PROPAGACIÓN DE ONDA
EN LÍNEA DE TRANSMISIÓN
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Edison Coimbra G.
ANTENAS Y
PROPAGACIÓN DE
ONDAS
Tema 2 de...
1.- CONCEPTOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
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Tipos de líneas de transmisión (Frenzel, 2003) (Blake, 2004)
Cu...
Transporte de energía en la línea
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¿Cómo se transporta la energía?
LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
Transporte de ...
Circuitos y líneas: una comparación
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En altas frecuencias los circuitos se consideran líneas
La teoría ...
2.- TEORÍA DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
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¿Qué son los parámetros distribuidos? (Anguera, 2008) (Blake, 2004...
Modelo circuital de la línea de transmisión
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¿Cómo se puede modelar la línea?
Los 4 parámetros distribu...
Análisis del modelo circuital
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El análisis genera ecuaciones de onda para el voltaje y la corriente
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Impedancia característica de la línea
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¿Qué es la impedancia característica?
Se la conoce como el model...
Ejemplos con impedancia característica
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Para calcular la impedancia característica se utilizan tablas (...
3.- PROPAGACIÓN EN LINEA ACOPLADA
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¿Qué es una línea acoplada? (Blake, 2004)
La línea acoplada no prod...
Velocidad de propagación en la línea
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¿A qué velocidad se propaga la onda en la línea? (Blake, 2004)
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Onda incidente en la línea
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¿Cómo se propaga en la línea? (Blake, 2004)
También se le llama onda progr...
Ejemplos con fases de la onda en la línea
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¿Cómo se mide el desfase de una onda? (Blake, 2004)
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4.- PROPAGACIÓN EN LÍNEA NO ACOPLADA
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¿Qué es una línea no acoplada? (Blake, 2004)
La línea no acoplad...
Onda estacionaria
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¿Qué es la onda estacionaria? (Blake, 2004)
La onda estacionaria es la suma de
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Ondas en líneas con terminaciones extremas
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¿Cómo varía el voltaje efectivo a lo largo d...
Ondas en líneas con carga no extrema
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Ejemplo 7.- Línea acoplada
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Ejemplo 10.- Onda estacionaria
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La SWR se puede medir, esta es su ventaja sobre el
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RELACIÓN DE ONDA ESTACIONARIA
Importancia práctica
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5.- MÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIA
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¿Cuánta potencia se transfiere a la carga? (Blake, 2004)
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Cálculo rápido de la transferencia de potencia
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TRANSFERENCIA DE POTENCIA
Cálculo rápido
Para cálculo...
Ejemplos con transferencia de potencia
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Ejemplo 16.- Potencia reflejada y disipada
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6.- ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIA
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¿Cómo se puede acoplar la carga a línea?
La red de acoplamiento sirve ...
Tipos de red de acoplamiento
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TIPOS DE R...
Ejemplos con redes de acoplamiento
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El diagrama de Smith ayuda a diseñar el
acoplamiento de impedancia...
7.- PÉRDIDAS EN LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
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¿Cuáles son los mecanismos de pérdidas?
Las pérdidas aumentan...
La historia de los Bel
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¿Para qué sirve el decibel?
La atenuación en la línea se mide en dB.
ORIGEN DE...
Ejemplos con atenuación de línea
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Una onda viaja a través de una lín...
Ejemplos con atenuación de línea
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(Blake, 2004)
Ejemplo 24.- Atenuación de línea
Las pérdidas de las ...
Atenuación vs. Frecuencia en líneas
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¿Cómo varía la atenuación en función de la frecuencia? (Stallings...
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Bibliografía
Anguera, J. & Perez, A. (2008). Teoría de Antenas. Barcelona: La Salle OnLine
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Describir las características de las líneas de transmisión y su efecto sobre las ondas de radio que se propagan través de ellas.

