1

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

“Unidad Culhuacan”

Ing. Comunicaciones y Electrónica.

Academia de Electromagnetismo.

Reporte de práctica.

“Sistemas de Microondas”

Alumno:

González Montes David

Profesor:

LOPEZ VAZQUEZ ANGEL NOE

Asignatura:

ONDAS ELECTROMAGNETICAS GUIADA

Grupo:

4EV3

Fecha de Entrega:

Martes 27 de Mayo del 2013

2

INDICE:

1.- OBJETIVOS

2.- MARCO TEORICO

3.- ANTECEDENTES

4.- POSTURA ACTUAL

5.- MATERIAL Y EQUIPO

6.- DESCRIPCION DEL EQUIPO

7.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

- Desarrollo de cada experimento -Diagramas

- Lecturas -Observaciones

8.- CONCLUSIONES

9.- BIBLIOGRAFÍA

Objetivo:

3

El alumno deberá familiarizarse con la tecnología de las guías de onda, sus aplicaciones y la medición de algunos de sus parámetros más importantes.

Base teórica.

La tecnología de elaboración de líneas de transmisión tipo guías de onda ha permitido la construcción de sistemas de radioenlace en el ámbito nacional e internacional, entre los usos más frecuentes s puede citar entre otros los siguientes radios de comunicación en el ámbito de frecuencias de microondas, equipo de radar y de telecomunicaciones vía satélite.

Guías de Onda:

En electromagnetismo y en telecomunicación, una guía de onda es cualquier estructura física que guía ondas electromagnéticas.

La guía de onda es otro medio de comunicación también muy usado, el cual opera en el rango de las frecuencias comúnmente llamadas como microondas (en el orden de GHz). Su construcción es de material metálico por lo que no se puede decir que sea un cable. El ancho de banda es extremadamente grande y es usada principalmente cuando se requiere bajas perdidas en la señal bajo condiciones de muy alta potencia como el caso desde una antena de microondas al receptor/transmisor de radio frecuencia.

Las aplicaciones típicas de este medio es en las centrales telefónicas para bajar/subir señales provenientes de antenas de satélite o estaciones terrenas de microondas.

No todas las guías de onda son duras, también existen guías de onda más flexibles, existe un tipo de guía de onda que fabrica una compañía que se llama ANDREW, y a este tipo de guía de onda flexible se le conoce como Heliax.

Algunos sistemas de telecomunicaciones utilizan la propagación de ondas en el

espacio libre, sin embargo también se puede transmitir información mediante el

confinamiento de las ondas en cables o guías. En altas frecuencias las líneas de

transmisión y los cables coaxiales presentan atenuaciones muy elevadas por lo que

impiden que la transmisión de la información sea la adecuada, son imprácticos para

aplicaciones en HF(alta frecuencia) o de bajo consumo de potencia, especialmente en

4

el caso de las señales cuyas longitudes de onda son del orden de centímetros, esto

es, microondas.

La transmisión de señales por guías de onda reduce la disipación de energía, es por

ello que se utilizan en las frecuencias denominadas de microondas con el mismo

propósito que las líneas de transmisión en frecuencias más bajas, ya que se presentan

poca atenuación para el manejo de señales de alta frecuencia.

Este nombre, se utiliza para designar los tubos de un material de

sección rectangular, circular o elíptica, en los cuales la energía electromagnética ha de

ser conducida principalmente a lo largo de la guía y limitada en sus fronteras. Las

paredes conductoras del tubo confinan la onda al interior por reflexión, debido a la ley

de Snell en la superficie, donde el tubo puede estar vacío o relleno con un dieléctrico.

El dieléctrico le da soporte mecánico al tubo (las paredes pueden ser delgadas), pero

reduce la velocidad de propagación.

En las guías, los campos eléctricos y los campos magnéticos están confinados en el

espacio que se encuentra en su interior, de este modo no hay pérdidas de potencia por

radiación y las pérdidas en el dieléctrico son muy bajas debido a que suele ser aire.

Este sistema evita que existan interferencias en el campo por otros objetos, al contrario

de lo que ocurría en los sistemas de transmisión abiertos.

Sus pérdidas son menores que las de líneas de tx en las frecuencias usadas (arriba de 3 GHz); y también son capaces de transportar mayores potencias que una línea coaxial de las mismas dimensiones.

Ventajas:

Blindaje total, eliminando pérdidas por radiación. No hay pérdidas en el dieléctrico, pues no hay aisladores dentro. Las pérdidas por conductor son menores, pues solo se emplea un conductor. Mayor capacidad en el manejo de potencia. Construcción más simple que un coaxial

Desventajas:

La instalación y la operación de un sistema de GO son más complejas. Por ejemplo:

Los radios de curvatura deben ser mayores a una l para evitar atenuación.

