Práctica 6 y 7 Sistemas Radiantes

8/18/2019 Práctica 6 y 7 Sistemas Radiantes

1/18

Sistemas Radiantes Pastor Torres Eduardo

Práctica 6: Divisores de potencia y resonadores.

Objetivo: Aprender a diseñar e implementar divisores de potencia y resonadores en líneas

microstrip a partir de una frecuencia de trabajo en el área de comunicaciones.

Antes de entrar al área de antenas, es necesario conocer otros elementos que son

importantes en el área de comunicaciones, uno de ellos es el divisor de potencia, así como

los resonadores.

Los acoplamientos direccionales y divisores de potencia son componentes pasivos de

microondas usador para división de potencia o mezcla de potencia. En la división de

potencia tenemos una señal de entrada misma que se divide en dos o más señales de salidacon menor potencia, mientras que el combinador de potencia acepta dos o más señales de

entradas y las señales son combinas en la salida.

Dentro de los divisores de potencia y acopladores tenemos varios diseños, pueden tener

varias estructuras, ya sean dos o tres puertos de salida, formas circulares o forma “T”, así

como acopladores direccionales e híbridos. En general se tienen potencias de transmisión

de 3 dB de ganancia en los parámetros S (según el divisor), además tendremos divisores con

fases de 90° y 180°.

Redes de tres puertos (Uniones T)

El divisor de potencia más simple es la unión T, se componen de dos entradas y una salida,

si el dispositivo es pasivo y contiene materiales no anisótropos, el sistema es recíproco y la

matriz de parámetros S es simétrica (Sij=S ji), para más información consulte al amigo Pozar

en su libro de microondas.

Redes de cuatro puertos (Acopladores direccionales)

Algunos de los modelos estudiados por nuestro amigo son el híbrido T y el carrera de la rata

híbrido (no sé por qué me recuerda al libro “Padre rico, Padre pobre”) mismos que tienen

una diferencia de fase de 180° entre los puertos 2 y 3 cuando se alimenta por el puerto 4.

El divisor de potencia Wilkinson

El divisor de potencia Wilkinson puede ser hecho con divisores de potencia arbitrarios, sin

embargo hay que considerar los -3 dB de ganancia en la salida. El divisor suele ser hecho en


2/18


líneas de microstrip. El análisis adecuado para este divisor será hecho con el análisis en

modo par-impar. El divisor Wilkinson posee una resistencia que nos permite derivar la

potencia, misma que debe tener un valor del doble a la impedancia de entrada, además la

línea de microstrip debe tener una impedancia Zo sqrt(2) .

Diseño de divisor Wilkinson

Para nuestro diseño hemos optado por el manejo de una frecuencia de 900MHz

(proporcionada por el profesor) con una impedancia de entrada/salida de 50 Ohms, para

ello sabemos que nuestra impedancia Z=70.7Ohm, R=100Ohm, y con ayuda del programa

ADS (y del profesor Richard, claro) hacemos nuestra propuesta de diseño, donde debemos

usar lineCalc para la aproximación del sistema. Una vez usado LineCalc tenemos esta

configuración:

Después de hacer varias simulaciones, el tuneo y más, llegamos a la siguiente respuesta del

sistema en sus parámetros S:


3/18


Como se observa en la figura anterior, los parámetros S se consevan, para S(1,1) tenemos

una ganancia de -34dB mientras que para s(2,1) tenemos el valor de -3.09dB, muy cercano

a los valores ideales.

Recordemos que este divisor de potencia requiere de una resistencia para mantener

controlado el sistema, la resistencia debe ser real, por lo que debemos manejar

dimensiones reales, en este caso hemos optado por una resistencia de 2*5mm de la marca

Vishay, en la página web sugerida por el profesor de clase.

