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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA. LABORATORIO MEDIOS DE TRASMISION Fecha: 3 diciembre del 2014 TECNOLOGIA DE ALTA FRECUENCIA – GUIA RECTANGULAR DE ONDAS Práctica 2 Grupo de Laboratorio: N° 3 Roberto Andagoya Guerrero e-mail: [email protected] RESUMEN: En el presente documento contiene result...

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA. Fecha: 3 diciembre del 2014

LABORATORIO MEDIOS DE TRASMISION

TECNOLOGIA DE ALTA FRECUENCIA – GUIA RECTANGULAR DE ONDAS Práctica 2 Grupo de Laboratorio: N° 3 Roberto Andagoya Guerrero e-mail: [email protected]

RESUMEN: En el presente documento contiene resultados obtenidos en la práctica de tecnología de alta frecuencia prueba de propagación de microondas a través de una guía rectangular de onda rellena de tres tipos de dieléctricos e información de los conocimientos fundamentales para el desarrollo de la misma. Palabras clave: microonda, frecuencia, guía de onda Fi

.

g. 1 Guía de onda rectangular [3].

1. OBJETIVOS

2.2 Propagación de la onda en la guía

1.1 Objetivo General 

La onda electromagnética no se propaga en la línea de manera rectilínea (dirección z) sino que se refleja en las paredes tubulares verticales y se desplaza en zigzag entre las mismas y viaja a la velocidad de la luz. [1]

Estudio del comportamiento de las microondas en una guía de onda.

1.2 Objetivos Específicos  

Probar que los resultados obtenidos son iguales o muy similares a los resultados que se obtienen mediante formulas. Familiarizarse con la instrumentación del laboratorio de medios de transmisión.

2. MARCO TEÓRICO 2.1 Guía rectangular de Ondas

Fig. 2 Propagación de ondas incidentes en una pared. [1]

El término guía de ondas se refiere, por lo general, a un tubo metálico que permite la transmisión de energía electromagnética. La guía de ondas, en el ámbito de las microondas, al contrario que los cables, presenta muy pocas pérdidas. Existen guías cuadrangulares, circulares, elípticas y flexibles. El oscilador Gunn opera en una rango de frecuencia que va de aproximadamente 8 a 9,9 GHz.[1]

(1) pared reflectante (2) longitud de onda en el espacio (3) longitud de onda interna (4) longitud de onda en el espacio libre

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con un ángulo de θ se obtienen las siguientes relaciones para las velocidades:

2.3 Longitud de onda de corte y longitud de onda en la guía Si la frecuencia generada en el sistema de la guía de indas es tan pequeña que se cumple lo siguiente: (5) Esta longitud de onda recibe el nombre de “longitud de onda de corte” entonces el ángulo de reflexión es igual a cero. A partir de las anteriores relaciones se obtiene finalmente lo siguiente para la longitud de onda:

Fig. 3 relaciones de velocidades de ondas incidentes en una guía de onda rectangular. [1]

(6)

(1): La velocidad de la luz c es válida para el sentido de desplazamiento de la onda (2): Posición de una pared frontal (3): Velocidad de señal o de grupo Vs (4): velocidad de fase (5): pared reflectante

2.4 Dimensión de la guía de onda y frecuencia de operación Se puede presentar otro modo de propagación en la guía si es posible la formación de una longitud de onda completa entre las paredes verticales. Este modo se denomina H20 y también tiene una longitud de la onda de corte del modo H10. El ancho de la guía de ondas de banda x, con la que trabajamos en este caso, es de aproximadamente 23 mm. esto es la mitad de la longitud de onda de corte del modo H10 y la longitud de onda de corte completa del modo H20.

La velocidad de fase Vz en la dirección de z, de acuerdo con esta imagen, se obtiene a partir de la velocidad de la luz c como:[1] (1) Y la velocidad de la señal o de grupo Vs como: (2) A partir de la velocidad de la fase se obtiene la relación de longitud de onda: (3) Se puede emplear (H10) y determinar el ángulo de reflexión de manera que entre ambas paredes verticales de la línea pase exactamente la mitad de la longitud de onda. Si a es el ancho de la guía de ondas (ancho a>altura b), entonces es válido lo siguiente:[1] (4)

Fig. 5 El campo electromagnético TE10 en una guía de ondas [1]

