comunican a través de un agujero practicado en sus respectivas caras anchas. Es posible minimizar la potencia que pasa a la puerta aislada (la 4) y maximizar la que transmite a la acoplada (la 3) seleccionando la distancia del agujero a las caras laterales. La distancia óptima puede determinarse a partir de la expresión.

Donde s es la distancia del centro del agujero a la cara lateral más próxima, al ancho de la guía y la longitud de onda en el vacío. El factor de acoplo esta dado por

Donde r0 es el radio del agujero, Z10 es la impedancia del modo fundamental y

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,

La directiva es 20

El diseño se puede optimizar la potencias de salida modificando el ángulo el agujero se encuentra centrado en la cara ancha de la guía, el ángulo optimo viene dado por

Y el factor de acoplo se reduce a

Figura 12. Acopladores direccionales en linea coaxial a)de cuatro puertas, b) de tres puertas.

Fuente: www.ing.uc.edu.ve/~azozaya/MyWebUNEFA/.../ circuitoOndas.pdf  34

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Figura 13. Acopladores direccionales de Bethe-hole: a)con guias paralelas, b) con guias formando un angulo.

Fuente: www.ing.uc.edu.ve/~azozaya/MyWebUNEFA/.../ circuitoOndas.pdf  2.2.19. ACOPLADOR DE DOBLE AGUJERO Uno de los diseños mas intuitivos de acopladores direccionales es el acoplador de doble agujero, Este componente está compuesto fundamentalmente por dos orificios de acoplamiento que comunica ambas guías. La señal incidente en la puerta 1 se acopla a través de los orificios, de forma que los caminos recorridos por la señal hacia la puerta 3 tienen la misma longitud eléctrica y por lo tanto se produce una suma en fase de los campos excitados a través de los agujeros. La señal refleja que entra por la puerta 2 se acopla también, pero en este caso el recorrido es diferente. Al ser la distancia entre orificios de ambas señales se suman contrafase y se cancelan. La señal a la salida proporcional a la onda incidente en la puerta 1 y no depende de la señal en la puerta 2. De la misma forma, también en la puerta 4 se obtiene una señal proporcional a la que entra en la puerta 2 e independiente la que entra por la puerta 1. Es posible determinar una expresión sencilla para el factor de acoplo y la directividad en factor de las amplitudes de las ondas que se acoplan a la guía superior, sean b1 y b, las amplitudes de la ondas acopladas directa e inversa, respectivamente en el primer agujero. Para mayor simplicidad asumiremos que estas amplitudes están

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normalizadas a la amplitud de la señal de entrada, y que el acoplo es suficiente débil como para despreciar la caída señal en la puerta 2. En estas circunstancias, si d es la distancia entre agujeros, las ondas acopladas directas e inversa en el segundo agujero serán, respectivamente,

Dado que en la puerta acoplada se suman en fase las dos ondas directas, el factor de acoplo será

Por otra parte la directividad será

Figura 14. Acoplador en guia: a)de doble agujero,b)de Riblet-slot(corte en el plano H),c) de fase invertida de Schwinger,d)de Moreno.

Fuente: www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ingenieria/tesis05.pdf  36

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Tal y como puede apreciarse solo depende de la amplitud de la relativa de la onda acoplada. Esta amplitud es poco dependiente de la frecuencia, y por tanto el factor de acoplo de estos componentes presentan una respuesta prácticamente plana en toda su banda de operación. Sin embargo la directividad tiene dos contribuciones, la segunda de la cual es fuertemente dependiente de la frecuencia. A la frecuencia de diseño D se hace infinita a causa de este factor, pero frecuencias distintas puede hacerse incluso más pequeña que el propio factor de acoplo. Es posible conseguir anchos de bandas mayores de lo que alcanza el acoplador de doble agujero utilizando acopladores de múltiples agujeros. En estos componentes todos los componentes están equiespaciados, se encuentra a la misma distancia de la pared lateral y tienen radios que dependen de series binomiales o de Chebyshev. La suma y cancelación de señales se producen esencialmente por parejas de agujeros y por tanto el número total de estos suele ser par. Análogamente a como ocurre con los filtros de baja frecuencia, los acopladores binomiales presentan una directividad de máxima plenitud, mientras el acoplador de riblet short-slot. Este acoplador diseñado en 1952 por Riblet, consiste en dos secciones de guías rectangular que comparte una de sus caras laterales. El acoplo esta basado en los modos TE 10 Y TE 20. Los campos totales en la continuidad son esencialmente una superposición de ambos modos, y su configuración es tal que se cancela la señal en la puerta 4 y se maximiza en la 3. La longitud de la sección de interacción se puede variar para obtener distintos factores de acoplo. No obstante para evitar que se genere el modo parásito TE 30 esta longitud debe ser inferior al doble del ancho de la guía. Este tipo de componentes suele diseñarse para un factor de acoplo de 3dB, que en los dos Chebyshev se obtiene una directividad con un rizado uniforme.

