DISEÑO DE UNA PEQUEÑA SONDA PARA MEDIR CAMPOS MAGNÉTICOS EN TRES DIMENSIONES

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO DE UNA PEQUEÑA SONDA PARA MEDIR CAMPOS MAGNÉTICOS EN TRES DIMENSIONES Por Mauricio Rojas Hacker Sartenejas Marzo de 2008

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO DE UNA PEQUEÑA SONDA PARA MEDIR CAMPOS MAGNÉTICOS EN TRES DIMENSIONES Por Mauricio Rojas Hacker Realizado con la Asesoría de Anders Rydberg PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, Marzo de 2008

3 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica DISEÑO DE UNA PEQUEÑA SONDA PARA MEDIR CAMPOS MAGNÉTICOS EN TRES DIMENSIONES Realizado con la Asesoría de: Anders Rydberg RESUMEN En el desarrollo de diferentes equipos electrónicos, la detección de problemas de Compatibilidad electromagnética (EMC) en etapas tempranas del diseño del producto es de gran relevancia para asegurar la calidad del equipo. El principal objetivo del trabajo presentado es diseñar una antena para medir campos magnéticos en tres dimensiones (3D), para un escáner EMC de la compañía Detectus AB, en un rango de frecuencias de 0,3 a 8 GHz. En la presente investigación se diseñaron, construyeron y probaron sondas en forma de lazo constituidas por una línea de tiras, para medir campos magnéticos en una dimensión (1D), dos dimensiones (2D) y tres dimensiones (3D); finalmente se realizo el diseño de una sonda en una estructura multicapas para medir campos magnéticos en los ejes X, Y y Z. Los resultados de diversas simulaciones y pruebas prácticas demostraron que es posible la construcción de una sonda, conformada por una estructura multicapas (de once capas en su totalidad) de cobre y FR4, con extensiones de 16mmx6mmx11mm, que permite medir el campo magnético en tres dimensiones hasta una frecuencia de 6 GHz. PALABRAS CLAVES Línea de tiras, sonda, escáner EMC, parámetros de dispersión (S). Aprobado con mención: Postulado para el premio: Sartenejas, Marzo de i

4 Contenido 1 Introducción Especificaciones del proyecto y el EMC scanner Definiciones básicas Ley de Biot-Savart Ley de Faraday Antena en forma de lazo Diseño y Herramientas evaluación Software Hardware (network analyzer ó analizador de redes) Línea micro strip (DUT) Metodología para el diseño de la sonda Papel de investigación Sonda para campos magnéticos en la banda de los GHz y técnica para la mejora de la resolución Diseño de la sonda Estructura Línea Strip Sonda 1D Sonda 2D Sonda 3D Resultados y análisis Mediciones con sonda RF-R de Langer, en arreglo VH y VE Resultados de simulación de una sola sonda Arreglo de sonda 2D Arreglo de sonda 3D Sonda 3D en estructura multicapa Conclusiones Recomendaciones Referencias ii

5 10 Apéndice 1 - ProtoMat C Apéndice 2 - EMC scanner Apéndice 3 - Probes for EMC scanner...51 iii

6 Índice de figuras Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 Figura 5.1 Figura 5.2 Figura 5.3 Figura 5.4 EMC scanner... 2 Gráficos bidimensional y tridimensional [2]... 3 Ley de Biot-Savart... 5 Campos magnéticos en un lazo de corriente Ley de Faraday Diferentes tipos de lazos formados por cable coaxial, utilizados para medir campos magnéticos.. 8 Relación entre frecuencia y voltaje de salida....9 Apariencia de Computer Simulation Technology [4]..10 Método FI [6]...11 Ventana de esquemático mostrando componentes de parámetros-s requeridos Ventana de LineCalc Network analyzer Apariencia de Line Gauge para diseño de micro strip...15 Línea micro strip fabricada Diagrama esquemático de sonda para medir campos magnéticos...18 Arreglo para medir las características de frecuencia de la sonda fabricada...18 Características frecuenciales de voltaje inducido por VE y VH de la sonda diseñada en investigación...19 Apariencia de Line Gauge para diseño de línea strip...20 Figura 5.5 Sonda individual en simulación (A) Configuración VH (B) Configuración VE...21 Figura 5.6 Dimensiones de sonda 1D.. 22 Figura 5.7 Dimensiones de substrato y conductor interno de sonda 1D. 22 Figura 5.8 Comparación entre la sonda de EMC scanner (#2) iv