Considerando la dilatación y contracción con la temperatura, se debe sujetar mediante soportes especiales.

5

Se debe mantener sujeta a presurización para mantener las condiciones de uniformidad del medio interior.

El tamaño mínimo de la guía para transmitir una cierta frecuencia es proporcional a la l de esa frecuencia.

Dicha proporcionalidad depende tanto de la forma de la guía como de la distribución de los campos (modos de transmisión) dentro de ella. En cualquier caso, hay una frecuencia mínima que puede ser transmitida, denominada frecuencia de corte del modo principal.

Por ejemplo para una guía de onda rectangular, la dimensión mayor de la sección rectangular se designa con la letra A, y la mínima requerida se da en la siguiente tabla para distintas frecuencias:

frecuencia Dimensión A

3 GHz 5 cm.

300 MHz 50 cm. !

30 MHz 5 m. !!

Tipos de Guisas de Ondas.

Guías de Onda Circulares

La guía de onda circular es por mucho la más común, pero esta es más utilizada para radares y microondas. En guías de onda se utilizan cuando es necesario o ventajoso propagar tanto ondas polarizadas verticales como horizontales en la misma guía de onda.

El comportamiento de las ondas electromagnéticas en la guía de onda circular es el mismo como en la guía de onda rectangular. Pero debido a la diferente geometría, algunos de lo cálculos se realizan diferentes.

La longitud de onda de corte para una guía de onda circular es la siguiente:

λ0 = 2π r / kr

Donde: λo : longitud de onda del espacio libre

r = radio interno de la guía de onda (m)

kr = solución de una ecuación de función Bessel

6

La longitud de onda para el modo TE1.1 se reduce a:

λ0 = 1.7d

Donde: d = diámetro (m)

kr = 1.7

La guía de onda circular es más fácil de construir que una guía de onda rectangular y más fácil de unir. Una de las desventajas es que la guía de onda circular tiene un área mucho más grande que una guía de onda rectangular y ambas llevan la misma señal.

Guías Rectangulares.

El modo principal para éstas es el TE10, en el cual el campo eléctrico varía senoidalmente visto desde A, y es uniforme respecto a B, como se observa en la figura siguiente (línea contínua). El campo magnético presenta líneas siempre perpendiculares a las líneas de campo E, formando lazos (línea punteada). Su frecuencia de corte se presenta cuando lc = 2A.

lc=2AModo TE10

Designación de los modos.

Esta se hace mediante los subíndices m y n, los cuales son números enteros. El primero se refiere al número de medios ciclos de variación de campo a lo largo de la dimensión A, y el segundo se refiere al número de medios ciclos de variación de campo a lo largo de B.

7

De esta manera se tienen, por ejemplo:

lc=2BModo TE01

lc=AModo TE20

Para propagar solamente el modo principal (TE10), las dimensiones de la guía deben cumplir: 2A>l, l >A, y l>2B. La primera condición permite el modo principal, la segunda evita el modo TE20, y la tercera evita el modo TE01.

En general, para las guías rectangulares la longitud de onda de corte está dada por:

 

(Se debe multiplicar por la raíz de la constante dieléctrica relativa en caso diferente de aire en el interior)

De la ecuación anterior, expresando la frecuencia de corte:

8

(Dividir entre la raíz de la constante dieléctrica relativa del medio, si es diferente de aire en el interior).

El factor de fase b, se establece de la siguiente manera:

donde f es la frecuencia transmitida en la línea.

Al igual que en el caso de líneas de transmisión, la velocidad de fase es igual a vp = w / b .

Algunos otros modos se muestran:

9

Guía de Onda Acanalada.

Este tipo de guías permite la operación a frecuencias más bajas para un tamaño determinado. Sin embargo, las guías de onda acanaladas son más costosas de fabricar que la guía de onda rectangular estándar. Una guía de onda acanalada tiene más pérdida por unidad de longitud que la guía de onda rectangular. Por este motivo y el alto costo es que este tipo de guía se limita a utilizarse sólo en aplicaciones especializadas.

Guías de Onda Flexibles.

Las guías de onda flexibles consisten de listones envueltos en espiral de latón o cobre. La parte exterior está cubierta con una capa suave dieléctrica por lo general conformada de hule, para mantener la guía de onda hermética contra agua y aire. Pequeños pedazos de guía de onda flexible se utilizan en los sistemas de microondas cuando varios transmisores y receptores están interconectados a una unidad compleja para combinar o separar. La guía de onda flexible también se utiliza extensamente en equipo para pruebas de microondas.

