Primera parte, Tema IV - arantxa.ii.uam.esarantxa.ii.uam.es/~acaf/Documentacion/Tema_IV_Dispositivos_guia... · I. PROCESADO DE SEÑAL EN RF. II. TEORÍA CIRCUITAL DE LOS DISPOSITIVOS

Profesores: Jorge A. Ruiz Cruz ([email protected])

José L. Masa Campos ([email protected])

Master en Ingeniería Informática y de Telecomunicación

Escuela Politécnica SuperiorUniversidad Autónoma de Madrid

Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia (ACAF)

Primera parte, Tema IVPrimera parte, Tema IV

Colaboradores de este tema: José R. Montejo (*) y Jesús M. Rebollar (*)

(*) Dpto. de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos Universidad Politécnica de Madrid

IV. Dispositivos en guía de onda 2ver. 0

J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.

ACAF (2007-08)

Primera parte de ACAF:Primera parte de ACAF:Circuitos de Alta Frecuencia.Circuitos de Alta Frecuencia.

Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia, www.eps.uam.es/~acafMaster en Ingeniería Informática y de Telecomunicación

Escuela Politécnica Superior, Universidad Autónoma de MadridJorge A. Ruiz Cruz ([email protected], www.eps.uam.es/~jruiz)

I. PROCESADO DE SEÑAL EN RF.

II. TEORÍA CIRCUITAL DE LOS DISPOSITIVOS DE RF.

III. DISEÑO DE CIRCUITOS PASIVOS DE RF.

IV. DISPOSITIVOS EN GUIV. DISPOSITIVOS EN GUÍÍA DE ONDA.A DE ONDA.

Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia. Parte I 3ver. 0


ACAF (2007-08)

IV. Dispositivos en guIV. Dispositivos en guíía de ondaa de onda

1. Clasificaci1. Clasificacióón de los medios de transmisin de los medios de transmisióón.n.

2. Propagaci2. Propagacióón en una gun en una guíía de onda.a de onda.

3. Gu3. Guíías de onda canas de onda canóónicas.nicas.

4. Transformadores y acopladores en gu4. Transformadores y acopladores en guíía de ondaa de onda

5. Filtros y Multiplexores en gu5. Filtros y Multiplexores en guíía de ondaa de onda

6. 6. OrtomodosOrtomodos y polarizadoresy polarizadores

ApAp I: GuI: Guíías de onda con pas de onda con péérdidasrdidas

ApAp II: Tensiones y corrientes equivalentesII: Tensiones y corrientes equivalentes



ACAF (2007-08)

1V1 VTX≡

FrequencyBand 2: RXBand 1: TX

1H1 HTX≡

2V2 VRX≡

2H2 HRX≡

TE10: V2

TE01: H1

TE10: V1

TE01: H2

TEs11: V1+V2

TEc11: H1+H2

MotivaciMotivacióónn

Diplexer

OMTV2

H1V1

V2

H2

H1

V1

V2

H1

H2

H2

V1

Diplexer

To antenna: V1,H1 (TX)

TX:

RX:

TX:

RX:From antenna:

V2,H2 (RX)

Sistema alimentador

de antena en guía de onda



ACAF (2007-08)

Muy BajaFrecuencia

Muy altaFrecuenciaUltra altaFrecuencia

1. Clasificaci1. Clasificacióón de los medios de transmisin de los medios de transmisióónn

Frecuencias

1 KHz

10 KHz

100 KHz

1 MHz

10 MHz100 MHz

1 GHz

10 GHz

100 GHz

100 THz

1 PHz

λ Denominac.

Audio

BajaFrecuenciaFrecuencias

MediasAlta

Frecuencia

Microondas

Milimétricas

100 Km

10 Km

1 Km

100 m

10 m

1 m

10 cm

1 cm

1 mm

Infrarrojos

Visible

Ultravioleta

Medio de Transmisión

LíneaBifilar

CableCoaxial

Guíasde

onda

FibraÓptica

CircuitosImpresosP.C.B.