7 Figura 5.9 Figura 5.10 Figura 5.11 Figura 5.12 Figura 5.13 Figura 6.1 Figura 6.2 Figura 6.3 Figura 6.4 Figura 6.5 Figura 6.6 Figura 6.7 Figura 6.8 Figura 6.9 Figura 6.10 Figura 6.11 Figura 6.12 Figura 6.13 Figura 6.14 Figura 6.15 Figura 6.16 Figura 6.17 Figura 6.18 Figura 6.19 Figura 6.20 Figura 6.21 y sonda fabricada (#1) Arreglo de sonda 2D...24 Diseño de la tercera sonda...25 Arreglo de la sonda 3D.. 25 Arreglo de sonda 3D fabricada Tercera sonda en estructura multicapas Parámetros S de sonda RF-R 0.3-3, Configuración VH Parámetros S de sonda RF-R 0.3-3, Configuración VE Parámetros S de sonda simulada, Configuración VH Parámetro S-21 de sonda simulada, Configuración VE Mediciones de campo-h y campo-e: A) Configuración VH; B) Configuración VE V H, V E medido con la sonda 1 y sonda A) Configuración V H ; B) Configuración V E...35 A) Sonda paralela a DUT; B) Sonda perpendicular a DUT.. 36 Parámetro S21 de tercera sonda...37 Sonda A, Parámetro S21.37 Sonda B, Parámetro S Sonda C, Parámetro S Parámetro S21 de sonda con lazo de área 3.2x1.6 mm 39 Sonda con lazo de área 3.2x1.6 mm Parámetro S-21 de sonda con un lazo de área de 3.2x1.6mm.. 40 Sonda con lazo de 3.2x1.6mm en estructura multicapa...41 S-21 de sonda que mide campo-h en dirección Z A) estructura de cobre de sonda 3D; B) Sonda 3D en simulación...43 Sonda #1, parámetro S21 en diseño final...43 Sonda #2, parámetro S21 en diseño final...44 Sonda #3, parámetro S21 en diseño final v

8 Lista de Símbolos, abreviaturas y términos. 1D: Una dimensión. 2D: Dos dimensiones. 3D: Tres dimensiones. ADS: Advanced Design System, software. CST: Computer Simulation Technology, software, DUT: Device under test; dispositivo bajo prueba. Eigenmode Solver: Módulo de operación del software CST, donde se trabaja con autovalores. EMC escáner: Escáner de compatibilidad electromagnética. Far-field: Campo lejano. Fields Solver: Módulo de operación del software CST, donde se trabaja con campos. Frequency Domain Solver: Módulo de operación del software CST, donde se trabaja en el dominio de la frecuencia. FR4: Material utilizado para la construcción de tarjetas de circuito impreso. GPIB: Bus de interfaz de propósito general. Milling machine: Maquina fresadora o caladora, para cortar o dar forma a un metal u otro objeto sólido. Near-field: Campo cercano. Network analizer: Analizador de redes. Ohm Ω: Unidad de resistencia eléctrica. Resonant, Fast S-Parameters Solver: Módulo de operación del software CST, donde se obtiene parámetros S. Strip: Tira o cinta Transient solver: Módulo de operación del software CST, donde se trabaja con respuestas transitorias. VE: Voltajes inducidos en la sonda, por campos eléctricos. VH: Voltajes inducidos en la sonda, por campos magnéticos. vi