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6.2 Propagacion de oonda en linea de transmision

  1. 1. PROPAGACIÓN DE ONDA EN LÍNEA DE TRANSMISIÓN 1www.coimbraweb.com Edison Coimbra G. ANTENAS Y PROPAGACIÓN DE ONDAS Tema 2 de: Manual de clases Objetivo Describir las características de las líneas de transmisión y su efecto sobre las ondas de radio que se propagan través de ellas. Última modificación: 11 de junio de 2014
  2. 2. 1.- CONCEPTOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 2www.coimbraweb.com Tipos de líneas de transmisión (Frenzel, 2003) (Blake, 2004) Cualquier par de conductores actúa como una línea de transmisión. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Las líneas de transmisión están formadas por conductores metálicos con una disposición geométrica determinada para transportar energía. Tipo Descripción Línea de pares Formada por 2 conductores paralelos. Sus diversas variantes se utilizan en telefonía y transmisión de datos, y para conectar generadores y antenas en las frecuencias de 300 kHz a 30 MHz (Bandas MF y HF). Coaxial Formada por 2 conductores concéntricos separados por un dieléctrico sólido. Se utilizan en sistemas de banda ancha como telefonía multicanal, televisión y RF hasta frecuencias del orden de 1 GHz. Microcinta Construida en una tarjeta de circuitos impresos, con 2 conductores, uno en un lado de la tarjeta y el otro el plano de Tierra. Se utilizan en sistemas de microondas. Guía de ondas Constituida por 1 conductor; un tubo hueco de sección rectangular, circular o elíptica. Se utilizan en sistemas de microondas, como alternativa al coaxial. Según la conexión Línea balanceada. Los voltajes de los conductores son simétricos respecto a tierra. Por ejemplo: líneas de pares. Línea no balanceada. Uno de los conductores está conectado a tierra, por donde retorna la corriente. Por ejemplo: coaxial y microcinta. Línea de pares Coaxial Guía de ondas Microcinta
  3. 3. Transporte de energía en la línea 3www.coimbraweb.com ¿Cómo se transporta la energía? LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Transporte de energía Una aplicación de las líneas es el transporte de energía electromagnética del generador a la carga. La energía se propaga alrededor de los conductores de la línea. Si se aplica un voltaje (VS) a una línea de pares, se genera un campo E entre los conductores, ya que acumulan cargas opuestas. La dirección del campo se invierte en cada semiciclo del voltaje. El voltaje (VS) hace fluir una corriente eléctrica I por los conductores de la línea terminada en una impedancia de carga (ZL ). Esta corriente genera, a su vez, un campo H alrededor de los conductores. La dirección de la corriente y de los campos se invierte en cada semiciclo del voltaje. La energía se propaga, por tanto, en forma de campos E y H transversales entre sí y, a su vez, transversales a la dirección de propagación. Este modo de propagación se denomina modo TEM. (Kraus, 2000) TEM (Transverse Electro-Magnetic Wave). Corte transversal Transportedeenergía (Frenzel, 2003)
  4. 4. Circuitos y líneas: una comparación 4www.coimbraweb.com En altas frecuencias los circuitos se consideran líneas La teoría de líneas implica parámetros distribuidos. CIRCUITOS Y LÍNEAS Circuitos Líneas En bajas frecuencias, el circuito tiene dimensiones pequeñas comparadas con la longitud de onda, por lo que la corriente que circula por un cable en un instante dado, tiene la misma amplitud y fase en todos los puntos del cable. En altas frecuencias, el circuito tiene dimensiones comparables con la longitud de onda, por lo que la corriente que circula por un cable en un instante dado, no tiene la misma amplitud ni fase en otros puntos del cable. En bajas frecuencias, el circuito se analiza con la teoría de circuitos, donde se usan conceptos como voltajes, corrientes y parámetros concentrados. En altas frecuencias, el circuito se considera línea con parámetros distribuidos, y su análisis requiere de la teoría de líneas, derivada de la teoría del campo electromagnético. Los parámetros concentrados son: resistencia, conductancia, inductancia y capacitancia. Están concentrados en un solo elemento o componente bien localizado físicamente. En una línea, la resistencia, conductancia inductancia o capacitancia no están concentradas en un punto de la línea, sino distribuidas uniformemente a lo largo de ella. A pesar de ello, la teoría de líneas permite aprovechar muchas de las leyes y propiedades que se estudian en electrónica de baja frecuencia. Circuito en baja f Circuito en alta f = línea (Kraus, 2000)
  5. 5. 2.- TEORÍA DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 5www.coimbraweb.com ¿Qué son los parámetros distribuidos? (Anguera, 2008) (Blake, 2004) Los parámetros distribuidos se distribuyen uniformemente a lo largo de la línea. PARÁMETROS DISTRIBUÍDOS DE LA LÍNEA Parámetro Descripción Resistencia distribuida R Resistencia en serie por unidad de longitud (/m). Depende la resistividad de los conductores y de la frecuencia. En altas frecuencias, la resistencia aumenta debido al efecto skin, que es la tendencia de la corriente a acumularse en la capa superficial del conductor, produciendo atenuación en la onda. Conductancia distribuida G Conductancia en paralelo por unidad de longitud (S/m). El dieléctrico no es perfecto y tiene resistividad finita, por lo que parte de la corriente se “fuga” entre los conductores, contribuyendo a la atenuación en la onda. A bajas frecuencias éstas pérdidas son tan pequeñas que se ignoran; sin embargo, son significativas a medida que aumenta le frecuencia. Inductancia distribuida L Inductancia en serie por unidad de longitud (Hy/m). El flujo de corriente en los conductores genera un campo H alrededor de ellos, lo cual se modela como un inductor en serie que almacena dicha energía magnética. Cuando aumenta la frecuencia, la inductancia comienza a tener efecto, porque mayor será la reactancia inductiva en serie. Capacitancia Distribuida C Capacitancia en paralelo por unidad de longitud (F/m). El voltaje entre los conductores genera un campo E entre ellos, lo cual se modela como un capacitor en paralelo que almacena dicha energía eléctrica. Cuando aumenta la frecuencia, la capacitancia comienza a tener efecto, porque menor será la reactancia capacitiva en paralelo.
  6. 6. Modelo circuital de la línea de transmisión 6www.coimbraweb.com ¿Cómo se puede modelar la línea? Los 4 parámetros distribuidos se calculan para cada caso particular si se conocen las dimensiones de la línea. MODELO CIRCUITAL DE LA LINEA Línea de 2 conductores El comportamiento de la línea a altas frecuencias se analiza con la teoría de líneas y con una extensión de la teoría de circuitos que implica parámetros distribuidos. Para ello, se la divide en secciones de longitud infinitesimal ∆z. El modelo considera las pérdidas y el almacenamiento de energía en cada una de estas secciones. Uno adecuado es una red de cuadripolos, donde R, G, L, y C son los parámetros distribuidos de la línea. Este elemento infinitesimal se supone tan pequeño que los parámetros del circuito pueden considerarse concentrados. Modelo de una sección CÁLCULO DE PARÁMETROS DISTRIBUIDOS Los parámetros distribuidos de las líneas dependen del grosor de los conductores, su separación y de la permitividad del dieléctrico que los separa. Se han desarrollado fórmulas para calcularlos. Se resumen en tablas.
