Lab 3 Microondas (Autoguardado)

7/29/2019 Lab 3 Microondas (Autoguardado)

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SANAGUSTIN

FACULTAD DE PRODUCCIN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRNICA

Laboratorio de Microondas y Fibra ptica

ADAPTACIN DE IMPEDANCIAS

MEDIANTE STUBSLABORATORIO 3


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Arequipa, Diciembre de 2012ADAPTACIN DE IMPEDANCIAS MEDIANTE STUBS

1. Objetivo

El principal objetivo de este laboratorio es brindar un concepto de acople de impedanciasmediante Stubs, adems de afianzar los conocimientos del software Ansoft Designer paradiseo de circuitos en microondas.

2. Acoplamiento de Impedancias

En los sistemas de Microondas es importante evitar cualquier reflexin, especialmente enaquellos lugares donde la seal de microondas se encuentra a la salida de elementos activostales como Amplificadores y Osciladores; especialmente los Amplificadores pueden serdaados porque las reflexiones pueden cambiar el punto de polarizacin del circuito.

Existen muchas maneras de acoplar impedancias pero en este laboratorio trataremos las 4variantes posibles en los stubs simples.

Un stub en general consiste en una pequea lnea de transmisin montada cerca de la cargaque se desea acoplar la cual esta generalmente a 90 grados de la linea de transmisin quese desea acoplar a la carga, esta puede ser terminada ya sea en un circuito abierto o en un

cortocircuito (mediante un capacitor). Dependiendo de la longitud del stub y de la distanciahacia la carga se logra crear una impedancia que acopla la carga.

Para el laboratorio se ha escogido una lnea de transmisin microstrip. El substrato usadotiene las siguientes propiedades:

Grosor del substrato: 0.8mmPermitividad Relativa: 2.52@1MHz 2.54@10GHzDielectric Loss tangent: 0.0008@1MHz

0.0022@10GHzGrosor del Metal: 35um Cu (en ambos lados)

El laboratorio consiste en acoplar una lnea de 50 una carga de 73+20i para obtener la

mnima reflexin posible mediante el uso de diferentes Stubs.


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3. Informe Previo

3.1 Calcular el ancho de la lnea de transmisin microstrip para 50 ademsde calcular la constante dielctrica efectiva, la atenuacin debido a las

perdidas por el dielctrico y a las perdidas por el conductor.

?=eE 2.2=rE

?=c GHzf 45.2=

?=d 0022.0tan =

?=w mmd 8.0=

( ) ( )

++

+

rr

r

EB

E

EBB

Z 61.039.01ln

1

112ln1

( )

+

+++=

rr

rr

EB

E

EEZA

61.039.01ln

1

1

2

1

60

0

rEZ

B

=

02

377

++

+=

rEA

11.023.0

2.3

2.1

2

12.2

60

50

2.2502

377

=

B

++=

2.2

11.023.0

2.3

2.1

2

2.3

60

50A

4832.1502

377

=

B

159.1=A 985.7=B

( ) ( )

+

+rE

BZ 61.0

39.01ln)2.2(2

2.11)985.7(2ln1985.7

08.3=d

W( )mmw 8.008.3 =

mmw 464.2=

wd

EEE rre

+

+=

121

1

2

1

2

1

464.28.0121

1

2

2.1

2

2.3

+

=e

E

87.1=eE

===0090 K


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c

fK

=

20

( ) 18

9

0 31.51103

1045.22 =

= mK

( )m022.0

31.5187.1

18090 =

=

( ) ( ) ( )

( )12.287.12

0022.0187.12.235.52

=d

mNp

d 067.0=

wZ

Rsc

=

0

9108.5 =cv

fw = 2

( 91045.22 = w

6

0 1024.1=

=

Z

wRs

0

( ) ( )7

69

108.52

1024.11045.22

=

sR

0128.0=sR

( )464.250

0128.0

=c

34 101004.1 = c

10.0=c

3.2 Calcule las longitudes de todos los stubs, use la carta de Smith parasolucionar el problema, compare las dos soluciones, la ms optima encuanto al ancho de banda y Return Loss para cada stub


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4. Solucin por Ansoft Designer

4.1 Desacople en ImpedanciasCrea un nuevo proyecto en ADS, seleccione la pestaa de Project e Insert CircuitDesign, elija una lnea de transmisin Microstrip (Despus se modificara sus valores).