9 1 INTRODUCCIÓN La medición de campos magnéticos cercanos es un método de gran utilidad, ya que el mismo permite detectar y localizar fuentes de radiación electromagnética, una causa de interferencia electromagnética, ó predecir niveles de emisión de campos lejanos. En la actualidad existen gran cantidad de dispositivos inalámbricos (como teléfonos celulares o computadores con redes de área local WLAN) que son fuentes de radiación y causan interferencia, para los cuales sería relevante solucionar este tipo de problemas haciendo uso de la medición de campos cercanos. La empresa Detectus AB es una compañía sueca que trabaja con el desarrollo, producción y mercadeo de sistemas de medición de EMC (compatibilidad electromagnética). Alrededor de todo el mundo existe una demanda de productos de EMC, los cuales constituyen un alto costo para aquellas compañías que desarrollan equipos electrónicos; por esta razón Detectus AB ha construido un sistema para ayudar a productores a solventar problemas de compatibilidad electromagnética (EMC) de la forma más rápida posible (EMC escáner). Las antenas (sondas de la compañía Langer) que son utilizadas en el sistema de medición no se encuentran perfectamente adaptadas al mismo, por lo que la compañía desea ofrecer antenas que sean óptimas para su sistema de medición de compatibilidad electromagnética; razones por las cuales Detectus AB se relaciona con la universidad de Uppsala para estudiar la factibilidad de construir una sonda para el escáner EMC. La meta del proyecto es la de desarrollar una antena que permita medir campos magnéticos cercanos en tres dimensiones (3D). Todo este proceso es realizado por el pasante paso a paso comenzando con el diseño y fabricación de una sonda para medir campos magnéticos en una dimensión (1D), seguido por el diseño de diversas sondas en forma de lazo que se encontraran juntas en una misma estructura multicapas. 1

10 2 ESPECIFICACIONES DEL PROYECTO Y EL EMC SCANNER Dentro de las especificaciones del proyecto solicitado por la compañía Detectus AB encontramos el diseño de una sonda, para que forme parte del escáner EMC de la empresa, que sea capaz de medir el campo magnético en tres (3) ejes perpendiculares (3D). Dicha sonda debe presentar la posibilidad de ser conectada a un pre-amplificador ó a un interruptor, y debe poder realizar mediciones en el rango de frecuencias de GigaHertz (GHz). Las limitaciones de tamaño del diseño se encuentran sujetas a la capacidad del EMC escáner de manejar la sonda, a la disponibilidad de laminas (grosor de capa de substrato y cobre deseado, y material del substrato) y de la capacidad de la compañía que se encargará de realizar la construcción de la sonda. Una de las facilidades que la compañía Detectus AB quisiera hacer llegar a sus clientes, y una de las grandes ventajas que proporcionaría tener a disposición una sonda que posea la capacidad de medir campos magnéticos en los tres ejes X, Y y Z, es la de facilitar el manejo del sistema de escáner EMC. De esta forma el usuario del equipo no se verá en la necesidad de estar constantemente cambiando la sonda del sistema, cada vez que se deseé realizar una medición en una dirección específica. La sonda 3D para medir campos magnéticos será diseñada para el escáner EMC suministrado por la compañía Detectus AB, el cual se muestra a continuación. En la figura 2.1 se puede apreciar como un circuito, que se encuentra sobre la tabla cuadriculada, es analizado por una sonda circular (que esta realizando las mediciones correspondientes); Los desplazamientos de la sonda que se encuentra operando en el sistema, son controlados por el brazo robot del EMC escáner. El EMC escáner es un equipo que es capaz de medir la localización e intensidad de la fuente de radiación de un determinado equipo, en donde los resultados de las mediciones realizadas pueden ser mostrados en gráficas de dos o tres dimensiones (ver figura 2.2) dependiendo de las necesidades del usuario. [2] 2

11 Figura 2.1 EMC scanner [1] Figura 2.2 Gráficos bidimensional y tridimensional [2] El equipo en su totalidad esta compuesto por un robot con movimientos en el eje X, Y y Z controlado por un computador; este brazo robot tiene como función desplazar la sonda, que se encuentra realizando las mediciones, a lo largo de la tabla cuadriculada del escáner EMC y de esta forma permite medir la radiación proveniente de diferentes zonas del objeto que se esta estudiando. Adicionalmente todo el sistema cuenta con un analizador de espectros, sondas para medición de campos, y una tarjeta GPIB para comunicarse con el analizador de espectros. Durante las mediciones la sonda es desplazada por el robot para determinar de antemano los puntos de medición sobre el objeto de prueba mientras que la localización de la sonda y el 3

12 valor de la intensidad de emisión en cada punto de medición son almacenados en el computador. [2] El escáner EMC es útil porque permite ahorrar tiempo y dinero al reducir la necesidad de realizar mediciones a escala completa, permite visualizar los niveles de emisión de algún componente en un amplio rango de frecuencias, permite detector potenciales problemas de emisión existentes durante la etapa de diseño de un producto, y permite realizar comparaciones para documentar el efecto de un cambio en el diseño de un producto. [2] Entre algunos de los datos técnicos del equipo encontramos: peso de 27 kilogramos requiere de un voltaje de línea de voltios requiere una frecuencia de línea de 50-60Hz consumo de potencia de 30 voltio-amperio el software del equipo requiere de un computador con Windows 9x,2000, xp ó vista se necesita de un computador Pentium de 500MHz o más rápido, con 64 Mega bytes de memoria RAM (random access memory) 4