Terminamos el diseño de este divisor de potencia con las pistas generadas en ADS, misma

que servirán para exportación a SONNET:

Como se observa en la figura anterior, tiene una entrada con impedancia Z0 y dos salidas

simétricas, la longitud larga se debe a la baja frecuencia de operación (recordemos la

función de la longitud de onda).

m1freq=dB(S(1,1))=-34.199

900.0MHzm2freq=dB(S(2,1))=-3.090

900.0MHz

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.40.5 1.5

-30

-25

-20

-15

-10

-5

-35

0

freq, GHz

d B ( S ( 1

, 1 ) )

m1

d B ( S ( 2

, 1 ) )

m2

m1freq=dB(S(1,1))=-34.199

900.0MHzm2freq=dB(S(2,1))=-3.090

900.0MHz


4/18


Exportando en ADS

Sin embargo, si deseamos generar este divisor de potencia, requeriremos imprimir el diseño

y usar alguna técnica de grabado PCB, lamentablemente somos pobres y el crack de ADS no

soporta todo, por lo que debemos exportar el diseño layout a otro programa, para ello

usaremos SONNET. La forma de exportar el diseño de ADS a SONNET es la siguiente:

-Generar diseño en ADS

-Agregar puertos de entrada/salida y líneas microstrip en forma T para conexión de

pistas

-Crear/Generar layout (abrirá ventana nueva con layout)

-Aceptar parámetros que presenta.

En la ventana conlayot:

-Momentum – Substrate – Update from schematic

-Momentum – Substrate – Create/Modify – Ok

-File – Export GDSII [Browse Route] OK

Importando en Sonnet

Con estos pasos ya tenemos nuestro archivo GDSII listo para importar en Sonnet, para ello

recurrimos al programa y solicitamos hacer una nueva geometría. Una vez abierto:

Archivo – Importar – GDSII [Browse File]

Seguimos los pasos tendremos la placa generada en ADS, un paso antes de simular será

acondicionar nuestro layout con los parámetros correspondientes, desde espesor de placas,

permeabilidad relativa, etc. Además de incluir los materiales adecuados del sistema. En

general usamos de la pestaña circuit, ahí modificamos layouts, brick materials, etc.


5/18


Cuando términos de acondicionar, añadimos los puertos, elementos pasivos, etc y

tendremos (según el caso) la pieza final. A continuación mostramos el diseño del divisor

Wilkinson:

Como se observa en la imagen anterior, tenemos el diseño del divisor de potencia

Wilkinson, cabe mencionar que el mismo es resultado de varias modificaciones para

apegarnos a los parámetros de funcionamiento correspondientes, los cambios de ancho de

banda o ganancia en transmisión y recepción pueden deberse al haberse añadido

elementos adicionales a la simulación en ADS, tales como líneas Microstrip en forma T.

Comentado lo anterior procedemos a mostrar los resultados obtenidos en el simulador de

parámetros S, se puede observar que la señal esta acondicionada para su operación idónea

en los 900MHz, como fue solicitado en clase.


6/18


Divisor de potencia híbrido 90°

Basado en la información de David, podemos diseñar otro tipos de divisores de potencia,

en este caso hablaremos de dos híbridos (fase de 90° y 180°), una de las grandes ventajases que no requieren el manejo de elementos pasivos para compensar la impedancia del

sistema.

El divisor híbrido 90°, conocido como híbrido rama en línea, posee acopladores

direccionales de 3 dB.

Para el diseño de este divisor de potencia deben cumplirse las propiedades de impedancias

mostradas en la figura anterior, básicamente impedancia de entrada Z0 y Z0/2.5. Paranuestro sistema generaremos el divisor con la misma frecuencia otorgada por el profesor:

900MHz.

Comenzamos el diseño de nuestro divisor de potencia usando la herramienta de linecalc,

basta poner las especificaciones de nuestro material, frecuencia, impedancia y fase y voila,

otorga las dimensiones correspondientes a cada segmento, en este caso nosotros sólo

haremos cálculo para dos impedancias. A continuación una captura de lo conseguido con

linecalc.