Fig. 1 Choose Layout Technology

Fig.2 Nuevo Project

En la ventana de Administrador de Proyectos, seleccione el icono Data dentro de la pestaaCircuit, de doble clic al sustrato se abrir la ventana Substrate Definition.Edite estas propiedades del substrato y del metal, dadas en la primera parte del laboratorio.


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Fig3. Administrador de proyectos

Fig. 4 Substrate definition

En la ventana de la edicin ubique 2 puertos de interfaz esta parte esta disponibles en elmen Draw o en la barra de herramientas; a continuacin de doble clic en el Puerto yconvirtalo en un Microwave Port adems edite las impedancias a 50 y 73 +20j,conecte ambos puertos y analice el circuito del mismo modo del laboratorio 1. Cree 2reportes uno del Return Loss y el otro con los parmetros S, en especial el S22 y el S11.


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Fig.5 Port Definition

Fig. 6 Simple temination


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Fig. 7 Create Report

Fig. 8 Return loss

Para terminar cree un reporte este ya no ser Rectangular Plot sino ser uno deSmith Chart para esto modifique el atributo del Display Type en la ventanaCreate Report que aparece para crear un reporte , en este grafico muestre los valores de S11y el S21, donde deben estar ubicados dichos valores para un acople perfecto.


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FIg. 9 Repot Rectangular

Fig.10 Smith Chart


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Que ocurre en el sistema, esta acoplado?

El sistema se presenta estable pero presenta un problema al no tener laseal a niveles ptimos para nuestro acople, es decir el valor de que lagrafica muestra es menor al optimo deseado en este tipo de anlisis.

Describa los parmetros dibujados.

El dibujo XY Plot nos muestra dos comportamientos en referencia a lospuntos de salida y entrada de nuestro sistema completo. Podemos ver comolos valores de S11 presentan perdidas de unos 12dB, es decir; se encuentraa -12dBs con referencia al valor de S21 que se mantiene en un valorcercano a los 0 dBs. Esto en conjunto indica que la intensidad de seal quellega a la salida del sistema no es la mnima adecuada para la mejortransferencia de potencia deseada en este diseo.


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4.2. Transformador de /4

Ubique un transformador de /4 en medio de las cargas, solo considere la impedancia real.Analice y cree reportes similares al punto anterior.

0ZZZ in =

= 73inZ (slo parte real) y = 50inZ = 42.60Z

Fig.11 Microship single

Fig. 12 Report /4


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Que ocurre en el sistema, esta acoplado? Es posible de alguna maneraacoplar las impedancias con dicho transformador. Sustente su respuesta.

Con lo que se puede observar en nuestra grafica decimos primero que partiendo de unafrecuencia de 1 Ghz comenzamos a ver un incremento de la atenuacin, la cual inicialmenteesta en -12dB y luego tiene a disminuir llegando a unos -22dB a una frecuencia de 3Ghz. Elsistema por lo tanto no presento grandes mejoras de acoplamiento aunque comenzara a

presentar atenuacin para las frecuencias no deseadas no consigue el nivel mnimo optimopara la frecuencia a la que se desea trabajar.

Fig. 13 acople impedancias transformador

Fig.14 Acople Smith Chart


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4.3 Stubs Paralelos de Circuito Abierto y de Corto Circuito

Comenzaremos construyendo un stub paralelo de circuito abierto ya que este es el mas fcilde implementarlo, necesitaremos aadir en la ventana de edicin las siguientes lneas detransmisin; las cuales se encuentra en la segunda pestaa de componentes y en la carpetade Microstrip las lneas que se agregaran es una lnea de transmisin normal

(MSTRLE) para la distancia hacia la carga , una lnea de circuito abierto (MSOSTE) ubicada enla carpeta Open Ended Line para la longitud de lnea de transmisin y un (MSTEEC)ubicada en la carpeta General Components.

Coloque todos los componentes como se muestra en la figura 15. No olvidar de colocar lasdimensiones fsicas de los stubs calculados en su solucin del informe previo. Analizar elcircuito y crear el mismo reporte de los anteriores puntos.