13 3 DEFINICIONES BÁSICAS A continuación se presentan un conjunto de definiciones que permitirán explicar de forma sencilla al lector, el funcionamiento de una sonda en forma de lazo para medir campos magnéticos. 3.1 Ley de Biot-Savart La ley de Biot-Savart describe como un campo magnético es producido por un cable que lleva una corriente I. El campo magnético total, en un cierto punto cerca del cable, puede ser considerado como la suma de contribuciones de pequeños segmentos del conductor que lleva la corriente eléctrica. Esta ley muestra que el campo magnético depende de la corriente, y de la longitud y forma del conductor. [3] La ley de Biot-Savart en el espacio libre es descrita por la siguiente expresión: r r r μ0idl 1r db = (3.1) 2 4πr Donde dl r es la longitud infinitesimal del conductor. r es la distancia del elemento de corriente IdL r al punto del campo. μ 0 es la constante magnética. 1 r r es un vector unidad que especifica la dirección del vector distancia r. ver figura 3.1 5

14 Figura 3.1 Ley de Biot-Savart De la ley de Biot-Savart es posible describir la dirección de un campo magnético creado por una corriente que fluye a través de un cable (siguiendo la regla de la mano derecha). Si un cable posee la forma de un círculo (como se muestra en la figura 3.2) y una corriente eléctrica circula por el mismo, es fácil de observar que cada parte del bucle contribuye con el campo magnético en una misma dirección en la parte interna del bucle. [3] Figura 3.2 Campos magnéticos en un lazo de corriente Utilizando la ley de Biot-savart el campo magnético en el centro del lazo es: r r r μ0idl 1r db = (De igual forma que la expresión 3.1) (3.2) 2 4πr 6

15 En el centro del lazo, dl es perpendicular al vector unitario 1 r r y la expresión final queda: μ I B = 0 (3.3) 2r 3.2 Ley de Faraday La ley de Faraday describe como un campo eléctrico es inducido debido a la variación del flujo magnético que transita a través de un lazo cerrado. C r r d E dl = dt S r r B da (3.4) En otras palabras, cuando un flujo magnético no constante atraviesa el área del bucle una fuerza electromotriz es inducida y una corriente fluye por el lazo. La dirección de la corriente obedece a la ley de Lenz, la cual establece que la corriente inducida alrededor del lazo tiene un sentido tal que crea un campo magnético que se opone a los cambios del flujo magnético. [4] Figura 3.3 Ley de Faraday Es posible observar en figura 3.3 que un cambio en el flujo magnético B produce una corriente I que tiene una dirección que crea otro flujo magnético B, que es opuesto al flujo B. (contrarrestando los cambios del flujo magnético que atraviesan el lazo). Matemáticamente la expresión es: 7

16 emf dφ = N (3.5) dt Donde el signo menos corresponde a la ley de Lenz y donde: N es el número de vueltas; Φ=B.A es el flujo magnético; B es la densidad de flujo magnético; A es el área del lazo. 3.3 Antena en forma de lazo En el área de compatibilidad electromagnética (EMC), las sondas circulares son comúnmente utilizadas debido a que las mismas son capaces de medir campos magnéticos. Según Roy Ediss de Phillips Semiconductors, las antenas circulares con un blindaje electroestático usualmente se construyen con un cable coaxial semi-rígido de una impedancia de 50 Ω (Ohm); sin embargo sondas en forma de lazo construidas con una línea de tira o micro tiras también se utilizan en variedad de investigaciones científicas y pueden conseguirse con facilidad en el mercado norteamericano. [5] El funcionamiento de este tipo de sondas se basa en la ley de Faraday, según la cual un campo magnético alternante que cruza el área del lazo o círculo induce un voltaje que es proporcional a las variaciones del flujo magnético que pasa a través del lazo. Cuando la sonda cuenta con un blindaje, el voltaje inducido por las variaciones de flujo recae sobre la brecha de la sonda (ver figura 3.4) y es la medición de ese voltaje lo que permite obtener el valor del campo magnético presente. Un factor de gran relevancia en el comportamiento de la sonda es el tamaño de la brecha. El hecho de que la brecha sea de dimensiones pequeñas sirve para asegurar que no se tomen en cuenta los campos eléctricos que afectan las mediciones de campo magnético. [5] 8