Línea μstrip

Línea strip

Líneascoplanares

guíasdieléctricas

planas

Distancia Circuitería

1 μm

Tipo OndaGuiada



ACAF (2007-08)

CerradosCerrados

AbiertosAbiertos

DieléctricoHomogéneo


Multi-dieléctricos

Multi-dieléctricos



Multi-dieléctricos

Multi-dieléctricos

Guíarectangular

Guíacircular

Guíacoaxial

Guía imagen Línea microstrip Fin-line

Línea bifilarLínea trifásica

Línea microstrip Línea coplanar

Guía acanalada Fibra salto de índice

1. Clasificaci1. Clasificacióón de los medios de transmisin de los medios de transmisióón (II)n (II)



ACAF (2007-08)

11 εμ ,

Cσ

z

∞=σ

∞=σ

22 εμ ,

CD

( )( )( ) ( )( ) ( )ωωεω

ωωμωωω

,,

,,

,

,

rEjrH

rHjrE

rB

rD

iii

iii

i

i

=×∇−=×∇

=⋅∇=⋅∇

0

0

Ni ,1=∀

Siendo N el número de regiones con dieléctrico distinto

Medio multidieléctrico (=dieléctrico no homogéneo) y multiconductor cerrado por condiciones de conductor perfecto

1. Clasificaci1. Clasificacióón: medios de transmisin: medios de transmisióón cerrados n cerrados nono homoghomogééneosneos

Ecuaciones de Maxwell para cada una de las regiones dieléctricas (i) que componen el medio de transmisión:



ACAF (2007-08)

1. Clasificaci1. Clasificacióón: medios de transmisin: medios de transmisióón cerrados n cerrados nono homoghomogééneosneos

- La forma general de la onda guiada es un modo híbrido

zit2ci

zit2ci

iti HEz

jH ∇+∇×=

γγ

γωε

zit2ci

izit2

citi Hz

jEE ∇×−∇=

γωμ

γγPara cada región i del medio de

transmisión, se puede demostrar que los campos transversales se pueden obtener a partir de los longitudinales en dicha región.

- Estos son los únicos campos linealmente independientes.

- La constante de propagación y las amplitudes de estos campos se obtienen imponiendo las condiciones de contorno en el interfaz entre regiones

(solución de campo EM que puede existir en la estructura)



ACAF (2007-08)

1. Clasificaci1. Clasificacióón: medios de transmisin: medios de transmisióón cerrados n cerrados homoghomogééneosneos

∞=σ

εμ,n τ

z

Cσ

∞=σ - En esta geometría no hay cambios de dieléctrico y por tanto las condiciones de contorno se reducen a las condiciones sobre los contornos de conductor perfecto Cσ

- Además de los TEM, ahora pueden encontrarse soluciones por separado al problema conjunto de la forma TE ó TM, casos particulares de los modos híbridos

Medio de transmisión cerrado por conductor perfecto, relleno por un único dieléctrico homogéneo (puede que con pérdidas)



ACAF (2007-08)

1. Clasificaci1. Clasificacióón: medios de transmisin: medios de transmisióón cerrados n cerrados homoghomogééneosneos

Guíarectangular Guía

circular

Guíacoaxial

- Tantos modos TEM distintos como número de conductores menos uno- Infinitos modos TE- Infinitos modos TM

Guía bifilar

general

- Ejemplo 1: en el coaxial de la figura, a parte de infinitos TE y TM habrá un TEM- Ejemplo 2: en la guía rectangular y circular hay infinitos TE y TM pero no hay TEM- Ejemplo 3: en la guía bifilar general hay infinitos TE y TM y dos TEM distintos

(solución de campo EM que puede existir en la estructura)



ACAF (2007-08)

TEM TM TE

tE

tH

γConstante depropagación

Impedancia de onda

0

00 z

t e γφ −∇

εμωγ 20 −=

εμη ==TEMZ

2c

20

2 γγγ −= 2c

20

2 γγγ −=

γωμj

Z TE =ωεγ

jZ TM =

t1 Ez×ˆη t

TM

EzZ

1×ˆ

zHZ tTE ˆ×

zt2c

H∇γγ

zt2c

E∇γγ

0

0 ( ) 2 ( ) 0h ht cF FγΔ − =

( )h zzH F e γ−=

( )e zzE F e γ−=( ) 2 ( ) 0e e

t cF FγΔ − =

1. Clasificaci1. Clasificacióón: resumen modos medios de transmisin: resumen modos medios de transmisióón cerrados n cerrados homoghomogééneosneos

Modo:

zE

zH

Z

0,i

t iCcteφ φΔ = =



ACAF (2007-08)

2. Propagación en una guía de onda

2 2c ck realγ= − ⇒ 2 2 0c ck γ= − >- Se puede demostrar que:

- Constante de propagación del modo:

- Constante de separación:

2c

20

2 γγγ −=

- Constante de propagación de una onda plana en el medio dieléctrico de la guía: 0γ

cγDependiendo del libro a veces se utiliza la notación:

- Número de onda de corte: ck

2 2c ck γ≡ −

- Se estudiarán los diagramas de dispersión: constante de propagación, frecuencia de corte, impedancia del modo, ancho de banda monomodo.