Fig.15 Stubs circuit


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PARALELO CIRCUITO ABIERTO:

1 d1:

1=152.64

d1=68.472

IZ=0Ohm

PNUM=1

RZ=50Ohm

IZ=20Ohm

PNUM=2

RZ=73Ohm

E=152.64deg

F=2.45GHz

W=2.20054mm

E=68.472deg

F=2.45GHz

W=2.2005mm

12

3

W1=2.20054mm

W2=2.20054mm

W3=2.20054mm

Fig.16 Stubs circuit abierto

Fig.17 Report Stubs circuit abierto


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Fig.18 Stubs paralelo circuit abierto

Fig.19 Smith Chart circuit abierto


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2 d 2

2=27.36d2=143.316

IZ=0Ohm

PNUM=1

RZ=50Ohm Port1

IZ=20Ohm

PNUM=2

RZ=73Ohm Port2

E=143.316deg

F=2.45GHz

W=2.20054mm

12

3

W1=2.20054mm

W2=2.20054mm

W3=2.20054mm

E=27.36deg

F=2.45GHz

W=2.20054mm

Fig.20 Stubs paralelo circuit abierto

Fig.21 Report Stubs paalelo circuit abierto


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Fig.22 Report Stubs paralelo circuit abierto

Fig. 23 Smith chart Report Stubs


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PARALELO CORTO CIRCUITO

1 d1:

1=62.64d1=68.472

IZ=0Ohm

PNUM=1

RZ=50Ohm Port1

IZ=20Ohm

PNUM=2

RZ=73Ohm Port2

E=68.472deg

F=2.45GHz

W=2.20054mm

12

3

W1=2.20054mm

W2=2.20054mm

W3=2.20054mm

E=62.64deg

F=2.45GHz

W=2.20054mm

W=2.20054mm

Fig. 24 Stubs paralelo corto circuit

Fig. 25


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Fig. 26

Fig. 27


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2 d 2

2= 117.36d2=143.316

IZ=0Ohm

PNUM=1

RZ=50Ohm Port1

IZ=20Ohm

PNUM=2

RZ=73Ohm Port2

E=143.316degF=2.45GHz

W=2.20054mm

123

W1=2.20054mmW2=2.20054mm

W3=2.20054mm

E=117.36deg

F=2.45GHz

W=2.20054mm

Fig. 28

Fig. 29


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Fig. 30

Fig. 31


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Que ocurre con el sistema, esta acoplado?

Vemos que ay una gran cada solo para el punto de los 1.9GHz que llega hasta unos -36dB, yen el mismo un punto mximo en la seal tomada de S11. Esto no nos muestra un totalacople de impedancias debido a que las seales pasan por el punto de -3dB en dos

frecuencias distintas y estas no coinciden con la frecuencia de trabajo que tenemos nosotros.Por lo tanto decimos que no se acoplo correctamente el sistema, aunque presente unagrafica cercana a la deseada.

Es posible de alguna manera mejorar el acople de impedancias?Sustente su respuesta.

Pues podemos conseguir el mejor acople de impedancias cambiando los valores de nuestrosstubs, es decir su distancia d con respecto a la carga y su longitud. Esto debido a que estosparmetros son muy sensibles a pequeas variaciones, y al realizar mnimos cambios

podremos obtener una mejora o viceversa en las graficas analizadas. El motivo que no seconsiga en primera instancia el acoplo es que al llegar al anlisis de simulacin se presentasmenores errores de calculo y el simulador puede considerar parmetros que en los clculostericos normalmente no se realizan.

Los clculos iniciales son normalmente referenciales y trabajan en funcin a pocas variables,en este caso distancia d. longitud l. ancho w, los cuales se consiguen tericamente con lautilizacin de una carta de smith que si bien es bastante grafica no es precisa en los datosque se puedan obtener de este ya que dependen del manejo que el diseador tenga de estemetodo.

4.4. Stubs Series de Circuito Abierto y de Corto CircuitoAhora en el caso de un stub en Serie se debe de ubicar los siguientes componentes 2(MSBEND) para conectar las lneas de transmisin con los stubs ubicados en la carpetabends, par los stubs se necesita una lnea (MSCPL) ubicada en la carpeta CoupledLines. Modifique los valores con las soluciones del informe previo y analice el circuitocreando los reportes iguales a los de los puntos anteriores.