2.4 Extrapolación El carro y por tanto, la sonda no llegan al área sombreada de diagrama por lo que el diagrama de onda estacionaria se puede extrapolar al extremo de la línea dividiendo el valor medido en X2 por la mitad de la longitud de onda medida al interior de la guía. Si se obtiene un número entero al final de la línea ranurada se tiene también un punto cero y si el resultado es cercano a un valor que se encuentra en la mitad de dos números enteros al final de la línea existe una depresión de la onda estacionaria.[1]

Fig. 4 dimensiones de guía de onda rectangular. [1]

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

2.5 Dieléctricos

Barras de teflón, PVC gris y plexiglás

4. DESARROLLO Y PROCEDIMIENTO

La constante dieléctrica del material esta dado (la permitividad del material en relación con a permitividad en el vacío ε/εr) [5] Una onda electromagnética se desplaza en un dieléctrico que presenta un índice εr mas lento que en el aire o en el vacío en un factor de √εr por ello la longitud de onda se divide también por el mismo factor. Con la inversión de la formula con la que se obtiene la longitud de onda al interior de la guía a partir de la longitud de onda en el espacio libre se tiene: [1]

4.1 MONTAJE EQUIPOS Primero se realiza el montaje de todos componentes base asegurando las piezas de izquierda a derecha empezando desde el Diodo Gunn

(7)

Aplicando esta fórmula se calcula el cuadra de las longitudes de onda en el espacio para el dieléctrico medido, a partir de las longitudes de onda obtenidas. Para los valores de εr se obtienen de la siguiente formula:[2] (8)

3. EQUIPO Y MATERIALES REQUERIDOS.                  

Fig. 6. Montaje completo [1] Insertar y asegurar las siguientes piezas de izquierda a derecha: oscilador GunnSO4100-4A | aislador SO41004B | línea ranurada SO4100-4F. El transductor de desplazamiento SO4100-4S ya debe encontrarse montado en el lado posterior de la línea ranurada. Atornillar un soporte base bajo el oscilador Gunn y otro bajo la línea ranurada y desplazar el arreglo en su conjunto sobre el carril guía. Insertar cuidadosamente la sonda de la guía de ondas en la ranura de la línea ranurada y fije el LNC de banda X, SO4100-8A, sobre la sonda. Conectar la interfaz Unitrain-I SO4203-2A (cable USB hacia el PC) y el experimentador Unitrain-I SO4203-2B. Insertar la tarjeta de interfaz de medición de banda X, SO4203-3F, en elexperimentador. Conecte la tarjeta con el arreglo experimental de microondas de la siguiente manera: El cable doble con los dos conectores BNC y el enchufe mini-Din (de 6 polos) es el nexo entre el sensor de desplazamiento y el conector mini-Din derecho de la tarjeta: El conector rojo BNC se conecta a la entrada (máx.12 V) y el otro a la salida del sensor de desplazamiento. El cable BNC sencillo es el vínculo entre el oscilador Gunn y el conector mini-Din izquierdo (de 4 polos) de la tarjeta. El cable SMA une la salida del LNC con el conector de la tarjeta de la interfaz de medición. [1]

Oscilador Gunn SO4100-4A Aislador (guía de ondas unidireccional) SO4100-4B Línea ranurada SO4100-4F Transductor de desplazamiento para la línea ranurada SO4100-4S Terminal de guía de ondas SO4100-4K Adaptador de guía de ondas SO4100-4T Placa de cortocircuito SO4100-4L LNC “Low Noise Converter” SO4100-8ª Adaptador para casquillo BNC y conector SMA 290020029 Sonda de medición coaxial para línea ranurada SO4100-5V Cable con dos BNC y un DIN 429004920 Cable BNC/DIN 429004920 Cable SMA SO4100-8X Soporte base (2) SO4100-4M Maleta de almacenamiento para el equipo básico de tecnología de microondas SO4100-4Z Interfaz Unitrain-I SO4203-2A Experimentador Unitrain-I SO4203-2B Tarjeta de interfaz de medición de banda X SO4203-3F

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oscilador Gunn para alcanzar 9 GHz, se retira la pieza de cortocircuito y se introduce la pieza de PVC gris con la nervadura hacia arriba, elevamos la sonda brevemente y se coloca la pieza de cortocircuito, abrimos el diagrama de ondas estacionarias e iniciar el registro de la onda estacionaria desplazando el carro hacia la izquierda ahora detener la medición y con las líneas horizontales del cursor se marca los punto máximo y mínimo de la curva medida y con los laterales marcamos de pico a pico para obtener la longitud de onda, ahora copiar la gráfica y tomar los datos. [1]

4.2 Pruebas de funcionamiento Para la prueba se verifica que la línea de microonda este conectada a la terminan de guía de ondas SO4100-4K y si durante la medición se ilumina la lámpara roja de la tarjeta de la interfaz conmutar una vez el interruptor de reset. Ajustar el tornillo micrométrico del oscilador Gunn en 10 mm, de esta forma se genera una frecuencia de aproximadamente 9 Ghz. Abrir el centro de control de microondas y se encender el diodo gun con la tecla ON y con las teclas rotuladas con fechas aumentamos la tensión hasta obtener una frecuencia de 9 GHz, los valores de ruido, tensión diodo y valor de frecuencia son ingresados para evaluación de simulador [1].