A partir de ahora se estudiarán más en detalle la propagación por medios de transmisión cerrados por conductor perfecto y con dieléctrico homogéneo:

- Impedancia de onda del modo: Z

εμωγ 220 −=

2 2c ck γ≡ −

2 20 0k γ≡ −

γ



ACAF (2007-08)

2c

20

2 γγγ −=εμωγ 22

0 −=

εμωγ 2c

2c −=

εμγ

ω2c

c

−=

εμπγ

2f

2c

c

−=

βαγ j+=

αγ =⇒< cffsi

βγ jffsi c =⇒> ( ) 122c

2

22c

2

=−

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ − γ

β

μεγ

ω

( ) 122c

2

22c

2

=−

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ − γ

α

μεγ

ω

frecuenciade corte

reales,Si εμ

0ffsi c =γ⇒=

2. Diagrama de dispersi2. Diagrama de dispersióónn

2 2c ck γ= −(En muchos textos

se utiliza la notación:



ACAF (2007-08)

frec

uenc

ia

)m/1(),m/nep( βα

fc

β

α

( ) 122c

2

22c

2

=−

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ − γ

β

μεγ

ω

( ) 122c

2

22c

2

=−

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ − γ

α

μεγ

ω

hipérbola

elipse

TEM

μεωβ =

)perdidassin(realesy εμ

2. Diagrama de dispersi2. Diagrama de dispersióón: diagrama de n: diagrama de BrillouinBrillouin



ACAF (2007-08)

)m/1(),m/nep( βα

)perdidas(sinrealesyεμ

modo TE1α

2α 3α 4α 5α6α

1β

2β

3β4β

5β

6β

fc1

fc2

fc3fc4fc5

fc6

frec

uenc

ia

2. Diagrama de dispersi2. Diagrama de dispersióón para distintos modos TE y TMn para distintos modos TE y TM

Distintos modos

(de los modos TE y TM, el de más bajofc es siempre un TE)



ACAF (2007-08)

)m/1(),m/nep( βα

TEM

1α2α 3α 4α 5α

6α

1β

2β

3β4β

5β

6β

fc1

fc2

fc3fc4fc5

fc6

frec

uenc

ia

modo TE


2. Diagrama de dispersi2. Diagrama de dispersióón para distintos modos TE, TM y TEMn para distintos modos TE, TM y TEM



ACAF (2007-08)

TEZ

fc Frecuencia

εμη =

Re(ZTE)

Im(ZTE)

2

2c

TE

ff

1

jZ

−

±==η

γωμ


2. Impedancia de modo TE2. Impedancia de modo TE



ACAF (2007-08)

TMZ

Frecuenciafc

2

2c

TM f

f1

jZ −±== η

ωεγ

εμη =


Re(ZTM)

Im(ZTM)

2. Impedancia de modo TM2. Impedancia de modo TM



ACAF (2007-08)

Frecuencia

v f, v

g

fc 2 fc 3 fc

c

2

2c

g f

f1cv −=

∂∂

=βω

2

2c

f

f

f1

cv

−

==βω

2gf cvv =

2. Velocidades de fase y de grupo2. Velocidades de fase y de grupo



ACAF (2007-08)

3. Gu3. Guíías de onda canas de onda canóónicasnicas

Para tener caracterizados los modos de una guía, basta con encontrar la función Φ,F(h),F(e) definidas anteriormente y aplicar las expresiones vistas.

Esas funciones sólo tiene solución analítica en casos muy determinados, siendo los más comunes los que se exponen a continuación.

Guías canónicas

(ejes x,y con origen en el centro

de la guía)



ACAF (2007-08)

3. Gu3. Guíía de onda rectangulara de onda rectangular

Modos TE (H) y TM (E) de la guía rectangular:

TE10 TE20 TE01

TE11 TM11 TM21

variación según a y según b, respec.

(los modos TE también se denominan Hy los TM también se denominan E



ACAF (2007-08)

10TEcf

f0 1

TE10

Modofundamental

TE20

2

TE01

PrimerModo

superior

Ancho de bandamonomodo

a

b a< 2ba

cf

TEc 210=

b

cf

TEc 201=

TE21

TM21

TE11

TM11

Modossuperiores

3. Gu3. Guíía de onda rectangulara de onda rectangular



ACAF (2007-08)

Modos TE (H) y TM (E) de la guía circular:

Raíces de las funciones de Bessel

y sus derivadas

p: variación angular, r: variación radial

3. Gu3. Guíía de onda circulara de onda circular



ACAF (2007-08)

0 1

TE11 TM01 TE21

1.659

TM11

TE01

1.306 2.08

a

cf

TEc π2

841.111=

pm

pe

pm

pm

pm

pe

pe

pe

pe

pe

pm

pm

%1,26B =Δ

- Los modos TE11, TE21 y TM11 pintados en las figuras son los TEc11, TEc21

y TEs11, los cuales tienen los modos degenerados TEs11, TEs21 y TEc11

- Los modos TM0r, TE0r son los únicos sin modos degenerados.