  7. 7. Análisis del modelo circuital 7www.coimbraweb.com El análisis genera ecuaciones de onda para el voltaje y la corriente Se llaman también Ecuaciones de Helmholtz. ANÁLISIS DEL MODELO Suponiendo una variación senoidal del voltaje y la corriente y usando notación fasorial, se aplican las leyes de Kirchoff al cuadripolo. Se obtienen ecuaciones diferenciales cuyas soluciones son las ecuaciones de onda para el voltaje y la corriente en la línea y la constante de propagación. Análisis del cuadripolo Ondas de voltaje y corriente Atenuación de la onda (Kraus, 2000) INTERPRETACIÓN DE LA SOLUCIÓN Ecuación de onda Una superposición de 2 ondas: una incidente que viaja del generador hacia la carga y otra reflejada que viaja en sentido contrario, para el voltaje y para la corriente. Constante de propagación La onda de voltaje, o corriente, se atenúa exponencialmente conforme se propaga a lo largo de la línea.
  8. 8. Impedancia característica de la línea 8www.coimbraweb.com ¿Qué es la impedancia característica? Se la conoce como el modelo de alta frecuencia de la línea. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA Conceptos En una línea hipotéticamente infinita, la onda incidente viaja a lo largo de ella por siempre, y nunca se refleja. En ausencia de ondas reflejadas, si las ondas incidentes de voltaje y de corriente se vinculan entre sí, en cualquier punto de la línea, se obtiene la impedancia característica, parámetro con dimensiones de resistencia que caracteriza a la línea. La impedancia característica depende de los parámetros distribuidos de la línea y la frecuencia. Es compleja, contiene elementos reactivos, lo que señala un desfase entre las ondas de voltaje y de corriente. En la práctica, se usan líneas de bajas pérdidas, y si la frecuencia es suficientemente alta, la potencia de pérdidas se ignora, pues es mucho menor que la potencia almacenada en el campo electromagnético que se propaga como una onda en la línea. En tales condiciones, la impedancia característica es real, puramente resistiva, y no depende de la frecuencia, únicamente de la inductancia y capacitancia. Bajas pérdidas y alta frecuencia Impedancia característica Z0 = impedancia característica, en . V, I = voltaje y corriente en un punto. R, G, L, C= parámetros distribuidos.  = 2f = frecuencia angular, en rad. 𝑍0 = 𝑉(𝑧) 𝐼(𝑧) = 𝑅 + 𝑗𝐿 𝐺 + 𝑗𝐶 𝑅 𝐿 G 𝐶 𝑍0 = 𝐿 𝐶 (Frenzel, 2003) (Blake, 2004)
  9. 9. Ejemplos con impedancia característica 9www.coimbraweb.com Para calcular la impedancia característica se utilizan tablas (Blake, 2004) La impedancia característica depende de las dimensiones físicas de la línea. Respuesta Ejemplo 1  𝑍0 = 169 . Ejemplo 1.- Línea de pares Una línea telefónica de uso en interiores, tiene 2 conductores paralelos de cobre de 0.60 mm de diámetro. La separación entre ellos es de 2.5 mm y el aislante entre ambos es polietileno con permitividad 2,26. Calcule la impedancia característica del cable suponiendo su utilización a altas frecuencias. Respuesta Ejemplo 2  𝑍0 = 46,5 . Ejemplo 2.- Cable coaxial Un cable coaxial usado en sistemas VHF, UHF y microondas, tiene conductores de cobre aislados entre sí con polietileno de permitividad 2,26. El diámetro del conductor interno es de 3 mm y del externo 9,6 mm. Calcule la impedancia característica del cable. De tabla De tabla
  10. 10. 3.- PROPAGACIÓN EN LINEA ACOPLADA 10www.coimbraweb.com ¿Qué es una línea acoplada? (Blake, 2004) La línea acoplada no produce reflexiones. LÍNEA ACOPLADA Concepto Para no tratar con una línea infinita, producto de la imaginación, se utiliza una de longitud finita terminada con una impedancia de carga igual a la impedancia característica. El efecto visto desde el generador es que la onda incidente viaja hasta la carga donde es absorbida totalmente y no se refleja. Una línea de longitud finita que se termina en su impedancia característica se llama línea acoplada; no produce onda reflejada. VALORES DE IMPEDANCIAS Aplicación Valor Coaxial transmisor y receptor de RF 50  Coaxial televisión por cable 75  Coaxial red de computadores 93  Par trenzado UTP 100  Par trenzado STP 150  Línea de cinta antena de televisión 300  Línea acoplada Impedancias VALORES DE IMPEDANCIA En la práctica, no es necesario calcular la impedancia característica, puesto que es parte de las especificaciones de un cable, lo cual simplifica los criterios de acoplamiento.