Imágenes de Guía de Ondas.

Guía de onda rectangular.

Guía de onda flexible.

10

Guía de onda elíptica.

Guía de onda torcida.

Guía de onda en forma de codo a 90°

Guía de onda circular.

11

Atenuadores.

Circuitos cuya función es reducir el nivel de potencia de la señal en un valor

determinado. Típicamente se forman de resistencias en formación π o delta (Δ). Como

se muestra en la siguiente figura.

 Atenuador fijo  Atenuador

variable

Atenuador fijo.

Los atenuadores fijos se emplean para reducir la potencia de microondas en un valor determinado. Se pueden emplear para la protección de componentes muy sensibles o para desacoplar partes de un circuito. Para reducir la potencia de microondas se emplea un elemento de atenuación hecho de un material absorbente.

Características:

Trabaja con las bandas VHF/UHF.

Existen dos tipos los llamados hembra y macho.

Un atenuador fijo para microondas banda consta de un sustrato dieléctrico, con una resistencia y una película de director adjunto en dicho sustrato para formar un circuito de atenuación

El atenuador está montado en una placa metálica o una placa de circuito impreso por un tornillo insertado en dicho agujero.

12

Atenuador variable

Se requiere para la reducción de potencia disponible de microondas, por ejemplo, para que el detector opere en la zona cuadrática de su curva característica. Para este fin, a lo largo del eje de la guía de ondas y paralela al campo eléctrico, se coloca una paleta de atenuación la que se regula mediante un tornillo micrométrico.

Existen dos tipos de atenuadores variables para aplicaciones en sistemas de telecomunicaciones pos fibra óptica:

- Atenuador con "gap" de aire: consistente en dos fibras ópticas enfrentadas entre si. Regulando la distancia entre las caras de ambas fibras se obtiene la atenuación de potencia óptica entre las fibras entrante y saliente. Principalmente se utiliza este tipo de atenuadores para aplicaciones multimodo debido a altas reflexiones (Fresnel) que ofrece debido a la presencia de aire en el camino óptico (14 dB). Cambiando mecánicamente la distancia entre las fibras mediante una pieza enroscada y con su escala de atenuación. Este tipo de atenuador no es de alta precisión ó repetitividad. La regulación de atenuación es a partir de las pérdidas de inserción (2-3 dB).

- Atenuador basado en radio de curvatura. Es un atenuador continuo basado solamente en fibra óptica. Cambiando el radio de curvatura de propia fibra óptica, se provoca radiación de la potencia óptica fuera del núcleo por incumplirse la ley de reflexión total en la frontera núcleo/revestimiento (ángulo crítico). El valor de atenuación se establece mediante un sistema motorizado utilizando servomotores de paso con medición interna de la potencia atenuada. Los pasos de cambio de atenuación son de orden de 0,1 dB, son repetitivos y ofrecen la reflexión de orden de -40 dB. El valor máximo de atenuación es de orden de 60 dB (se utiliza el doblamiento de múltiples fibras). Son programables mediante una interfase de comunicación. Las pérdidas de inserción son de orden de 2-3 dB aunque la regulación de atenuación es desde 0 dB. Aplicaciones principalmente para fibras monomodo donde las reflexiones son de suma importancia.

Lista de materiales:

1.- Portafolio con dieléctrico.

2.- Antena dieléctrica

3.- Banco de pruebas de microondas

13

Desarrollo.

Monte el equipo de acuerdo a la figura.

CORTO CIRCUITO

14

Primer caso terminación en corto circuito

Objetivo

Demostrar la presencia de energía de microondas con longitudes de onda en cm.

Encontrar la longitud de onda dentro de la landa de grupo de la guía de onda en cm.

Verifique que cuando se tiene cortocircuito como carga la ROE, es mayor que el coeficiente de reflexión.

VRWS > /P/ >0

Calcular a partir de los valores de la relacion de onda estacionaria.

VRWS=Zo(Imax)/Zo(Imin)

Calcular la frecuencia de corte de este tipo de guía de onda.

Medir “a” y “b” de la guía de onda a utilizar

fc= c2π √(mπ

a)2

+( nπb

)2

Deslice el carro con el deflector milímetro a milímetro a partir del punto mas cercano a la carga y tome sus lecturas mm a mm en dirección de la carga hacia el generador, haga una tabla con las lecturas tomadas.

Grafique en papel milimétrico las lecturas tomadas con cuidado, esta grafica será el patrón.