17 La posición de la brecha en el lazo es de gran importancia. Con el fin de obtener un blindaje efectivo en contra del campo eléctrico, este debe ser simétrico alrededor de la brecha. Si no existe simetría se generaran diferentes amplitudes en cada lado de la brecha, y debido a esta asimetría una corriente (consecuencia del campo eléctrico) circulará en la brecha afectando las mediciones. Una forma de solucionar este problema es colocar la brecha del lazo cerca del plano conductor del dispositivo bajo prueba (ver sonda tipo 2.a en la figura 3.4). A continuación se muestra en la próxima figura, cuatro tipos de sondas en forma de lazo que son utilizadas para medir campos magnéticos en el área de compatibilidad electromagnética. Figura 3.4 diferentes tipos de lazos formados por cable coaxial, utilizados para medir campos magnéticos Con el propósito de estudiar el funcionamiento de una sonda y verificar que el comportamiento de la misma es el adecuado ó esperado, primero que todo es necesario conocer de antemano cual es la respuesta que esperamos de dicha sonda al realizar una 9

18 medición. Si una sonda en forma de lazo es utilizada para medir una corriente de amplitud constante, el voltaje de salida de la sonda incrementará con una pendiente de valor constante hasta una frecuencia donde la respuesta se vuelve plana. Esto es consecuencia del filtro pasa bajos creado por la auto-inductancia del lazo y el valor de la impedancia del instrumento medidor (ver figura 3.5). [6] Output Voltage Corner frequency Frequency Figura 3.5 Relación entre frecuencia y voltaje de salida de una sonda en forma de lazo 10

19 4 DISEÑO Y HERRAMIENTAS DE EVALUACIÓN 4.1 Software utilizado para el proyecto El propósito de esta sección es mostrar al lector que tipo de software y hardware se utilizó en la realización de este proyecto y proporcionar una explicación muy breve de cómo trabajan los mismos. Para el diseño de la sonda para medir campos magnéticos en tres dimensiones (3D), se utilizaron diferentes programas como CST (Computer Simulation Technology) y ADS (Advanced Design System) mientras que en la parte de hardware se utilizo un analizador de redes y una maquina fresadora. El programa CST contiene cinco módulos diferentes, los cuales son: [7] CST Design Environment; CST Microwave Studio; CST EM Studio; CST Design Studio; CST Particle Studio. Para el diseño de la sonda, se utilizó el segundo módulo del software CST, CST microwave Studio, por esta razón tan solo profundizaremos en el funcionamiento de este modulo y no en el resto de los anteriormente mencionados. El modulo CST microwave contiene otros módulos como un transient solver, Eigenmode Solver, Frequency Domain Solver, Parámetros S resonantes, Fields Solver (conocido como análisis Modal) y el Resonant: Fast S-Parameters Solver (conocido como MOR solver) [8]. Para el diseño de la sonda fue utilizado el transient solver, porque es flexible y puede ser aplicado a la mayoría de los problemas relacionados con campos electromagnéticos. Es de gran ayuda cuando se quiere estudiar un campo, el cual se propaga a través de un componente, además de ofrecer al usuario la posibilidad de implementar señales de tiempo de formas arbitrarias. Una de las grandes ventajas del transient solver es la de representar resultados 11

20 con un ancho de banda en el dominio de la frecuencia, como por ejemplo los parámetros de dispersión S. En la figura 4.1 se muestra la apariencia del software con el que se trabajará a lo largo del proyecto, y que permitirá la realización de las diversas simulaciones necesarias para la investigación. Figura 4.1 Apariencia de Computer Simulation Technology [7] Con respecto al método de calculo utilizado por el programa encontramos que, CST esta basado en el método de FI (integración finita) en combinación con un método de aproximaciones de borde perfectas (PBA), el cual permite llenados incompletos de la malla de células. Este método proporciona un esquema de discretización espacial, el cual es aplicable a diferentes problemas electromagnéticos, comenzando desde los cálculos de campos estáticos hasta aplicaciones de altas frecuencias, ya sea en dominio del tiempo o la frecuencia. El método de FI discretiza la forma integral de las ecuaciones de Maxwell y además crea un adecuado sistema de malla, la discretización espacial de las ecuaciones de Maxwell es realizada en dos sistemas ortogonales de rejilla grid como puede apreciarse en la figura