11TEcf

f

3. Gu3. Guíía de onda circulara de onda circular



ACAF (2007-08)

Modos TEM (O), TE (H) y TM (E) de la guía coaxial circular:

TEM

p: variación angular, r: variación radial

TE11 (TEc11/TEs11)(1er modo de orden superior, degenerado)

3. Gu3. Guíía de onda coaxial circulara de onda coaxial circular



ACAF (2007-08)

Modos TE (H) y TM (E) de la guía elíptica:

Funciones de Mathieu radiales y angulares

Elipse de ejes 2a,2b:

3. Gu3. Guíía de onda ela de onda elíípticaptica



ACAF (2007-08)

(Modo fundamental)

3. Gu3. Guíía de onda ela de onda elíípticaptica



ACAF (2007-08)

3. Gu3. Guíía de onda coaxial a de onda coaxial confocalconfocal elelíípticoptico

Modos TEM (O) , TE (H) y TM (E) de la guía coaxial elíptica:



ACAF (2007-08)

TEc11 (1er modo de orden superior)

TEM

3. Gu3. Guíía de onda coaxial a de onda coaxial confocalconfocal elelíípticoptico



ACAF (2007-08)

3. Gu3. Guíías de seccias de seccióón arbitrarian arbitraria

Guía ridge: para las mismas dimensiones exteriores, tiene un modo fundamental de menor fc que la guía rectangular y mayor ancho de banda monomodo.



ACAF (2007-08)

3. Gu3. Guíías de seccias de seccióón arbitrarian arbitraria

TEM1 TEM3TEM2

Modos TEM (ortogonalizados) de una guía con tres conductores interiores (también tendría infinitos TE y TM):

Modo TEM y primer TE de una guía coaxial rectangular:

TEM TE1



ACAF (2007-08)

4. Transformadores y acopladores4. Transformadores y acopladores

Transformador en guía rectangular en altura y en anchura

Ahora se van a ver una serie de dispositivos realizados en guía de onda, cuyo diseño inicial se basa en la parte circuital vista en los temas II y III.

Transformador guía cuadrada-circular

Bifurcación en guía rectangular



ACAF (2007-08)

Dimensiones geométricas del dispositivo

Análisis EMMatriz

[S] o [Y]

Calculo función de coste

(Comparación con equivalente circuital)

Corrección de las dimensiones por el

algoritmo de optimización

Especificaciones

Repetir hasta obtener la respuesta deseada

Diseño Circuital(T. Aproximación

+Síntesis de circuitos)

Ejemplo de especificaciones de diseño para un filtro

Frecuencia Central (f0)

11.8 GHz

Ancho de banda (B)

100 MHz

Pérdidas de Retorno Mínimas

≥20 dB

Rechazo fuera de banda

≥15 dB

4. Ciclo de dise4. Ciclo de diseñño de un dispositivo en guo de un dispositivo en guíía de onda con optimizacia de onda con optimizacióónn

(temas II y III)



ACAF (2007-08)

- Layout del acoplador, con dimensiones d, w, r, s, t and h

21

4 3

ds

t

w

r

h

xy

- Distribución de campo para el caso plano E:

Acopladores tipo Riblet(short-slot coupler)

1 2

34

4. Acopladores4. Acopladores



ACAF (2007-08)

Acoplador Riblet en plano H:

4. Acopladores de tipo 4. Acopladores de tipo RibletRiblet

(UPM-ALCATEL-ESPACIO)

zxy

- Alto aislamiento

- Buena adaptación

- Gran compacidad



ACAF (2007-08)

18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 20-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

BCMM-FFTMeasurement

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB

)

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB

)

1

2

3

4

1

2

3

4

|S11|, |S41|

|S11|

|S41|

4. Acopladores de tipo 4. Acopladores de tipo RibletRiblet

18 18.5 19 19.5 20-3.5

-3.4

-3.3

-3.2

-3.1

-3

-2.9

-2.8

-2.7

-2.6

-2.5

BCMM-FFTMeasurement

Frequency (GHz)

Cou

plin

g|S

ij|(d

B)

|S21|

|S31|

18 18.5 19 19.5 2089.9

89.95

90

90.05

90.1

90.15

90.2

90.25

90.3

90.35

90.4

BCMM-FFTMeasurement

Frequency (GHz)

Pha

sedi

ff. <

S3

1 -

<S

21

(º) Simulación (BCMM) y

medidas del acoplador:



ACAF (2007-08)

K, 90º

H, 90º

1

H, 90º

1

1 2

3

1

4

2

3

4

zx

y

1

4

2

3

Acoplador tipo branch-line en guía rectangular:

4. Acopladores de tipo 4. Acopladores de tipo branchbranch--lineline

- Esta estructura es de dos ramas (branches).