Tome las distancias promedio en milímetros entre los puntos donde las lecturas fueron mínimas.

Ejercicio

Calcule la frecuencia para una λ=40mm= 4cm

λ= cf∴ f= c

λ= 3 E1040mm

=7.5GHz

Cambie a la antena trompeta Deslice el carro con el deflector milímetro a milímetro a partir del punto mas cercano a

la carga. Tome sus medidas milímetro a milímetro y haga una tabla con sus resultados

15

Haga una tabla en papel milimétrico Tome las 3 lecturas de amplitudes máximas mas próximas y saque el promedio del

valor máximo Tome las 3 lecturas de amplitudes mínimas mas próximas y saque el promedio del

valor mínimo. Calcule los valores encontrados en la VRWS de la línea dada la trompeta.

Demostrar la gráfica de VSWR. (Cortocircuito)

Grafica patrón

λ2

0.1mm

4° mínimo 3°minimo 2°minimo 1°minimo

Tomar lecturas milímetro a milímetro. Hacer tabla y graficar Obtener el valor de la relación de onda estacionara ROE

VSWR= promediode3 lecturasmaximolecturasminimas(0.1)

Encontrar la longitud de onda grupo λg Tomar la distancia entre el primer y segundo minimo, tomar la distancia entre el segundo y tercer mínimo, tomar distancia entre el tercer y cuarto mínimo.Sumadas las 3 lecturas

λg2

= promediode distancias entre losminimos3

λg=n?3

16

Tabla de cortocircuito

milímetros

Amperes 3.3mm 0.7 mA

0.7mm 2 mA 3.4mm 0.4 mA

0.8mm 1.9 mA 3.5mm 0.1 mA

0.9mm 1.9 mA 3.6mm 0.5 mA

1mm 3 mA 3.7mm 1.4 mA

1.1mm 2.6 mA 3.8mm 2.3 mA

1.2mm 2.5 mA 3.9mm 2.6 mA

1.3mm 2 mA 4mm 2.6 mA

1.4mm 1.4 mA 4.1mm 2.5 mA

1.5mm 0.9 mA 4.2mm 2.4 mA

1.6mm 0.4 mA 4.3mm 2.4 mA

1.7mm 0 mA 4.4mm 2.4 mA

1.8mm 0.7 mA 4.5mm 2.8 mA

1.9mm 1.5 mA 4.6mm 2.2 mA

2mm 2 mA 4.7mm 2.2 mA

17

2.1mm 3.3 mA 4.8mm 2.1 mA

2.2mm 2.9 mA 4.9mm 1.6 mA

2.3mm 3 m A 5mm 1.4 mA

2.4mm 3 mA 5.1mm 0.8 mA

2.5mm 3 mA 5.2mm 0.4 mA

2.6mm 2.8 mA 5.3mm 0.2 mA

2.7mm 3 mA 5.4mm 0.6 mA

2.8mm 3 mA 5.5mm 1.6 mA

2.9mm 2.7 mA 5.6mm 2.1 mA

3mm 2.2 mA 5.7mm 2.2 mA

3.1mm 1.6 mA 5.8mm 2.3 mA

3.2mm 1.2 mA 5.9mm 2.3 mA

6mm 1.9 mA

6.1mm 1.8 mA

6.2mm 1.9 mA

6.3mm 2.2 mA

6.4mm 2.4 mA

6.5mm 2.2 mA

6.6mm 2 mA

6.7mm 1.8 mA

6.8mm 1 mA

6.9mm 0.5 mA

7mm 0.1 mA

7.1mm 0.4 mA

7.2mm 1.2 mA

18

VSWR= promediode3 lecturasmaximolecturasminimas (0.1 )

= 4.5+5.5+5.5/3(5.5+5.5+5.5) (0.1 )

VSWR= 5.166 cm16.5 (0.1)

=5.166cm1.65

=3.1309cm

Encontrar la longitud de onda grupo λg Tomar la distancia entre el primer y segundo minimo, tomar la distancia entre el segundo y tercer mínimo, tomar distancia entre el tercer y cuarto mínimo.Sumadas las 3 lecturas

λg2

= promediode distancias entre losminimos3

λg=n?3

λg2

=5.43

λg=1.82

λg=0.9cm

19

ANTENA TROMPETA (Función de Carga)

Grafica patrón

Grafica patrón

λ2

0.1mm

4° mínimo 3°minimo 2°minimo 1°minimo

Tomar lecturas milímetro a milímetro. Hacer tabla y graficar Obtener el valor de la relación de onda estacionara ROE