4.6 Medición con plexiglás transparente se retira el PVC y colocamos el plexiglás transparente y repetimos el mismo procedimiento que se realizo con el PVC [1]

4.3 Registro de la propagación en la guía rectangular con cortocircuito al final de la línea, longitud de onda

5. RESULTADOS Y ANALISIS Los resultados obtenidos de la práctica son los siguientes.

Se coloca la placa cortocircuito SO4100-4L en el adaptador de guía de ondas SO4100-4T y abrimos el centro de control de microondas y se ajusta a la alimentación del oscilador a 7,5 V y con el tornilo micrométrico del oscilador Gunn hasta obtener 9 GHz, luego se abre el diagrama de ondas estacionarias y realizar el registro para la línea cortocircuitada, ubicar los cursores, copiar la gráfica y tomar los valores . [1]

5.1 Prueba de funcionamiento Se realiza el ajuste del diodo Gunn a 10 mm. para producir microondas a 9 GHz

4.4 Medición con teflón blanco en el interior de la guía de ondas. Se debe abrir el centro de control de microondas y se enciende la alimentación de diodo Gunn y colocar en 7,5 V aproximadamente y ajustar el por medio del tornillo de sujeción hasta visualizar aproximadamente 20dBm, fijar el tornillo después se gira el tornillo micrométrico del oscilador Gunn para alcanzar 9 GHz, se retira la pieza de cortocircuito y se introduce la pieza de teflón con la nervadura hacia arriba, elevamos la sonda brevemente y se coloca la pieza de cortocircuito, abrimos el diagrama de ondas estacionarias e iniciar el registro de la onda estacionaria desplazando el carro hacia la izquierda ahora detener la medición y con las líneas horizontales del cursor se marca los punto máximo y mínimo de la curva medida y con los laterales marcamos de pico a pico para obtener la longitud de onda, ahora copiar la gráfica y tomar los datos. [1]

Fig.7 Control de microondas ajuste inicial

4.5 Medición con PVC gris Se debe abrir el centro de control de microondas y se enciende la alimentación de diodo Gunn y colocar en 7,5 V aproximadamente y ajustar el por medio del tornillo de sujeción hasta visualizar aproximadamente 20dBm, fijar el tornillo después se gira el tornillo micrométrico del

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(13)

Al aplicar la ecuación (5) se encuentra el valor correspondiente a la longitud de onda de la frecuencia de corte la misma que esta determinada por el ancho de la guía de onda con una frecuencia de corte de 2,8 GHZ y longitud de onda de 106 mm, la ecuación (10) muestra una 66,7 % de onda reflejada, la ecuación

5.2 Registro de medición en corto circuito El valor obtenido con el terminal en cortocircuito muestra la gráfica en la figura 8

X2 :

45

En la figura 9 se ha obtenido la forma de onda cuando se coloca dentro de la guía de onda una barra de Teflón.

106 mm

 42,5 mm

40

  21,3 mm

35

Min:

30

X1: 98,5 mm X2:

3,7 mV Ma x: 35,9 mV S: 9,70

 66,12%

U [mV]

85,1 mm

5.3 Registro de medición con relleno de Teflón

50

U [mV]

X1 :

se

50 45

109 mm

 21,3 mm

25 20 15

 10,6 mm

35

Min:

30

589 µV Max:

10

26,0 mV S:

5

44,14

 91,34%

0 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 X [mm]

40

25 20 15 10

Fig. 8 Gráfica registro de medición en corto circuito

5

Tabla 1. Valores obtenidos de la medición en cortocircuito DESCRICION SIMBOLO VALOR MEDIDO Longitud de onda 42.5 mm ʎ Longitud de onda corte

Tensión mínima Tensión máxima Relación de onda estacionaria Coeficiente de reflexión

ʎc

0 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 X [mm]