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2.2.20. ACOPLADOR DE FASE INVERTIDA DE S CHEWINGER El acoplador de schwinger. El acoplamiento se realiza a través de dos estrechas ranuras que están separadas en una distancia de este modo se consigue una cancelación de las señales en la puerta aislada, que en este caso se encuentran en el mismo plano de la puerta de salida, diferencia de cómo ocurre los acopladores de múltiples agujeros. Una característica que también diferencia al acoplador de schwinger de los múltiples agujeros es que en el de schwinger el factor de acoplo suele ser mas sensible con la frecuencia de la directividad. La cancelación de señales en la puerta aislada es el resultado directo que el campo variado en una de las ranuras tiene un de fase de 180° en la otra. Utilizando esta propiedad y siguiendo el mismo razonamiento que el descrito en el acoplador de doble agujero, se puede comprobar que el agujero de la puerta 4, se cancela, mientras que la que se transmite es máxima y viene dada por b1-bf  e-2fβd = e-fβd  b, 2j sin βd Por tanto el factor de acoplo será

Si bien en esta caso el factor de acoplo es sensible con respecto a la frecuencia no lo es tanto como la directividad en los acopladores de doble agujero, el seno varia mas lentamente en tomo a (valor de longitud eléctrica a la frecuencia central del diseño) que el coseno.

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2.2.21. ACOPLADOR DE MORENO (Según): Ingeniería de microondas: técnicas experimentales , Escrito por José Miguel Miranda Pantoja, José Luís Sebastián Franco, José Margineda Puigpelat, José Miguel Miranda, José Miguel Miranda . El acoplador de moreno las guías se orientan formando un ángulo recto, El acoplamiento se realiza a través de las caras anchas mediante dos aperturas en forma de cruz, con Los cuales se consigue un fuerte acoplo de campos. Para optimizar el aislamiento de la puerta 4, las cruces se localizan en los vértices de un cuadr ado de lado igual a λ/4. Este diseño de lugar una elevada sensibilidad con la frecuencia tanto de la directividad como el factor de acoplo.

Figura 15. Circuitos impresos que forman hibridos:a) hibrido- branch line,b) hibrido en anillo,c) hibrido de lange.

Fuente: www.ing.uc.edu.ve/~azozaya/MyWebUNEFA/.../ circuitoOndas.pdf 2.2.22. SOFTWARE SONNET (Según): catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/.../apendiceA.pdf. Sonnet es un simulador electromagnético de onda completa, del tipo tri-dimensional planar. Consta de un editor de proyectos, un analizador Em y un visor de respuestas.

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El editor de proyectos es una interfaz grafica de uso amigable que te permite introducir la geometría de tu circuito para el análisis electromagnético subsecuente. El analizador es el motor del análisis electromagnético utiliza un método de modificado de análisis de momentos basados en las ecuaciones de maxwell, para realizar un análisis tri-dimensional verdadero de la corriente de las estructuras predominantes planas. Em calcula los parámetros S,Y ó Z, parámetros de líneas de transmisión.

Figura 16. Pantallas de Opciones del software sonnet.

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CAPITULO III MARCO MET M ETODOLÓGICO ODOLÓGICO Para el Desarrollo de los objetivos propuestos en la simulación de acopladores direccionales con el uso de microcintas a través del software sonnet, nos enfocamos en una investigación documental y experimental lo cual constituye uno de los diferentes pasos para acrecentar los conocimientos sobre la simulación de elementos pasivos logrando obtener respuestas precisas en tiempos reales en la ejecución de la investigación.

3.1.- Dise ño de de la Investigaci Inves tigación ón o modalidad odali dad de la Inves Inves tigació tigació n. 3.1.1.-Dise ño de de la inves inves tigación: tigación: El proyecto que se realizará es de tipo ―Factible‖, de bido a que la

investigación es documental, ya que con la simulación es u método que se ha venido implementando en los últimos años, proporcionando apoyos a los cálculos teóricos y mejorando los tiempos de rendimiento en cuanto a la dispositivos del área de telecomunicaciones. El proyecto factible consiste en la investigación, elaboración y desarrollo de una propuesta de un modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de investigación, puede referirse a programas, tecnologías, métodos o procesos. El proyecto debe tener apoyo en una investigación del tipo documental, de campo o un diseño que incluya ambas modalidades.

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Se denomina documental porque “Se basa en obtención y análisis de datos

provenien provenientes tes de materiales impres impresos os u otro tipo de documentos” según Carlos Sabino (El proyecto de Investigación 1.999), por esta razón la investigación es documental puesto que la información obtenida y utilizada fue encontrada por medio de documentos, tesis e Internet.