  11. 11. Velocidad de propagación en la línea 11www.coimbraweb.com ¿A qué velocidad se propaga la onda en la línea? (Blake, 2004) El factor de velocidad depende del dieléctrico de la línea. VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN EN LA LÍNEA Descripción La velocidad a la cual se propaga la onda en la línea es menor que la velocidad de la luz en el vacío. Cerca del 66% de la velocidad de la luz en cable con dieléctrico de polietileno sólido. Cerca del 78% en cable con dieléctrico de espuma de polietileno. Cerca del 95% en cable con aire como dieléctrico. Además de la velocidad de propagación, es normal que los fabricantes especifiquen el factor de velocidad de los cables, el cual depende casi por completo del dieléctrico utilizado en la línea. Factor de velocidad VF = factor de velocidad. 𝑣 𝑝 = velocidad de propagación en la línea, en m/s. 𝑐 = velocidad de la luz en el vacío, en m/s.  𝑟 = permitividad relativa del dieléctrico. VF = 𝑣 𝑝 𝑐 = 1  𝑟 Respuesta Ejemplo 3 a) VF = 0,69. b) 𝑣 𝑝 = 207.000 km/s. Ejemplo 3.- Velocidad de propagación Para un cable con un dieléctrico de teflón (permitividad de 2,1), calcule: a) El factor de velocidad. b) La velocidad de propagación en el cable.
  12. 12. Onda incidente en la línea 12www.coimbraweb.com ¿Cómo se propaga en la línea? (Blake, 2004) También se le llama onda progresiva. PROPAGACIÓN DE ONDA INCIDENTE Descripción En una línea acoplada, la onda incidente viaja hasta la carga donde es absorbida totalmente y no se refleja. El proceso se lleva a cabo en cierto tiempo hasta que la primera parte de la onda llegue a la carga. Si fuera posible la “instantánea” del voltaje a lo largo de la línea se vería como la onda seno en función de la distancia en lugar del tiempo; por lo que un ciclo completo de la onda ocuparía una longitud de onda en lugar de un periodo. En cualquier punto de la línea la onda es la misma que en el generador, excepto por un desfase. Desfase de la onda La longitud de una línea que no es igual a la longitud de onda produce un desfase proporcional a su longitud. Una longitud de onda produce un desfase de 360º. Las líneas de transmisión también se utilizan para introducir, de forma deliberada, desplazamientos de fase y retardos cuando se requieran. Instantánea del voltaje Longitud de onda en la línea λ = 𝑣 𝑝 𝑓 λ = longitud de onda, en m. 𝑣 𝑝 = velocidad de propagación, en m/s. f = frecuencia de la onda, en Hz.  = cambio de fase, en grados. L = longitud de la línea, en m. Desfase que produce la línea.  = 360 L λ
  13. 13. Ejemplos con fases de la onda en la línea 13www.coimbraweb.com ¿Cómo se mide el desfase de una onda? (Blake, 2004) Una longitud de onda produce un desfase de 360º. Ejemplo 4.- Fases de la onda La fase describe la posición relativa de la onda respecto a un punto de referencia. Si se piensa que la onda se desfasa hacia delante o hacia atrás a lo largo de la línea, la fase describe la magnitud de ese desfase, indica el estado del primer ciclo. Ejemplo 5.- Onda desfasada Una onda se desplaza un /6. ¿Cuál es su fase en grados y radianes? Respuesta Ejemplo 5  = 60º = /3 rad. Ejemplo 6.- Desplazamiento ¿Qué longitud de cable coaxial se requiere para obtener un desplazamiento de fase de 45º a 200 MHz? El factor de velocidad del coaxial es 0.66. Respuesta Ejemplo 6 L = 0,124 m. Diferentes fases (Forouzan, 2007)
  14. 14. 4.- PROPAGACIÓN EN LÍNEA NO ACOPLADA 14www.coimbraweb.com ¿Qué es una línea no acoplada? (Blake, 2004) La línea no acoplada produce reflexiones. LÍNEA NO ACOPLADA Concepto Si la onda viaja en un medio e incide sobre la frontera de un segundo medio de diferentes características, parte de su energía se transmite hacia el segundo medio y otra se refleja hacia el primero. Un proceso análogo ocurre en la línea terminada en una impedancia de carga que no es igual a su impedancia característica; el primer medio sería la propia línea y el segundo la impedancia de carga. En consecuencia, parte de la energía incidente es absorbida en la carga y otra se refleja hacia el generador. A esta línea que produce onda reflejada se llama línea no acoplada. La onda reflejada se agrega a la incidente y la suma de ambas se conoce como onda estacionaria, la cual queda confinada dentro de la línea. Onda incidente + onda reflejada Onda estacionaria
  15. 15. Onda estacionaria 15www.coimbraweb.com ¿Qué es la onda estacionaria? (Blake, 2004) La onda estacionaria es la suma de las ondas incidente y reflejada. ONDA ESTACIONARIA Descripción La interacción entre las ondas incidente y reflejada causa lo que parece ser un patrón estacionario de ondas en la línea. Debido a su apariencia, a estas ondas se las conoce como ondas estacionarias. En cada punto de la línea los valores instantáneos del voltaje incidente y reflejado se suman en forma algebraica para obtener el voltaje total. Nodos. Hay puntos que son siempre 0, no vibran, esos puntos se denominan nodos, y son la causa de que la energía en lugar de transmitirse se almacene entre cada nodo. Antinodos. Hay otros puntos que vibran en el tiempo con una amplitud de vibración máxima, igual al doble de las ondas que interfieren, y con una energía máxima, estos puntos se denominan antinodos. La distancia que separa dos nodos consecutivos es /2. Onda estacionaria ONDA ESTACIONARIA Advertencia La onda estacionaria que se forma en la línea no acoplada es energía que no se transmite y que puede calentar y dañar dispositivos electrónicos. Es necesario controlar la porción de onda que se refleja.