21 Figura 4.2 Método FI (integración finita) [9] La técnica de integración finita es un método general que puede ser aplicado en un amplio rango de frecuencias (de un nivel DC a valores altos de frecuencia), lo que permitirá estudiar de mejor manera el comportamiento de los diseños de sondas realizados para el EMC escáner. Por otra parte este método puede ser reescrito en dominio del tiempo para eliminar métodos de diferencias finitas en dominio del tiempo (FDTD). El método FI junto al método de PBA sugieren una excelente aproximación geométrica y una alta velocidad de simulación, asegurando que el software es el adecuado para este tipo de proyecto. [9] El otro software que se implementó en el proyecto fue ADS (advanced design system), con el cual es posible realizar el diseño de todo tipo de líneas de transmisión. ADS permite analizar, diseñar y simular componentes y sistemas de microondas pasivos o activos. Existen dos formas de diseñar/simular en ADS [10]: Onda completa. Esquemático Para realizar cualquier tipo de cálculo ó simulación es necesario que se seleccionen los componentes de la lista de componentes y se establezcan los parámetros para la simulación, así como el número de puertos y la impedancia de los mismos [10] como puede apreciarse en la figura

22 Figura 4.3 ventana de esquemático mostrando componentes de parámetros-s requeridos Otra forma sencilla de calcular los parámetros de una línea de transmisión (coaxial, microstrip, strip, cavidades, entre otras) pero que no permite la realización de simulaciones es haciendo uso de la aplicación LineCalc en ADS. Figura 4.4 Ventana de LineCalc [10] Como se puede observar en la figura 4.4, con esta aplicación es posible obtener las dimensiones de una línea de transmisión requerida seleccionando que tipo de línea de transmisión se desea diseñar, la frecuencia de operación deseada, así como la permitividad del 14

23 material dieléctrico, el tipo de material del conductor (cobre, oro, entre otros) y las dimensiones del material disponible (como por ejemplo el grosor de la capa substrato y el grosor de la capa del conductor). 4.2 Hardware (network analyzer ó analizador de redes) El analizador de redes es un instrumento que es utilizado para analizar las propiedades de una red, es decir, las propiedades relacionadas con la transmisión y reflexión de señales eléctricas, las cuales son llamadas parámetros de dispersión ó parámetros S. En principio los analizadores de redes son utilizados en altas frecuencias, desde 9KHz hasta 110GHz, pero existen equipos que cubren valores bajos de frecuencia, hasta un 1Hz [11]. En la actualidad encontramos en el mercado internacional dos tipos de analizadores de redes que son los: escalares y vectoriales. El primero de ellos solo mide amplitudes mientras el segundo es capaz de medir amplitud y fase [11]. Para las mediciones de la sonda de campos magnéticos de este proyecto es utilizado un analizador de redes vectorial (ver figura 4.5), que puede realizar mediciones de 10MHz hasta 50GHz. Figura 4.5 Network analyzer Para el manejo adecuado de este tipo de equipos es imperativo que al inicio de cualquier medición se realice un proceso de calibración, para de esta forma asegurar la precisión de los 15

24 resultados a obtener en cualquier prueba. El uso de este equipo en el proyecto será el siguiente, en uno de los puertos se conectará el objeto bajo prueba (línea micro strip) y en el otro puerto se conectará la sonda para medir campos magnéticos; de esta forma es posible calcular el campo eléctrico y magnético proveniente del objeto bajo prueba. 4.3 Línea Micro strip (Dispositivo bajo prueba) Un último paso fundamental para la realización del proyecto es el de crear un objeto de prueba, este dispositivo debe ser capaz de radiar un campo magnético constante de forma tal que la sonda a diseñar permita medirlo. Para este proyecto una línea micro strip fue elegida, por su fácil construcción y su facilidad para ser estudiado. La línea micro strip es un tipo de línea de transmisión con una sola tira conductora en un lado del substrato dieléctrico y un solo plano de tierra en el otro lado. En general estos dispositivos son utilizados en el diseño de circuitos impresos para comunicar un lugar con otro [12]. Para el diseño de la línea micro strip, como objeto de prueba, se utilizaron los programas ADS y Line Gauge. El diseño de la línea de transmisión se muestra a continuación en la figura 4.6. Figura 4.6 Apariencia de Line Gauge para diseño de micro strip 16