- Se pueden hacer diseños de múltiples ramas, y en diferentes tipos de guías (líneas de transmisión).



ACAF (2007-08)

9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

BCMM-FFTHFSS

|S21|

|S22|

|S31|

|S11|

|S41|

1

2 3

4x

y

a

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB

)

Frequency (GHz)

|Sij|

(dB

)

Dimensiones (mm): a=15.8, b=a/2, rint=4.5, rext=11.75

4. Acoplador 4. Acoplador ratrat--racerace en guen guíía rectangulara rectangular

Simulación (MM y HFSS) de un acoplador rat-race en plano E:



ACAF (2007-08)

5. Filtros y multiplexores 5. Filtros y multiplexores

Comparación cualitativa de algunos tipos de filtros usados en frecuencias de microondas-milimétricas:

Además de las características anteriores, a la hora de elegir una estructura hay que tener también muy en cuenta el tipo de respuesta que se persigue (Chebychev, elíptica,…)



ACAF (2007-08)

5. Filtros: etapas de dise5. Filtros: etapas de diseññoo

Especificaciones

Diseño circuital

Diseño en guía de onda

Optimización final de onda completa

Dimensionesde las guías

de onda

- Realización aproximada de los acoplosen guía de onda (positivos/negativos, externos,…) y posterior refinamiento.

- Conduce a la matriz de acoplos a sintetizar

- Elección de la función de transferencia que cumpla especificaciones

- Síntesis de un circuito que tenga la función de transferencia elegida.



ACAF (2007-08)

5. Filtros en gu5. Filtros en guíía rectangular a rectangular

Filtro paso banda con lámina (se suele llamar E-plane filter, aunque es una

estructura plano H)

Filtro paso banda plano Hcon ventanas asimétricas

(irises inductivos)

Estructuras clasícas de filtros en guía rectangular:

Filtro paso banda (p ej.Chebychev) plano H

con ventanas simétricas (irises inductivos)

Filtro paso bajo corrugado



ACAF (2007-08)

6 6.5 7 7.5 8 8.5 9-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Frequency (GHz)

|s21

| |s

11|

(d

B)

N= 4 TZ= 2

N= 7 TZ= 0

5. Filtros: ceros de transmisi5. Filtros: ceros de transmisióónn

N=7, TZ=0

N=4, TZ=2|S11

|,|S

12| (

dB)

Comparación entre respuestas de filtros con y sin ceros de transmisión a frecuencias finitas:

- Menos perdidas de inserción

- Ahorro de masa y volumenCuanto menor sea el orden:



ACAF (2007-08)

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Mode-MatchingMeasurement

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB)

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0


Frequency (GHz)

|S21

| (dB

)

Frequency (GHz)

|S21

| (dB

)

4.4 4.5 4.6-0.9

-0.6

-0.3

0

Detalle de las perdidas de

inserción en la banda de paso

5. Filtros en cavidades rectangulares (I)5. Filtros en cavidades rectangulares (I)

Simulación (MM) y medidas:

(UPM-CICYT,Univ. Maryland)

SMA



ACAF (2007-08)

5. Filtros en cavidades rectangulares (II)5. Filtros en cavidades rectangulares (II)

Distribución de campo del filtro elíptico con irises inductivos, acoplo cruzado capacitivo y entrada por sonda coaxial:



ACAF (2007-08)

11.65 11.7 11.75 11.8 11.85 11.9 11.95-40

-30

-20

-10

0


Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB

)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB

)

11.72 11.76 11.8 11.84 11.88-2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

10 11 12 13 14 15-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0


Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB

)

Frequency (GHz)

|S11

|, |S

21| (

dB

)

Simulación (MM) y medidas del filtro dual-mode de cuarto orden en cavidades elípticas:

5. Filtros en cavidades el5. Filtros en cavidades elíípticas (I)pticas (I)

zx

y

C1

C2

(UPM)



ACAF (2007-08)

5. Filtros en cavidades el5. Filtros en cavidades elíípticas (II)pticas (II)

Distribución de campo del filtro elíptico con cavidades elípticas Dual-Mode:



ACAF (2007-08)

Filtro Banda Ka: elíptico y autoecualizado 6-2-2

(orden 6, 2 ceros de transmisión y 2 ceros de ecualización)

29.94 29.96 29.98 300

10

20

30

40

50

Frecuencia (GHz)

Ret

ard

od

e G

rupo

(ns)

Línea continua: teórica

Línea trazos: “fullwave”del filtro diseñado

29.94 29.96 29.98 300

10

20

30

40

50

Frecuencia (GHz)

Ret

ard

od

e G

rupo

(ns)

Línea continua: teórica

Línea trazos: “fullwave”del filtro diseñado

29.9 29.95 30 30.05-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Frecuencia (GHz)

|s21

||s

11|

(dB

)

29.9 29.95 30 30.05-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Frecuencia (GHz)

|s21

||s

11|

(dB

)(UPM-ALCATEL-ESPACIO)

5. Filtros de polos extra5. Filtros de polos extraíídos (I)dos (I)



ACAF (2007-08)

EcualizadoNo ecualizado

5. Filtros de polos extra5. Filtros de polos extraíídos (II)dos (II)

(UPM-ALCATEL-ESPACIO)



ACAF (2007-08)

5. Filtros de polos extra5. Filtros de polos extraíídos (III)dos (III)

Filtro banda Ka elíptico y autoecualizado 10-4-2 (orden 10, 4 ceros de

transmisión, dos ceros de ecualización)

Simulación (MM y circuital) de un filtro 10-4-2

29.8 29.85 29.9 29.95 30 30.05 30.1 30.15 30.2-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Frequency (GHz)

1/S

11 (

dB) circuital

MM

S11

, S12

(dB

)



ACAF (2007-08)

Simulación (MM) y medidas de un diplexor plano H con uniones en T en banda Ka:

5. 5. DiplexoresDiplexores

22 22.2 22.4 22.6 22.8 23 23.2 23.4 23.6 23.8 24-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

GAM-GCHFSS

Frequency (GHz)

|Sij|

(d

B)

Frequency (GHz)

|Sij|

(d

B)

|Sch1,ch2|

|Scom,ch1|

|Scom,ch2|

|Scom,com|

com

ch2ch1(UPM-Paratek, MD, USA)



ACAF (2007-08)

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

Frequency (GHz)

|S21|- |S31 |- |S41| (dB)

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.511 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

Frequency (GHz)

|S21|- |S31 |- |S41| (dB)

|S11| (dB)

-40

-30

-20

-10

0

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5

Frequency (GHz)

SimulationMeasurements

|S11| (dB)

-40

-30

-20

-10

0

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5

Frequency (GHz)

SimulationMeasurementsSimulationMeasurements

5. 5. TriplexoresTriplexores

Triplexor banda Kusatélite SESAT

Triplexor banda Kusatélite HOTBIRD

UPM- -UPM



ACAF (2007-08)

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

GAM-GCMeasurements

Frequency (GHz)

Inpu

t ref

lect

ion

(dB

)

Frequency (GHz)

Inpu

t ref

lect

ion

(dB

)

5. Multiplexores 5. Multiplexores manifoldmanifold: 3 canales: 3 canales

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

GAM-GCMeasurements

Frequency (GHz)

Tra

nsm

issi

on (

dB)

Frequency (GHz)

Tra

nsm

issi

on (

dB)- Mecanizado en tres capas:

(UPM-CICYT)



ACAF (2007-08)

5. Multiplexores 5. Multiplexores manifoldmanifold: 3 canales (I): 3 canales (I)f0=11 GHz



ACAF (2007-08)

5. Multiplexores 5. Multiplexores manifoldmanifold: 3 canales (II): 3 canales (II)f0=11.16 GHz



ACAF (2007-08)

5. Multiplexores 5. Multiplexores manifoldmanifold: 3 canales (III): 3 canales (III)f0=11.32 GHz



ACAF (2007-08)

- 5 canales de 90 MHz a 11, 11.16, 11.32, 11.48 and 11.64 GHz

(UPM-CICYT)

- Máscara reflexión: 23 dB

- Pérdidas de Inserción medidas 0.8 dB

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

GAM-GCMeasurements

Frequency (GHz)

Inpu

tre

flect

ion

(dB

)

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

GAM-GCMeasurements

Frequency (GHz)

Inpu

tre

flect

ion

(dB

)

Frequency (GHz)

Inpu

tre

flect

ion

(dB

)

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

GAM-GCMeasurements

Frequency (GHz)

Tra

nsm

issi

on

(dB

)