  16. 16. Ondas en líneas con terminaciones extremas extremasiones 16www.coimbraweb.com ¿Cómo varía el voltaje efectivo a lo largo de la línea? La corriente responde al contrario que el voltaje. ONDA ESTACIONARIA En línea con terminaciones extremas Si se mueve un voltímetro desde el generador hasta la carga, se obtiene la variación del voltaje efectivo (RMS) a lo largo de la línea. Terminación Evento Línea acoplada. El voltaje incidente es absorbido por la carga. Circuito abierto No hay carga que absorba al voltaje incidente, por lo que se refleja con la misma amplitud y polaridad y se suma al nuevo incidente, produciendo un voltaje efectivo máximo. Corto circuito No hay carga que absorba al voltaje incidente, por lo que se refleja con la misma amplitud y polaridad opuesta y se suma al nuevo incidente, produciendo un voltaje cero. Acoplada Abierta Corto (Frenzel, 2003) (Blake, 2004)
  17. 17. Ondas en líneas con carga no extrema 17www.coimbraweb.com La SWR tiene que ver solo con magnitudes, es un número real. ONDA ESTACIONARIA En línea con carga no extrema Si la línea esta desacoplada, no en extremo, parte del voltaje es absorbido en la carga y otra se refleja hacia el generador. El voltaje reflejado tiene una amplitud menor que el incidente, por lo que no habrá lugar sobre la línea donde el voltaje sea 0. El voltaje máximo ocurre cuando los voltajes incidente y reflejado están en fase, y el mínimo cuando tienen fases opuestas. CARACTERÍSTICAS DE LAS REFLEXIONES Coeficiente de reflexión Relación entre el voltaje reflejado y el incidente. En general es un número complejo. Relación de onda estacionaria ROE (SWR – Standing Wave Ratio). Relación entre el voltaje máximo y el voltaje mínimo. A través de un análisis circuital en la carga y un poco de álgebra, es posible expresar ambas características en función de las impedancias característica y de carga. Carga no extrema Coeficiente de reflexión Relación de onda estacionaria  = 𝑉 𝑟 𝑉𝑖 = ZL − Z0 ZL + Z0 SWR = 𝑉 𝑚á𝑥 𝑉 𝑚í𝑛 SWR = Z0 ZL SWR = ZL Z0 Si ZL Z0 Si Z0 ZL ¿Cómo varía el voltaje efectivo a lo largo de la línea? (Frenzel, 2003) (Blake, 2004)
  18. 18. Ejemplos con líneas con terminaciones extremas 18www.coimbraweb.com Ejemplo 7.- Línea acoplada Calcule el coeficiente de reflexión y la SWR en una línea acoplada. Respuesta Ejemplo 7  = 0. El voltaje reflejado es 0. SWR = 1. Los voltajes máximos y mínimos son iguales. Es una onda plana. Ejemplo 8.- Circuito abierto Calcule el coeficiente de reflexión y la SWR en una línea terminada en circuito abierto. Respuesta Ejemplo 8  = 1. Los voltajes incidente y reflejado son de igual magnitud y signo. SWR → ∞. El voltaje mínimo es 0. Ejemplo 9.- Corto circuito Calcule el coeficiente de reflexión y la SWR en una línea terminada en corto circuito. Respuesta Ejemplo 9  = −1. Los voltajes incidente y reflejado son de igual magnitud pero de signo opuesto. SWR → ∞. El voltaje mínimo es 0. ¿Cómo varía el voltaje efectivo a lo largo de la línea? (Frenzel, 2003) (Blake, 2004) La SWR toma valores entre 1 e infinito.
  19. 19. Ejemplos con líneas con carga no extrema 19www.coimbraweb.com Ejemplo 10.- Onda estacionaria Un generador se conecta a una línea en cortocircuito de 1,25  de largo. Dibuje el patrón de onda estacionaria de voltaje en la línea. Respuesta Ejemplo 10 Ver figura. Ejemplo 11.- Onda estacionaria Una línea de circuito abierto tiene de largo 0.75. Dibuje un diagrama que muestre cómo varía el voltaje RMS con la posición a lo largo de la línea. Respuesta Ejemplo 11 Ver figura. Respuesta Ejemplo 12 a)  = −0,33. b) SWR = 2. Ejemplo 12.- Coeficiente de reflexión y SWR Una línea de 50  se termina en una resistencia de 25 . Calcule: a) El coeficiente de reflexión. b) La relación de onda estacionaria. ¿Cómo varía el voltaje efectivo a lo largo de la línea? (Frenzel, 2003) (Blake, 2004) La SWR tiene que ver solo con magnitudes, es un número real.