Investigación Documental: el estudio de problemas con el propósito de ampliar y profundizar el conocimiento de su naturaleza, con apoyo, principalmente, en trabajo previo, información y dato divulgados por medios impresos, audio visual y electrónico. La originalidad del estudio se refleja en el enfoque, criterios, conceptualizaciones, reflexiones, conclusiones, recomendaciones y en general, en el pensamiento del autor. Esto da a entender que se estudiara el contexto real o medio en donde se desenvuelve la problemática a analizar, a través de serie de herramientas metodológicas (estrategias) que será diseñada después. La investigación documental depende fundamentalmente de la información que se recoge o consulta en documentos, entendiéndose este término, en sentido amplio, como todo material de índole permanente, es decir, al que se puede acudir como fuente o referencia en cualquier momento o lugar, sin que se altere su naturaleza o sentido, para que aporte información o rinda cuentas de una realidad o acontecimiento. Las fuentes documentales pueden ser, entre otras: documento escritos, como libros, revistas, revis tas,

encuestas encuestas y conferenci confere ncias as escritas; documentos fílmicos, fílmicos, como

películas, diapositivas, fílmicas; documentos grabado, como discos, cintas y casetes, incluso documentos electrónicos como páginas Web.

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En consecuencia, la presente investigación es una investigación factible que se apoya en una investigación tanto documental como de campo.

3.2.-Área de la Investigación El área de investigación, es científica, relacionada con el área de las telecomunicaciones para el desarrollo de un sistema que permita ser implementado, cabe destacar que gracias a que el conocimiento ofrecido por el instituto es bastante completo, da una base solida para el desarrollo del proyecto. La investigación Recibe el nombre de científica ya que se realiza en el área tecnológica con el propósito de destacar los aspectos fundamentales de una problemática determinada y encontrar los procedimientos adecuados para elaborar una investigación posterior. Es útil desarrollar este tipo de investigación porque, al contar con sus resultados, se simplifica abrir líneas de investigación y proceder a su consecuente comprobación Esta Investigación es parte de una nueva etapa en el área de telecomunicaciones donde los software juegan un papel muy importante aunados a los sistemas de comunicación contemplando una ventana asía lo innovador, de esta forma se puede obtener las metas que caracterizan la calidad estudiada de los diferentes niveles de aprendizajes adquiridos en nuestra casa de estudio el I.U.E.T.L.V; para el uso de sonnet como un software de alto nivel que simule el comportamiento de acopladores direccionales que implementan microcinta.

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CAPITULO IV SISTEMA ACTUAL 4.1 Descripción de la situación actual Los circuitos de microondas pueden ser divididos en dos grandes grupos; los circuitos activos y los circuitos pasivos. Los circuitos pasivos no agregan potencia a la señal que recibe mientras que los circuitos activos si pueden agregar potencia a la señal que reciben. Los circuitos pasivos incluyen desde elementos discretos como resistencias, inductancias y capacitancias hasta circuitos más complejos, tales como filtros, divisores, acopladores y líneas de transmisión. La microcinta genéricamente es la línea de transmisión plana dibujada en circuitos impresos. En particular es una línea de transmisión impresa asimétrica en una cara del circuito impreso, siendo la cara opuesta un plano de tierra. Su impedancia se determina por sus dimensiones: ancho de la microcinta, la altura de sustrato dieléctrico que la soporta, el espesor del conductor que la forma y además la permitividad relativa del material dieléctrico de la placa del circuito impreso. Tomando como soporte simulaciones de diseños bajo el software Sonnet para las comunicaciones, el IUETLV incita a sus estudiantes del área de Electricidad mención Telecomunicaciones al uso de nuevas tecnologías, actualmente en la institución existen algunos trabajos desarrollados por estudiantes de dicha mención, en la cuales han empleados métodos y teorías basados en microcinta (microstrip) lo cual sirve como soporte para el presente trabajo de grado. El objetivo principal de este proyecto denominado simulación de acopladores direccionales con microcinta empleando el software Sonnet, es lograr la evaluación 44

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de acopladores direccionales con microcinta a partir de un breve análisis teórico ya elaborado y compararlo con los datos simulados.

A continuación se presentan los ejemplos para ser evaluados en el software Sonnet e ncon co ntrado en internet, las las cual cua les reflejan la situación sit uación actual.