10.8 10.9 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

GAM-GCMeasurements

Frequency (GHz)

Tra

nsm

issi

on

(dB

)

Frequency (GHz)

Tra

nsm

issi

on

(dB

)

Simulación y medidas:

5. Multiplexores 5. Multiplexores manifoldmanifold: 5 canales: 5 canales



ACAF (2007-08)

6. 6. OrtomodosOrtomodos y polarizadores y polarizadores

Basic OMT junction with

septum

Puerta común circular (C)

Puerta Axial

Puerta lateral

H

V

zx y

TE10

TE10

TEV11,TEH

11

TE10,TE01

septumMetalicoDetalle del

núcleo del OMT

iris

g cuad. (S)

De (o hacia) la antena

Puerta común cuadrada (S)

Secciones de adaptac.

Transición cuad-circ



ACAF (2007-08)

Ortomodo con transición a guía circular de la bocina: simulación (MM y HFSS) y medidas.

6. 6. OrtomodosOrtomodos de tipo asimde tipo asiméétricotrico

10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Vertical (GAM-GC)Vertical (HFSS)Horizon. (GAM-GC)Horizon. (HFSS)

Frequency (GHz)

|ρV|,

|ρH| (

dB

)

Frequency (GHz)

|ρV|,

|ρH| (

dB

) (H)

(V)

V

H

28.6% de banda (máximo teórico del 34%)

Sat. Amazonas (EADS-CASA)



ACAF (2007-08)

6. 6. OrtomodosOrtomodos de tipo de tipo BoifotBoifot

puerta axial

puerta común

Una de las dos ramas lateralesHV

puerta lateral

septum

Unión Boifot

Pol. Hor.

H

puerta lateral

z

x

Ramas Laterales

43

1

2b)

Codo pl. E

Doble codo pl. E

Pol. Vert.

Codo pl. E

V

Puerta axial

Puerto común

z

x

Unión Boifot

Rama Axial

43

1

2 a)

Transf. altura

septum

VH

zxy



ACAF (2007-08)

Polarización Vertical Polarización Horizontal


Funcionamiento para la polarización vertical y horizontal:



ACAF (2007-08)

Banco de medida para caracterizar la polarización vertical con carga en

el puerto horizontal

(UPM-EADS-CASA)

12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Vertical (Measurements)Horizon. (Measurements)

Frequency (GHz)

|ρV|,

|ρH| (

dB)

Frequency (GHz)

|ρV|,

|ρH| (

dB)

V H

HV

V H

HV

Medidas del OMT completo:


Diseño en subbandas centradas aprox. en 13 y 17. 5 GHz con 26 dB de adaptación

para ambas polarizaciones V y H.



ACAF (2007-08)

Hacen la doble función de polarizar y separar:

6. 6. OrtomodosOrtomodos polarizadores (polarizadores (septumseptum OMT)OMT)

Polarización circular a izquierdas Polarización circular a derechas



ACAF (2007-08)

APAPÉÉNDICENDICE I: I: PROPAGACIPROPAGACIÓÓN EN UNA N EN UNA

GUGUÍÍA DE ONDA CON A DE ONDA CON PPÉÉRDIDASRDIDAS



ACAF (2007-08)

''j'

real

εεεμ

−=≡

2c

222 )''j'()j( γεεμωβαγ −−−=+=

])''()'()'([

])''()'()'([

22222c

22c2

1

22222c

22c2

1

μεωμεωγμεωγβ

μεωμεωγμεωγα

+−−+−−−=

+−−+−−+=

'2f

2c

c μεπγ−

=

Frecuencia de corte:Valor de frecuencia para el que βα =

ApAp. I: Constante de propagaci. I: Constante de propagacióón de un n de un modo TE/TM para medios con pmodo TE/TM para medios con péérdidasrdidas



ACAF (2007-08)

''j'

real

εεεμ

−=≡

)m/1(),m/nep( βα

fc

frec

uenc

ia

,μεωβ =

Ap. I: DiagramaAp. I: Diagrama de disperside dispersióón de un modo TE/TM para medios con pn de un modo TE/TM para medios con péérdidasrdidas



ACAF (2007-08)

fc

Influencia de las pérdidas en el dieléctrico

2cγ− )m/1(),m/nep( βα

,3.0,2.0,1.0tang =δ0.0.1

0.2

0.3

β

α

frec

uenc

ia

ApAp. I: Diagrama de dispersi. I: Diagrama de dispersióón de un modo TE/TM para medios con pn de un modo TE/TM para medios con péérdidas (cont.)rdidas (cont.)