  20. 20. Ejemplos con líneas con carga no extrema 20www.coimbraweb.com La SWR se puede medir, esta es su ventaja sobre el coeficiente de reflexión que es más útil en cálculos. Ejemplo 14.- SWR y resistencia de carga Una línea ranurada de 50  y factor de velocidad de 0.95, se utiliza para llevar a cabo mediciones con un generador y una carga resistiva que se sabe es mayor que 50  (vea la figura). Se encuentra que el voltaje máximo en la línea es de 10 V y el mínimo de 3 V. La distancia entre dos mínimos es de 75 cm. Calcule: a) La longitud de onda de la línea. b) La frecuencia del generador. c) La SWR. d) La resistencia de la carga. Respuesta Ejemplo 14 a)  = 1,5 m. b) f = 190 MHz. c) SWR = 3,33. d) ZL = 167 . ¿Cómo varía el voltaje efectivo a lo largo de la línea? (Frenzel, 2003) (Blake, 2004) Ejemplo 13.- SWR y coeficiente de reflexión Un cable coaxial de 75  tiene una onda estacionaria de 52 V máximo y 17 V mínimo. Calcule: a) La relación de onda estacionaria. b) El valor de la carga resistiva. c) El coeficiente de reflexión. Respuesta Ejemplo 13 a) SWR = 3,06. b) ZL = 229,5 . c)  = 0,51.
  21. 21. Ejemplos con líneas con carga no extrema 21www.coimbraweb.com RELACIÓN DE ONDA ESTACIONARIA Importancia práctica Es un parámetro fácil de medir y da una indicación de las condiciones de funcionamiento de la línea y del acoplamiento de ésta a la carga y al generador. Sus valores son: 1 ≤ SWR < ∞. Para una línea acoplada (caso ideal) es igual que 1 (se expresa como 1:1 para enfatizar que es una razón), y mientras más cerca esté la línea de ser acoplada, más cerca de 1 es su SWR. En una aplicación de transmisión, la onda estacionaria pone voltaje adicional en la línea y puede producir que falle la línea o el generador. Por ejemplo, si sucede que el generador está conectado en o cerca de un voltaje máximo, su circuito de salida quedaría sujeto a una condición peligrosa de sobrevoltaje. Es muy probable que el sobrevoltaje dañe al generador, que por esta razón suele e equiparse con circuitos para reducir su potencia de salida en presencia de una SWR mayor que 2:1. ¿Cómo varía el voltaje efectivo a lo largo de la línea? (Frenzel, 2003) (Blake, 2004) La SWR toma valores entre 1 e infinito. Ejemplo 15.- SWR e Impedancia característica Una línea de transmisión de impedancia desconocida se termina con dos resistencias distintas, y la SWR se mide en cada caso. Con una terminación de 75 , la SWR mide 1,5. Con una terminación de 300 , mide 2,67. Calcule la impedancia característica de la línea. Respuesta Ejemplo 15  Z0 = 112 .
  22. 22. 5.- MÁXIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIA 22www.coimbraweb.com ¿Cuánta potencia se transfiere a la carga? (Blake, 2004) La máxima transferencia de potencia se produce en línea acoplada. TRANSFERENCIA DE POTENCIA Conceptos Las reflexiones causan que la potencia absorbida en la carga sea menor de lo que sería con línea acoplada, debido a que parte de la potencia se refleja hacia el generador. La potencia es proporcional al voltaje al cuadrado, por tanto la fracción de la potencia que se refleja es el coeficiente de reflexión al cuadrado. La cantidad de potencia absorbida por la carga es la diferencia entre la potencia incidente y la potencia reflejada. Coeficiente de reflexión de potencia 2 = 𝑉 𝑟 𝑉𝑖 2 = 𝑃 𝑟 𝑃𝑖  = coeficiente de reflexión. 𝑉 𝑟,𝑉𝑖= voltaje reflejado, incidente, en V. 𝑃 𝑟,𝑃𝑖 = potencia reflejada, incidente, en W. Potencia absorbida 𝑃L = 𝑃𝑖  𝑃 𝑟
  23. 23. Cálculo rápido de la transferencia de potencia 23www.coimbraweb.com TRANSFERENCIA DE POTENCIA Cálculo rápido Para cálculos rápidos en mediciones, se usa una curva que muestra la relación entre el porcentaje de energía reflejada y la SWR. Para SWR = 1, el porcentaje de energía reflejada es 0. Para SWR = 1.5 es de 4 %, esto no es problema, ya que el 96% de la energía va a la carga. Para SWR ≤ 2, el porcentaje es menor que 10 %, lo que significa que el 90% llega a la carga. Para la mayor parte de las aplicaciones esto es aceptable. Para SWR  2, el porcentaje aumenta de manera espectacular, y deben tomarse medidas para reducir la SWR con el fin de prevenir un daño potencial. Algunos sistemas de estado sólido, cortan en forma automática cuando la SWR sube a más de 2. La solución más común para reducir la SWR es añadir una red de acoplamiento para producir un acoplamiento correcto. ¿Cuánta potencia se transfiere a la carga? (Frenzel, 2003) La máxima transferencia de potencia se produce en línea acoplada.
  24. 24. Ejemplos con transferencia de potencia 24www.coimbraweb.com Ejemplo 16.- Potencia reflejada y disipada Un generador envía 50 mW por una línea de 50 . El generador se acopla con la línea, pero no con la carga. Si el coeficiente de reflexión es 0.5, ¿cuánta potencia se refleja y cuánta se disipa en la carga? Respuesta Ejemplo 16 Pr = 12,5 mW. PL = 37,5 mW. Ejemplo 17.- Coeficiente de reflexión Un transmisor entrega 50 W a una línea sin pérdida de 600  que se termina con una antena que tiene una impedancia de 275 , resistiva. Calcule: a) El coeficiente de reflexión. b) La potencia que en realidad llega a la antena (potencia radiada). Respuesta Ejemplo 17 a)  = –0,371. b) PL = 43,1 W. Ejemplo 18.- Potencia reflejada vs. SWR Un transmisor suministra 50 W a una carga a través de una línea con una SWR de 2:1. Determine la potencia absorbida por la carga. Utilice la gráfica de % de potencia reflejada versus SWR. Respuesta Ejemplo 18 PL = 44,4 W. (Frenzel, 2003) (Blake, 2004)¿Cuánta potencia se transfiere a la carga? La máxima transferencia de potencia se produce en línea acoplada.