4.2. SOPORTE PARA EL DISEÑO DIS EÑO ACTUAL 4.2.1 Análisis Análisis de Diseño Dise ño del Acoplador direccional direccional Bra Bra nch Line Line Los divisore s de potencia tipo ―branchline‖ son estructuras bien conocidas y que se utilizan en un gran número de aplicaciones en las que se hace necesaria una división de potencia con salidas de similar nivel de potencia y en cuadratura. Los ―branchline‖ son estruct uras con un plano de simetría y tres grados de libertad, tal como se

esquematiza en la Fig.1, de forma que, a la frecuencia central de diseño ( θ= π /2),  /2), las condiciones de adaptación, aislamiento y valor del acoplo (c) determinan, de forma unívoca los valores de las impedancias de las líneas. line‖ en e n Mi M icrocint croc inta. a. Figura 17. Mascara de un Divisor ―Branch- line‖

Fuente:http://w3.iec.csic.es/ursi/articulos_coruna_2003/actas_pdf/SESION7/S7.Aula 2.0/1261 - FILTRO Y DIVISOR.pd

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Z01 =

Z02 =

C=

La respuesta en reflexión se puede mejorar utilizando divisores con más de dos ramas y seleccionando las impedancias de forma que la respuesta en frecuencia sea del tipo deseado. Por ejemplo un divisor de 3 dB con tres ramas como el de la Fig. 2 con respuesta máximamente plana exige el uso de las siguientes impedancias: Z01 = 120.5Ω

Z02 = 38.8Ω

Z03 = 42.6Ω

El acoplador ramal es un componente usado para obtener dos señales de la misma potencia y un desfase de 90º. Es un componente básico en mezcladores balanceados, Discriminadores de frecuencia y desfasadores. Un hibrido convencional de una sección Tipo

branch-line

es, en general, un circuito de banda estrecha. Esta

característica lo hace inadecuado en el diseño de la sección de entrada, donde se requiere un ancho de banda relativo aproximado del 10%. Otros híbridos, como son los circuitos

rat-race,

tampoco ofrecen el ancho de banda requerido. La solución más

evidente a este problema es diseñar híbridos

branch-line

de varias secciones, pero

esto conduce a diseños con impedancias características difíciles de implementar. La solución adoptada en la sección de entrada consiste en diseñar un híbrido tipo branch-line que presente una determinada desadaptación a la frecuencia central de diseño. Si se sitúa en cada puerta de este híbrido dos secciones de adaptación de longitud λ/4 en cascada, la respuesta del híbrido resultante presenta un mínimo de

reflexión y un máximo de aislamiento a dos frecuencias diferentes, una a cada lado de la frecuencia central. El resultado es un híbrido con una respuesta equirrizada de adaptación, aislamiento, transmisión y acoplamiento en un ancho de banda relativo que puede ser de hasta el 40%. Este diseño se simplifica en la sección de entrada

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remplazando los dos tramos λ/4 por uno de alta impedancia de longitud λ/2 en cada

puerto (fig.18) sin que se produzca un deterioro significativo en la calidad de la respuesta.

Figura 18. Layout del Hibrido Branch-line de Banda Ancha

Fuente:http://w3.iec.csic.es/ursi/articulos_coruna_2003/actas_pdf/SESION7/S7.Aula 2.0/1261 - FILTRO Y DIVISOR. Pdf  Los Los acopladores acopladores híbridos branchline son circuit c ircuitos os de 4 puertas (Fig.19), qu q ue permiten obtener una diferencia de fase de 90º entre dos de dichas puertas. Esa diferencia de fase permanece más o menos constante en frecuencia, dependiendo del número de anillos que lo conforman. Tal y como se puede ver en Fig.19, en el caso de este diseño se utilizarán dos anillos rectangulares, formados por líneas verticales y horizontales de longitud l/4. Figura 19. Acoplador Hibrido Branch-line

Fuente: http://arantxa.ii.uam http://arantxa.ii.uam.es/~jlmasa/trsf/ .es/~jlmasa/trsf/practi practicas/practica3y cas/practica3y4.pdf  4.pdf  47

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Las puertas 1 y 2 actúan como salidas en las que se obtiene una diferencia de potencia entre ellas determinada (K). Así mismo, la puerta 2 tendrá -90º con respecto a la Puerta 1. La puerta de salida 3, se denominada puerta desacoplada, y por ella no debería salir prácticamente nada de potencia. Si la potencia de salida de las puertas 1 y 2 se denominan P1 y P2, se define la relación entre ellas (en unidades de tensión) como:

K= Dos deben ser las condiciones que deben cumplirse en el híbrido de Fig.22: a)Adaptación de la entrada (que si se cumple implica, además, que por la puerta 3 no saldrá idealmente nada de potencia). Para ello debe cumplirse la igualdad:

b) La relación de amplitud K adecuada, que debe verificar

Posteriormente, será necesaria la introducción de los adaptadores en λ/4 adecuados

para mantener la adaptación de la estructura. Dicha elección debe cumplir el requisito de que cualquier impedancia característica de una línea implementada debe estar contenida en el margen 25 < Z0i 28

dB

Perdidas Secundarias de Retorno

>27

dB

Perdidas por Inserción