ACAF (2007-08)

2

2c

TE

ff

1

jZ

−

±==η

γωμ

Frecuenciafc

TEZ

''j'

real

εεεμ

−=≡

'εμ

Re(ZTE)Im(ZTE)

Ap. I: ImpedanciaAp. I: Impedancia de un modo TE para medios con pde un modo TE para medios con péérdidasrdidas



ACAF (2007-08)

fc

TMZ

Frecuencia

'εμ

''j'

real

εεεμ

−=≡

2

2c

TM f

f1

jZ −±== η

ωεγ

Re(ZTM)

Im(ZTM)

Ap. I: ImpedanciaAp. I: Impedancia de un modo TM para medios con pde un modo TM para medios con péérdidasrdidas



ACAF (2007-08)

Ap. I: AtenuaciAp. I: Atenuacióónn debida debida a los conductoresa los conductores

Atenuación para guías de onda vacías de distinta forma y tamaño debida a conductores no ideales:



ACAF (2007-08)

APAPÉÉNDICE II:NDICE II:DESCRIPCIDESCRIPCIÓÓNN DEL CAMPO EN DEL CAMPO EN

UNA GUUNA GUÍÍA DE A DE ONDA Y ONDA Y TENSIONES Y CORRIENTES TENSIONES Y CORRIENTES

EQUIVALENTESEQUIVALENTES



ACAF (2007-08)

C=∂S=C0+C1+...+Cp+...+CP

C0 C1

Cp

(ε,μ)S

n

z

n

σ = ∞

Idea fundamental: el campo EM dentro de una guía de onda siempre se puede descomponer en la suma del campo de sus modos:

- cada modo (TE, TM o TEM), indexado por el número n, puede viajar en sentido +z o -z

- cada tiene su amplitud (número complejo) correspondiente:

Campo EM total para cada punto de la guía

Guía cilíndrica multi-conductora de sección arbitraria cerrada por conductor perfecto, con medio isótropo y homogéneo

Ap II: DescripciAp II: Descripcióónn del campo EM en una del campo EM en una guguíía (I)a (I)



ACAF (2007-08)

El campo EM de cada modo se puede descomponer en su parte longitudinal (una componente, según el eje de la guía) y su parte transversal (dos componentes). La variación según z es exp(±γz):

se expresan con funciones matemáticas qué dependen del medio de la guía (ε,μ), de la frecuencia (f) y exclusivamente de las coordenadas transversales (no dependen de la coordenada z).

Modo según +z Modo según -z

Con esta descomposición, los campos

Ap II: DescripciAp II: Descripcióónn del campo EM en una del campo EM en una guguíía (II)a (II)

(ver resumen de expresiones en tr. 11 y sus valores para las guías

canónicas en el punto 3)



ACAF (2007-08)

Las componentes del modo n según +z están relacionadas con las componentes del modo viajando según -z:

Notación: se toma como referencia el modo viajando según +z

Impedancia (admitancia) de onda del modo

Además, los campos transversales de los modos eléctrico y magnético están relacionados por la impedancia de onda:

Ap II: DescripciAp II: Descripcióónn del campo EM en una del campo EM en una guguíía (III)a (III)



ACAF (2007-08)

Por tanto, el campo EM total de la guía se puede reescribir de la siguiente manera :

El campo, escrito de esta manera, se suele descomponer en:

Parte transversal total del modo

Parte longitudinal total del modo

Modo según +z Modo según -z

* La serie, para representar fielmente el campo EM total en cualquier punto de la guía, debe incluir todos los modos (no sólo los que se propagan) hasta un n “suficientemente grande”.

ApAp II: DescripciII: Descripcióón del campo EM en una gun del campo EM en una guíía (y IV)a (y IV)



ACAF (2007-08)

De acuerdo a la forma del campo EM, cada modo tiene asociada una línea de transmisión:

znς+

nς−

z0z =

0nzne γ ς+ −

0nzne γ ς− +

0z z=

(0)nI 0( )nI z

(0)nV 0( )nV z

- Las tensiones y corrientes equivalentes se definen a partir de las amplitudes de los modos, utilizando constantes complejas de normalización arbitrarias (se escogen dependiendo del problema, por ejemplo Cn=Kn=1 ó Cn=1,Kn=Z1/2

wn):

Ap II: TensionesAp II: Tensiones y corrientes equivalentes y corrientes equivalentes

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Primera parte, Tema IV - arantxa.ii.uam.esarantxa.ii.uam.es/~acaf/Documentacion/Tema_IV_Dispositivos_guia... · I. PROCESADO DE SEÑAL EN RF. II. TEORÍA CIRCUITAL DE LOS DISPOSITIVOS