  25. 25. 6.- ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIA 25www.coimbraweb.com ¿Cómo se puede acoplar la carga a línea? La red de acoplamiento sirve para producir un acoplamiento correcto. ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIAS Red de acoplamiento Las reflexiones causan que la potencia absorbida en la carga sea menor de lo que sería con línea acoplada, debido a que parte de la potencia se refleja hacia el generador. Se obtienen mejores resultados si la carga está acoplada con la impedancia característica; si ese no es el caso, se conecta una red de acoplamiento para corregir el desacoplamiento. El reto consiste en dejar la carga como está y emplear algún truco, matemáticamente bien fundamentado, para que la línea esté acoplada en la cercanía a la carga. DIAGRAMA DE SMITH Si la impedancia característica y de carga tienen valores complejos, se utiliza el diagrama de Smith (Philip Smith, 1939) como ayuda para diseñar el acoplamiento de impedancias. Es un diagrama que permite visualizar impedancias complejas y la forma en la que varían a lo largo de la línea. En la actualidad, es común hacer cálculos de línea con la ayuda de una PC, pero muchos de los programas utilizan el diagrama de Smith para mostrar su resultado. Red de acoplamiento Diagrama de Smith (Frenzel, 2003) (Blake, 2004)
  26. 26. Tipos de red de acoplamiento 26www.coimbraweb.com El balun es un acoplador de línea balanceada a no balanceada. TIPOS DE RED DE ACOPLAMIENTO Descripción Transformador Logra que la impedancia de carga resistiva se parezca a la característica, al seleccionar el número correcto de vueltas de las bobinas. Línea de /4 Logra que la impedancia de carga resistiva se parezca a la característica, al seleccionar el valor correcto de su impedancia característica. Reactancia en serie Logra que la parte reactiva de la impedancia de carga se cancele al sumar una reactancia en serie opuesta (inductiva o capacitiva). Reactancia en paralelo Logra que la parte reactiva de la impedancia de carga se cancele al colocar un stub paralelo reactivo (inductivo o capacitivo) de línea cortocircuitada. Esta solución se aplica en frecuencias superiores a 30 MHz. Z0 ZL = V. Primario V. Secundario 2 Za = Z0 ZL Transformador Línea de /4 Stub reactivo ¿Cómo se puede acoplar la carga a la línea? (Frenzel, 2003) (Blake, 2004)
  27. 27. Ejemplos con redes de acoplamiento 27www.coimbraweb.com El diagrama de Smith ayuda a diseñar el acoplamiento de impedancias complejas. Ejemplo 19.- Acoplamiento con transformador Por lo común, los transformadores de RF son toroidales, con núcleo de ferrita o de hierro pulverizado. Encuentre la relación de transformación correcta de un transformador requerido para acoplar una línea de 50  con una impedancia de carga de 88.38 , resistiva. Respuesta Ejemplo 20 Za = 66,48 . Ejemplo 20.- Acoplamiento con línea de /4 Encuentre la impedancia característica de una línea de /4 requerida para acoplar una línea de 50  con una impedancia de carga de 88.38, resistiva. Respuesta Ejemplo 19 V.Primario/V.Secundario = 0.752. Ejemplo 21.- Acoplamiento con reactancia en serie Utilice un capacitor o inductor en serie para acoplar una línea de 50  con una impedancia de carga de 50 + j75 , a una frecuencia de 100 MHz. Respuesta Ejemplo 21 Una reactancia capacitiva de –j75 , es decir, un capacitor de C = 21.2 pF. ¿Cómo se puede acoplar la carga a la línea? (Frenzel, 2003) (Blake, 2004)
  28. 28. 7.- PÉRDIDAS EN LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 28www.coimbraweb.com ¿Cuáles son los mecanismos de pérdidas? Las pérdidas aumentan con la frecuencia. PÉRDIDAS EN LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Ninguna línea real es completamente sin pérdidas, aunque es válida la aproximación cuando la línea es corta. Mecanismos de pérdidas Resistencia de los conductores La pérdida más obvia en una línea se debe a la resistencia de los conductores. Se le llama pérdida de cobre porque este material es el común para los conductores. La pérdida aumenta con la frecuencia debido al efecto skin, que es la tendencia de la corriente a acumularse en la capa superficial de los conductores, aumentando su resistencia al aumentar la frecuencia. Conductancia del dieléctrico El dieléctrico de una línea no es perfecto y tiene resistividad finita, por lo que parte de la corriente se “fuga” entre los conductores, contribuyendo a la pérdida. Esta conductancia del dieléctrico aumenta con la frecuencia. Los coaxiales con dieléctrico de espuma tienen menor pérdida que los que utilizan polietileno sólido. Efecto Skin Corriente de fuga (Anguera, 2008)