El circuito armado debera de quedar como el de la Figura 2, para un stub en serie de cortocircuito basta con cortocircuitar las terminaciones del stub de circuito abierto con una lneade transmisin normal (MSTRLE)


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SERIE CIRCUITO ABIERTO

1 d1:

1=117..36d1=53.244

Fig. 32

Fig. 33


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Fig. 34

Fig. 35


25/39

2 d2

2=62.64d2=158.4

Fig. 36

Fig. 37


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Fig. 38

Fig. 39


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Serie Corto Circuito

1 d1:

1= 27.36

d1=53.244

Fig. 40

Fig. 41


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Fig. 42

Fig. 43


29/39

2 d2

2=152.64d2=158.4

Fig. 44

Fig. 45


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Fig. 46

Fig. 47


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Que ocurre en el sistema, esta acoplado?

La grafica nos muestra que no existe atenuacin en la seal S21 solo unapequea ondulacin, la cual se repite y acenta en la seal S11 la quetambin tiene una mayor cada en el punto de 2.51GHz, pero el puntoprincipal que vemos es que en ningn momento llega a pasar por los -3dBnecesarios para calificar un buen acople.

Si el sistema no esta acoplado a que se debe?

Primeramente podemos ver que el stub colocado tiene ms parmetros queel simple stub short-circuit en paralelo. Se aumenta el ancho y la longituddel stub lo que incrementa los parmetros y por lo tanto hay mayoresvariaciones de las seales al pasar pos este mismo.

En el circuito descrito anteriormente es un stub en serie? Sustentesu respuesta.

Este es un stub en serie, debido a que estos pueden ser conectados a lalnea de transmisin ya sea en serie o en paralelo ac podemos ver que elstub utilizado en esta ocasin esta en serie con la lnea de alimentacin, esdecir de la lnea al stub y del stub a la carga.

En que lneas de transmisin se usan los stubs en serie?

Para lneas como coaxiales, o guas de onda se prefieren los stubs en corto-circuito, debido a que el rea de seccin de un circuito abierto puede tenerel tamao necesario como para radiar, en cuyo caso el stub ya no es maspuramente reactivo.

Para medios de transmisin como microstrip o striplines, son utilizados loscircuitos-abiertos debido a su fcil fabricacin debido a que el agujero en elsubstrato como hacia tierra ya no se necesita.


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5. Optimizacin

En la versin con todas las licencias del Ansoft Designer existe una herramienta llamadaTuning o sintonizador la cual no esta presente lamentablemente en la versin estudiantilque poseemos, entonces nosotros deberemos de optimizar nuestros diseos manualmente.Para esto nosotros deberemos de modificar las magnitudes fsicas de las lneas de

transmisin poniendo en su lugar variables, las cuales podrn tomar diferentes valores.

Paso 1

Guardar el proyecto con otro nombre, por precaucin de ocurrir alguna falla o malamodificacin:

Hora abrir el men Circuit, ahora en Design Properties y dentro de LocalVariables, aada Add, 2 nuevas longitudes L1, L2, los valores de laslongitudes de las lneas tanto del stub como la distancia hacia la carga.

Trabajando con milmetros entonces tenemos a P y W, donde a P le cambie tanto el dela carga como el stub, con l1 d1, donde P vendra a ser la longitud de onda y comohallamos los valores en funcin de lambda antes de multiplicarlos por 360obtenindose:


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Y Paralelo Corto Circuito:D1=0.19021=0.174 D2=0.3981 2=0.326

YParalelo Circuito Abierto:D1=0.19021=0.424 D2=0.3981 2=0.076

Z Serie Corto Circuito

D1=0.14791=0.076 D2=0.44

2=0.424

Z Serie Circuito AbiertoD1=0.14791=0.326 D2=0.44 2=0.174

De aqu es donde obtengo el valor de que es P ahora lo multiplico por cada uno de los valores anteriores:

P= 84.32961 =0.424*84.3296=35.76

D1=0.1902*84.3296=16

Fig. 48


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Paso 2

En el diagrama del circuito cada longitud de la lnea que deseamos cambiar para poder vercomo afecta a la respuesta del circuito modifiqumosla por las variables creadas

P= 84.3296

1= 0.424*84.3296=35.76D1=0.1902*84.3296=16

Luego reemplazando en el circuito con otras lneas que contengan solo P y W, en p reemplazolos valores de L1 (arriba) y D1 (abajo) con los valores hallados como en la figura, esos ya estnen milmetros.