Fig. 9 Gráfica registro de medición con relleno de teflón

106 mm

Emin Emax S

3.7mV 35.9mV 9.7

ρ

66.72%

Tabla 2. Valores obtenidos de la medición guía de onda con teflón DESCRIPCION SIMBOLO VALOR MEDIDO Longitud de Onda 21.3mm ʎ Frecuencia

tensión Máxima tensión mínima Relación de onda estacionaria Coeficiente de reflexión

(9)

(10)

F

14GHz

Emax. Emin. S

26.0mV 589µV 44.14

ρ

91.34%

(14) (11) (12)

(15)

5

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(16)

(20)

(17) La ecuación (19) muestra una reflexión de casi el 60 % de la onda incidente y la ecuación (20) la frecuencia de la onda en el interior de la guía con el PVC

Al aplicar la ecuación (15) muestra una reflexión de la onda del 91,34 % y la ecuación (17) la frecuencia con la que la onda se propaga en el interior de la guía con el teflón

5.5 Registro de medición con relleno de Plexiglás transparente

5.4 Registro de medición con relleno de PVC gris

La figura 11 muestra una reflexión menor que todas las medidas anteriores

107 mm X2 :

98,1 mm

50

X2 :

45

 23,8 mm

U [mV]

X1 :

X1 :

40

  10,8 mm

35

Min:

30

30,8 mV S: 7,79

 59,66%

  11,9 mm

35

Min:

30

Ma x: 32,2 mV S: 5,46

25

 47,65%

20

25 20 15 10

15

5

10

0 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 X [mm]

5 0 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 X [mm]

Fig. 11 Gráfica registro de la medición con Dieléctrico Plexiglás transparente

Fig. 10 Gráfica registro de la medición con Dieléctrico PVC gris

Tabla 4. Valores obtenidos de la medición con dieléctrico plexiglás transparente DESCRICION SIMBOLO VALOR MEDIDO 23.8mm Longitud de Onda ʎ

Tabla 3. Valores obtenidos de la medición con dieléctrico PVC gris DESCRICION SIMBOLO VALOR MEDIDO 21.6mm Longitud de Onda ʎ Frecuencia Tensión máxima Tensión mínima Relación de onda estacionaria Coeficiente de reflexión

40

5,9 mV

4,0 mV Ma x:

45

110 mm

117 mm

 21,6 mm

50

U [mV]

La figura 10 muestra un patrón muy parecido al de la figura 11 con el plexiglás pero con un claro desfase

F Emax Emin S

13,88GHz 30.8mV 4mV 7.79

ρ

59.66%

Frecuencia Tensión máxima Tensión mínima Relación de onda estacionaria Coeficiente de reflexión

F Emax Emin S

12,6GHz 32.2mV 5.9mV 5.46

ρ

47.65%

(21) (18) (22) (19)

(23)

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Las ecuaciones (22) y (23) muestran el porcentaje de reflexión y la frecuencia de propagación interior respectivamente.

6. CONCLUSIONES. Se puede ver notar una clara diferencia en la frecuencia que se obtiene con el relleno de los dieléctricos comparando con la que se obtiene cuando es propagada en el aire como se puede verificar en la tabla 2 correspondiente al relleno con teflón donde la frecuencia llega a ser de 14GHz Si se observa las figuras 10 y 11 son muy similares en forma pero tenemos que considerar que las pruebas se las realizo con dieléctricos PVC y plexiglás respectivamente pero podemos notar que al ser materiales distintos existe un desfase. El realizar un ajuste en la distancia que se introduce la sonda con el LNC se obtiene un mejor nivel en dBm aproximadamente de -20dBm. La mayor reflexión se obtuvo cuando se utilizo el teflón como lo muestra la tabla 2, seguido del PVC tabla 3 y finalmente el plexiglás como lo muestra la tabla 4.

7. RECOMENDACIONES Sería mejor que exista un juego de equipos por cada persona o máximo dos ya que como se lo realiza hoy la tercera persona aporta muy poco. Sería conveniente se fije una tiempo para que si algún estudiante necesita realizar pruebas sobre algo que no queda claro en la práctica lo pueda realizar.

7. REFERENCIAS. [1] Lucas Null, Tecnología de alta frecuencia Versión 5.16, 2000-2010 [2] Xavier Xirgu Aleixandre, Líneas de transmisión, 2008 [3] http://www.ing.unlp.edu.ar/camposyo/Guia_Onda.pdf [4]http://www.tecnun.es/asignaturas/PFM_Mat/Prog/Diel ecv2.pdf [5] Wayne Tomasi, Sistemas de comunicaciones Electrónicas cuarta edición,2003

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