  29. 29. La historia de los Bel 29www.coimbraweb.com ¿Para qué sirve el decibel? La atenuación en la línea se mide en dB. ORIGEN DEL DECIBEL Evento Originado en los Laboratorios Bell, el decibel surgió debido a la necesidad de definir una unidad que diera una idea de la pérdida de potencia (atenuación) obtenida a la salida de una línea telefónica con respecto a la entrada. Los primeros sistemas telefónicos usaban líneas abiertas (alambres de acero paralelos de 0.9 mm de diámetro). Se observó que, cuando se inyectaba una potencia a la entrada, a una frecuencia de 886 Hz, al cabo de 10 millas la potencia se reducía a 1/10 (a un 10%). Esta proporción de 10:1 entre la potencia de entrada y de salida se volvió una unidad de medida: se llamó Bel, en honor al inventor del teléfono Alexander Graham Bell. Pero, debido a que la proporción 10:1 es grande, se la dividió en unidades más pequeñas, es así que nació el decibel (dB). A = atenuación, en dB. P1 = potencia de entrada, en W. P2 = potencia de salida, en W. 𝐴 = 10 log10 𝑃2 𝑃1 Fórmula de la atenuación APLICACIÓN DEL DECIBEL El decibel queda definido como una relación de dos potencias, luego se lo extiende para relacionar voltajes, corrientes o cualquier otro parámetro. El valor de A es negativo si se ha atenuado, y positivo si se ha amplificado. Pérdida de potencia o atenuación
  30. 30. Ejemplos con atenuación de línea 30www.coimbraweb.com Ejemplo 22.- Atenuación de línea Una onda viaja a través de una línea de transmisión y su potencia se reduce a la mitad. Calcule la atenuación de la onda en dB. Respuesta Ejemplo 22 A = –3dB. Ejemplo 23.- Atenuación y amplificación Una razón por la que los ingenieros usan dB para medir cambios de potencia de una señal es que los dB se suman o restan cuando se miden varios puntos. La Figura muestra una señal que viaja desde el punto 1 al 4. Está atenuada al llegar al 2. Entre 2 y 3, se amplifica. De nuevo, entre 3 y 4, se atenúa. Se obtiene los dB resultantes sin más que sumar los dB medidos entre cada par de puntos. Respuesta Ejemplo 23 A1-4 = +1dB. La atenuación de la línea se mide en dB Los dB se pueden sumar y restar. (Forouzan, 2007)
  31. 31. Ejemplos con atenuación de línea 31www.coimbraweb.com (Blake, 2004) Ejemplo 24.- Atenuación de línea Las pérdidas de las líneas regularmente están dadas en dB por 100 metros. Una línea de transmisión acoplada tiene una pérdida de 1.5 dB/100 m. Si se suministran 10 W a la entrada de la línea, ¿cuántos W llegan a la carga situada a 27 m?. Respuesta Ejemplo 24 PL = 9.1 W. Ejemplo 25.- Atenuación de línea Se requiere que una fuente de RF entregue 100 W a una antena a través de un cable coaxial de 45 m con una pérdida de 4 dB/100 m. ¿Cuál debe ser la potencia de salida de la fuente, suponiendo que la línea está acoplada? Respuesta Ejemplo 25 PG = 151 W. La atenuación de la línea se mide en dB El dB es una relación de potencias.
  32. 32. Atenuación vs. Frecuencia en líneas 32www.coimbraweb.com ¿Cómo varía la atenuación en función de la frecuencia? (Stallings, 2004) Los pares trenzados y coaxiales no se usan en frecuencias de microondas. ATENUACIÓN VS. FRECUENCIA En líneas de transmisión Al elegir una línea, debe ponerse atención a las pérdidas. Recuerde, por ejemplo, que una pérdida de 3 dB en una línea entre un transmisor y su antena significa que sólo la mitad de la potencia del transmisor llega a la antena. El resto de la potencia circula como calor en la línea. A modo de comparación, se muestran la atenuación de algunos tipos de líneas en función de la frecuencia de operación del sistema. Atenuación vs. Frecuencia en líneas
  33. 33. 33www.coimbraweb.com Bibliografía Anguera, J. & Perez, A. (2008). Teoría de Antenas. Barcelona: La Salle OnLine APC, Asociación para el progreso de las comunicaciones (2007). Redes Inalámbricas en los Países en Desarrollo. Mountain View, CA. USA: Limehouse Book Sprint Team. Blake, Roy (2004). Sistemas electrónicos de comunicaciones . México: Thomson. Forouzan, B. A. (2007). Transmisión de datos y redes de comunicaciones. Madrid: McGraw-Hill. Frenzel (2003). Sistemas Electrónicos de Comunicaciones. Madrid: Alfaomega. Kraus, J., & Fleisch, D. (2000). Electromagnetismo con Aplicaciones. México: McGraw-Hill. Miranda, J. M. & otros (2002). Ingeniería de Microondas. Madrid: Prentice Hall. Stallings, W. (2004). Comunicaciones y Redes de Computadores. Madrid: Pearson - Prentice Hall. FIN Edison Coimbra G. ANTENAS Y PROPAGACIÓN DE ONDAS Tema 2 de: Bibliografía ¿Cuáles son las referencias bibliográficas?
  1. ¿Le ha llamado la atención una diapositiva en particular?

    Recortar diapositivas es una manera útil de recopilar información importante para consultarla más tarde.

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