Fig. 49

Ahora aado los valores de L1 y D1:

Fig. 50


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Cambiando lo que haba en los circuitos por las variables D1 y L1

Fig. 51

Dndoles los mismos valores 1 y D1, debiendo salir la misma grafica como dice el paso 2:

Fig. 52


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Paso 3Si ahora presionamos el botn de analizar Analyze deberamos de obtener el mismovalor que se obtuvo anteriormente.

Ahora modificamos valores: en Designer Properties (Local Variables)

Fig. 53

Luego Analyze en Circuit y se obtiene :

Fig. 54

Como se ve el grafico esta a punto de coincidir por lo que tomamos otro valor de -3 db con 2.2asi tomamos otro valor:

Luego Analyze


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Fig. 55

En este grafico se observa como es que se acerca a -3dB, por lo que para los dems circuitos enparalelo seria igual, pero para los de serie seria el mismo con su circuito correspondiente.

Paso 4

Ahora nosotros podemos modificar el valor d las variable L1 / L2 para obtener diferentesvalores de las curvas de salida modificadas. Para poder observar ls variaciones de las curvashechas para diferentes valores de simulacin, ahora podemos modificar diferentes curvas

hechas para diferentes valores de simulacin, ahora podemos modificar nuestros valores yver la variacin con respecto a la anterior grafica.Siguiendo estos pasos, modifique de la mejor manera posible el resultado de los stubs tantoen ancho de banda como en su magnitud del coeficiente de reflexin.

Consideramos para ello el grafico de S21 en el que coincide -3dB con 2.45GHz:


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Fig. 56Obtenindose lo siguiente al realizar el grafico con Carta Smith:

Fig. 57


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6. Informe Final

De los valores ptimos para los stubs encontrados despus de optimizar elcircuito, que diferencias hay con los valores manuales, a que se debenestas diferencias.

Explique como es que se produce el acople de impedancias en los stubs, esdecir como afectan tanto la longitud de la lnea hacia la carga como lalongitud del stub.

Esta dependencia directa con respecto de la distancia con la carga y la longitud delstub esta relacionada a la impedancia que tiene con la carga viendo por la lneadesde el punto del stub. De la forma Zo+jX por lo que la reactancia del stub se eligeen la variable compleja -jX.

De algunas conclusiones de los diferentes diseos de Stubs realizados en eldiferente laboratorio, cual es mejor a su criterio, de un concepto claro desus diferentes pros y contras de cada diseo.

Podemos comprender que conseguimos buenos resultados con diseos mas simples, debidoa que las seales comienzan a tener mayores variaciones entre mas complejo es el diseoutilizado. As como se vio que con un stub en paralelo el grafico dibujado era mas estable yexacto que los conseguidos con el stub en serie que provoco ondulaciones en la grafica.

Podemos darnos cuenta que la aplicacin de stubs en paralelo o en serie estn sujetos a laaplicacin en la que se desea utilizar dado que tienen respuestas diferentes as comodiferentes pueden ser los resultados que se desea obtener.

CONCLUSIONES:

Observamos que en un problema existen por lo menos dos soluciones pero una deellas es ms eficiente que la otra y es fcil determinar cual de ellas es la msadecuada para la implementacin.

Observamos que a mayor frecuencia los valore de W y P se hacen mas delgados queal trabajar con frecuentas bajas.

Al imprimir ya para pasarlo a la placa tuvimos que colocar solo TRACE, para que solose imprima las pistas, adems al trazo tuvimos que darle un color solid usando lainstruccin SOLID FILLED, quedando como se mostr anteriormente, el cual nos diocomo seria el acabado final de la placa.

Para la simulacin usamos el sustrato FR4 pero modificamos el H a 1.66 mm y un Era 4.8, ya que en la practica anterior vimos que el material que utilizamos era un FR4y observamos que al simularlo obtuvimos una buena respuesta, es decir que estesustrato es el adecuado para trabajar a esta frecuencia.

Demostramos que para acoplar impedancias con partes complejas, es decir puedeser inductiva o capacitaba, la manera correcta de acoplar las antenas a una lnea detransmisin es usando STUBS, dando como resultado un adecuado macheo.

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