7/18


Una vez calculado el sistema, hacemos el diseño dentro de ADS, simulamos, añadimos,

terminales, puertos correspondientes y tenemos el siguiente diagrama esquemático como

resultado:

El modelo generado ha sido un poco grande (un largo de 10cm aproximadamente), esto se

debe a que la frecuencia de operación es baja, procedemos simular y generar el layout:


8/18


Y el diseño en líneas de microstrip sería el siguiente, se basa en el modelo original, el modelo

toma las medidas correspondientes al cálculo hecho por la herramienta de trabajo en ADS.

Una de las grandes ventajas respecto al diseño Wilkinson radica en su ausencia deelementos pasivos.

Finalmente hacemos la exportación-importación en ADS-Sonnet, generamos las líneas,

acoplamos el sistema adecuadamente y al simular obtenemos los resultados similares que

en ADS, de igual forma podemos observar el desfase que hay entre los puertos de

entrada/salida, por ejemplo: entre el uno y dos existe la relación lambda cuartos, cercana a

los 90° de forma ideal.

0.6 0. 7 0 .8 0.9 1.0 1. 1 1.2 1. 3 1 .40.5 1.5

-30

-20

-10

-40

0

freq, GHz

d B ( S ( 1

, 1 ) )

m1

d B ( S ( 2

, 1 ) )

m2

m1freq=dB(S(1,1))=-39.038

900.0MHzm2freq=dB(S(2,1))=-3.092

900.0MHz

0. 6 0.7 0.8 0.9 1. 0 1.1 1.2 1.3 1.40.5 1.5

40

60

80

100

120

140

20

160

freq, GHz

m a g

( Z i n 1 )

m3

m3freq=mag(Zin1)=49.780

900.0MHz

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.40.5 1.5

-100

0

100

-200

200

freq, GHz

p h a s e

( S ( 2

, 1 ) )

m5

m5freq=phase(S(2,1))=92.410

900.0MHz


9/18


El divisor de potencia de 180°

También conocido como el divisor de la carrera de la rata, este divisor de potencia genera un

desfase de 180° respecto la señal de entrada, sin embargo, es posible generar el diseño con

operación en fase. Para esta práctica implementaremos el diseño de la carrera de la rata.


10/18


Para el diseño de este divisor de potencia recurrimos directamente al cálculo de dimenciones

basado en las impedancias y ángulos de fase de referencia a la imagen anterior. De modo que en

ADS tenemos los siguientes resultados, donde los radios de la circunfenrencia fueron aproximados

con la relación de la longitud de la celda y el perímetro del elemento mencionado.

0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.050.70 1.10

-50

-40

-30

-20

-10

-60

0

freq, GHz

d B ( S ( 1

, 1 ) )

m1

d B ( S ( 2

, 1 ) )

m2

m1freq=dB(S(1,1))=-56.266

900.0MHzm2freq=dB(S(2,1))=-6.446

900.0MHz


11/18


Como se observa en las figuras, este divisor de potencia conserva su geometría a través de una

circunferencia, y con ello logra su objetivo por ejemplo un desface de 180° entre los puertos 2 y 4.


12/18


Los resonadores

Los circuitos resonantes (en baja y alta frecuencia) son muy utilizados en ingeniería electrónica en

una gran variedad de aplicaciones: filtros, osciladores, medidores de frecuencia y amplificadores

sintonizados. David nos recuerda la teoría básica de circuitos resonantes, siendo la tecnología la

que diferencie los circuitos resonantes en las distintas bandas de operación. Las tecnologíasexpuestas para realizar circuitos resonantes en microondas serán: líneas de transmisión, guías de

onda formando cavidades resonantes y guías dieléctricas constituyendo resonadores dieléctricos.