VSWR= promediode3 lecturasmaximolecturasminimas(0.1)

Encontrar la longitud de onda grupo λg Tomar la distancia entre el primer y segundo minimo, tomar la distancia entre el segundo y tercer mínimo, tomar distancia entre el tercer y cuarto mínimo.Sumadas las 3 lecturas

20

λg2

= promediode distancias entre losminimos3

λg=n?3

Tabla de valores con antena tipo trompeta

milímetros

Amperes 3.3mm 0.8 mA

0.7mm 0.8 mA 3.4mm 0.8 mA

0.8mm 0.8mA 3.5mm 0.7 mA

0.9mm 0.9 mA 3.6mm 0.7 mA

1mm 1 mA 3.7mm 0.7 mA

1.1mm 1 mA 3.8mm 0.6 mA

1.2mm 1 mA 3.9mm 0.6 mA

1.3mm 1.1 mA 4mm 0.6 mA

1.4mm 1.1 mA 4.1mm 0.6 mA

1.5mm 1 mA 4.2mm 0.7mA

1.6mm 0.9mA 4.3mm 0.7mA

1.7mm 0.8mA 4.4mm 0.7mA

1.8mm 0.8mA 4.5mm 0.9mA

1.9mm 0.7 mA 4.6mm 0.8 mA

21

2mm 0.6 mA 4.7mm 0.9mA

2.1mm 0.7 mA 4.8mm 0.9 mA

2.2mm 0.7 mA 4.9mm 0.9 mA

2.3mm 0.7 m A 5mm 1mA

2.4mm 0.7 mA 5.1mm 1mA

2.5mm 0.8 mA 5.2mm 0.8mA

2.6mm 0.8 mA 5.3mm 0.8mA

2.7mm 0.8 mA 5.4mm 0.7mA

2.8mm 0.8 mA 5.5mm 0.6mA

2.9mm 1 mA 5.6mm 0.6mA

3mm 1mA 5.7mm 0.6mA

3.1mm 0.9 mA 5.8mm 0.6mA

3.2mm 0.8 mA 5.9mm 0.6mA

6mm 0.5mA

6.1mm 0.6mA

6.2mm 0.6mA

6.3mm 0.7mA

6.4mm 0.8mA

6.5mm 0.9mA

6.6mm 0.9mA

6.7mm 1mA

6.8mm 1mA

6.9mm 0.9mA

7mm 0.8mA

22

7.1mm 0.8 mA

7.2mm 0.7mA

GRAFICA SIMULADA Y COMPARADA CON LA GRAFICA PATRON

Repita el experimento con el banco de microondas Marconi. Para usarlo siga el siguiente procedimiento.

23

Conclusión.

Una guía de onda, es un tubo conductor hueco, que generalmente es de

sección transversal rectangular, o bien circular o elíptica. Las dimensiones de esta de

la sección transversal se seleccionan de tal forma que las ondas electromagnéticas se

propaguen dentro del interior de la guía; cabe recordar que las ondas

electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse.

Las paredes de la guía de onda son conductores y por lo tanto reflejan energía

electromagnética de la superficie. En una guía de onda, la conducción de energía no

ocurre en las paredes de la guía de onda sino a través del dieléctrico dentro de la guía

de onda. La energía electromagnética se propaga a lo largo de la guía de onda

reflejándose hacia un lado y otro en forma de “zig-zag”.

En algunos sistemas de telecomunicaciones utilizan la propagación de ondas

en el espacio libre, pero también se puede transmitir información mediante el

confinamiento de las ondas en cables o guías. En altas frecuencias las líneas de

transmisión y los cables coaxiales tienen atenuaciones muy elevadas por lo que

impiden que la transmisión de la información sea la adecuada, son imprácticos para

aplicaciones en HF(alta frecuencia) o de bajo consumo de potencia, especialmente en

el caso de las señales cuyas longitudes de onda son del orden de centímetros, esto es,

microondas.

La transmisión de señales por guías de onda reduce la disipación de energía,

es por ello que se utilizan en las frecuencias denominadas de microondas con el

mismo propósito que las líneas de transmisión en frecuencias más bajas, ya que se

presentan poca atenuación para el manejo de señales de alta frecuencia.

En las guías, los campos eléctricos y los campos magnéticos están confinados

en el espacio que se encuentra en su interior, de este modo no hay pérdidas de

potencia por radiación y las pérdidas en el dieléctrico son muy bajas debido a que

suele ser aire. Este sistema evita que existan interferencias en el campo por otros

objetos, al contrario de lo que ocurría en los sistemas de transmisión abiertos.

24