primera parte, tema iv -...
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Profesores: Jorge A. Ruiz Cruz (jorge.ruizcruz@uam.es)
José L. Masa Campos (joseluis.masa@uam.es)
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 (jorge.ruizcruz@uam.es, 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
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 4ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 5ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 6ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
CerradosCerrados
AbiertosAbiertos
DieléctricoHomogéneo
DieléctricoHomogéneo
Multi-dieléctricos
Multi-dieléctricos
DieléctricoHomogéneo
DieléctricoHomogéneo
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 7ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
IV. Dispositivos en guía de onda 8ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 9ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 10ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 11ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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׈η t
TM
EzZ
1׈
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 = =
IV. Dispositivos en guía de onda 12ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 13ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
IV. Dispositivos en guía de onda 14ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 15ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 16ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
)perdidas(sinrealesyεμ
2. Diagrama de dispersi2. Diagrama de dispersióón para distintos modos TE, TM y TEMn para distintos modos TE, TM y TEM
IV. Dispositivos en guía de onda 17ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
TEZ
fc Frecuencia
εμη =
Re(ZTE)
Im(ZTE)
2
2c
TE
ff
1
jZ
−
±==η
γωμ
)perdidas(sinrealesyεμ
2. Impedancia de modo TE2. Impedancia de modo TE
IV. Dispositivos en guía de onda 18ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
TMZ
Frecuenciafc
2
2c
TM f
f1
jZ −±== η
ωεγ
εμη =
)perdidas(sinrealesyεμ
Re(ZTM)
Im(ZTM)
2. Impedancia de modo TM2. Impedancia de modo TM
IV. Dispositivos en guía de onda 19ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 20ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 21ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 22ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 23ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 24ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 25ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 26ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 27ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
(Modo fundamental)
3. Gu3. Guíía de onda ela de onda elíípticaptica
IV. Dispositivos en guía de onda 28ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
IV. Dispositivos en guía de onda 29ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
TEc11 (1er modo de orden superior)
TEM
3. Gu3. Guíía de onda coaxial a de onda coaxial confocalconfocal elelíípticoptico
IV. Dispositivos en guía de onda 30ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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.
IV. Dispositivos en guía de onda 31ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 32ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 33ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 34ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 35ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 36ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
IV. Dispositivos en guía de onda 37ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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).
IV. Dispositivos en guía de onda 38ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
IV. Dispositivos en guía de onda 39ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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,…)
IV. Dispositivos en guía de onda 40ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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.
IV. Dispositivos en guía de onda 41ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 42ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
IV. Dispositivos en guía de onda 43ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
Mode-MatchingMeasurement
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
IV. Dispositivos en guía de onda 44ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
IV. Dispositivos en guía de onda 45ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
11.65 11.7 11.75 11.8 11.85 11.9 11.95-40
-30
-20
-10
0
Mode-MatchingMeasurement
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
Mode-MatchingMeasurement
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 46ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
IV. Dispositivos en guía de onda 47ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 48ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
EcualizadoNo ecualizado
5. Filtros de polos extra5. Filtros de polos extraíídos (II)dos (II)
(UPM-ALCATEL-ESPACIO)
IV. Dispositivos en guía de onda 49ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
)
IV. Dispositivos en guía de onda 50ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 51ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 52ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 53ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
5. Multiplexores 5. Multiplexores manifoldmanifold: 3 canales (I): 3 canales (I)f0=11 GHz
IV. Dispositivos en guía de onda 54ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
5. Multiplexores 5. Multiplexores manifoldmanifold: 3 canales (II): 3 canales (II)f0=11.16 GHz
IV. Dispositivos en guía de onda 55ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
5. Multiplexores 5. Multiplexores manifoldmanifold: 3 canales (III): 3 canales (III)f0=11.32 GHz
IV. Dispositivos en guía de onda 56ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 57ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 58ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 59ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 60ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
Polarización Vertical Polarización Horizontal
6. 6. OrtomodosOrtomodos de tipo de tipo BoifotBoifot
Funcionamiento para la polarización vertical y horizontal:
IV. Dispositivos en guía de onda 61ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
6. 6. OrtomodosOrtomodos de tipo de tipo BoifotBoifot
Diseño en subbandas centradas aprox. en 13 y 17. 5 GHz con 26 dB de adaptación
para ambas polarizaciones V y H.
IV. Dispositivos en guía de onda 62ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 63ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
ACAF (2007-08)
APAPÉÉNDICENDICE I: I: PROPAGACIPROPAGACIÓÓN EN UNA N EN UNA
GUGUÍÍA DE ONDA CON A DE ONDA CON PPÉÉRDIDASRDIDAS
IV. Dispositivos en guía de onda 64ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 65ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 66ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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.)
IV. Dispositivos en guía de onda 67ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 68ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 69ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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:
IV. Dispositivos en guía de onda 70ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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
IV. Dispositivos en guía de onda 71ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 72ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 73ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 74ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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)
IV. Dispositivos en guía de onda 75ver. 0
J.A.R.C, J.R.M.G, J.R.
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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