Para esta práctica pretendemos hacer el diseño de los resonadores planares tipo microstrip, para

ello primero haremos el análisis de los circuitos que conforman los resonadores, estos son circuitos

RLC en serie y paralelo, en circuito abierto y corto circuito. Analicemos el primero:

Resonador circuito abierto a 180° paralelo

Para este diseño implementaremos un resonador con elementos RLC en forma parela con una fase

lambda medios, 180°, para ello recurrimos una vez mas a nuestro amigo David quien tiene el método

de cálculo de los componentes R, L, C. Para el cálculo de esos valores recurrimos a las siguientes

ecuaciones:

=0

∝

=

200

=1

0

Donde ∝ lo obtendremos a partir de la herramienta linecalc. Y ∝= .295. Cabe recordar que el

materia a implementar en esta práctica es FR4, el valor de alpha esta en función del material

implementado.

Entonces adquirimos los valores: R=1788.26, C=5.55 pF, L=5.63nH, entonces armamos nuestro

circuito de la siguiente forma:


13/18


Y al hacer la simulación, lo hacemos con la impedancia del sistema, misma que debe adquirir un

máximo:

Una de las grandes ventajas de usar ADS es que también nos otorga las dimensiones de nuestro

sistema, por lo que podemos implementar las líneas microstrip para nuestro generador, tal cual lo

manda ADS, y para ello tenemos que L=94.88mm y W=3.27mm. Pasamos directamente a la

simulación en Sonnet:

0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0 3.0

500

1000

1500

0

2000

fre , GHz

m a g

( Z i n 1 )

m1


900.0MHz


14/18


Y simulando la impedancia del sistema:

Corto circuito a 180°

Otro de los resonadores favoritos para sistemas de comunicación son los que

trabajaremos a continuación, la diferencia típica será la configuración del circuito RLC,

ahora en serie, y evidentemente las ecuaciones correspondientes cambiarán de la

siguiente forma:


15/18


= 0 = 1.398

=0

20= 13.88

=1

0 = 2.253

Hacemos la simulación del sistema y vemos su simulación:

0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0 3.0

100

200

300

400

500

600

0

700

freq, GHz

m a g

( Z i n 1 )

m1


900.0MHz


16/18


Como su nombre lo dice, el sistema siendo a corto circuito genera dicho corto circuito y por

lo tanto la impedancia de entrada a nuestra frecuencia tiende a 0 ohms. Finalizamos este

diseño con su importación en sonnet y tenemos:

Resonador de 90° circuito abierto

Tendemos también un circuito RLC y ahora la fase de 90 grados, tenemos las ecuaciones

características:

=0

∝ = 7177.38 ℎ

=

400= 2.77

=1

0

= 11.25

El valor de alpha es .147. Tenemos la simulación en ADS con los valores y notamos de nuevo elalto valor de la impedancia de enetrada para nuestro resonador.


17/18


Y finalizamos con implementar la línea microstrip en sonnet.

0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0 3.0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

7000

freq, GHz

m a g

( Z i n 1 )

m1m1freq=mag(Zin1)=6675.612

900.0MHz


18/18


Conclusiones: Respecto a los divisores de potencia, vemos la importancia de la longitud y

forma de las líneas de microstrip en el implemento, requerimos de un mínimo de ancho y

longitud, pero además la proporción del mismo nos permitirá hacer el desfase de la señal,

ya sea para 90 grados o 180 grados. En cuanto a la ganancia, es de esperar que exista una

disminución, en este caso a 3 decibeles que es resultado de valor logarítmico de un medio

(mitad de la ganancia a cada terminal).

Para los resonadores es importante conocer el sistema que se desea implementar, hemos

visto algunas diferencias entre el corto circuito y circuito abierto. También notamos la gran

importancia de los sistemas de simulación mismos que nos permiten calcular varias cosas,

entre ellas las dimensiones de las líneas de microstrip, y otros parámetros como alpha.

Práctica 6 y 7 Sistemas Radiantes

Documents

Transcript of Práctica 6 y 7 Sistemas Radiantes