25 Insertando en el software Line Gauge los siguientes parámetros: frecuencia 5 GHz; permitividad relativa 4.7 (En el proyecto se utilizó el material FR-4.); altura del substrato 0,76 mm; altura de la tira 0,035 mm; Zc 50 ohms; Longitud electrica 90 grados. Luego de insertar estos parámetros se obtienen las dimensiones físicas de la línea micro strip, el ancho de la tira y la longitud del objeto bajo prueba: Ancho de la tira 1,34 mm; Longitud 8,06 mm. Con esta información y utilizando la maquina fresadora [13], fue construida una línea micro strip de 50 Ω con un ancho de cinta de 1,34mm y una longitud de 10cm (ver figura 4.7). Figura 4.7 Línea micro strip fabricada 17

26 5 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE LA SONDA 5.1 Papel de investigación Sonda para campos magnéticos en la banda de los GHz y técnica para la mejora de la resolución El diseño de la sonda para medir campos magnéticos en tres dimensiones (3D) realizado en este trabajo, esta fundamentado en el diseño de una sonda para medir campos magnéticos (en una dirección) descrito en el artículo de investigación llamado Magnetic near-field probe for GHz band and spatial resolution improvement technique realizado por Hiroki Funato y Takashi Suga; integrantes del departamento de desarrollo electrónico y sección de diseño de Hitachi Ltd en Japón. Esta investigación describe la fabricación de dos tipos de sondas (constituidas por una línea micro strip y una línea strip respectivamente) para medir campos electromagnéticos, que poseen distintas estructuras de lazo [14]. Para el desarrollo de la presente investigación el diseño inicial de la sonda se basó en el diseño de una de estas sondas (en específico la sonda que consiste de un lazo conformado por una línea de transmisión strip) que se muestra en la figura 5.1, ya que una sonda en una línea de transmisión strip permitiría a futuro construir dos sondas en una estructura multicapas. En el trabajo realizado por Hiroki Funato y Takashi Suga se procedieron a medir los voltajes inducidos en la sonda (hasta una frecuencia de 10GHz) por campos eléctricos (VE) y campos magnéticos (VH) provenientes de la línea micro strip. La medición de VE es lograda al colocar el plano del lazo de la sonda perpendicular al conductor central del objeto bajo prueba (donde el campo magnético es mínimo), mientras que la medición de VH se logra colocando el plano del lazo de la sonda paralelo al conductor central del objeto bajo prueba (ver figura 5.2). Las dimensiones de la sonda que se muestra en el papel de investigación son [14]: línea de transmisión 50 Ω; longitud 15 mm; 18

27 ancho del conductor interno 330 μm; ancho del plano de tierra 510 μm; dimensiones del lazo 1x1 mm. Figura 5.1 Diagrama esquemático de sonda para medir campos magnéticos [14] Es importante destacar que para todas las pruebas realizadas en la investigación antes mencionada, cuyos resultados se mostrarán a continuación en la figura 5.3, la sonda para medir campos magnéticos se encontraba localizada a una altura de 1,5mm por encima del objeto bajo prueba (línea micro strip). Figura 5.2 Arreglo para medir las características de frecuencia de la sonda fabricada [14] 19

28 Figura 5.3 Características frecuenciales de voltaje inducido por VE y VH de la sonda diseñada en investigación [14] Los resultados arrojados por el experimento (ver figura 5.3) muestran las mediciones de campo eléctrico y campo magnético realizados por la sonda en un rango de frecuencia de 10GHz, con una potencia del generador de 0dBm; se puede apreciar en estos resultados que existen dos puntos resonantes en VE en 3,5GHz y 9GHz, los cuales con causados por la estructura de la sonda. También se puede notar que VE se encuentra suprimido hasta 10 db en comparación con VH en toda la banda de frecuencia, lo cual demuestra que la medición de campos eléctricos se encuentra suficientemente suprimida para no afectar de forma significativa las mediciones de campos magnéticos. 5.2 Diseño de la sonda A continuación se describen los diferentes diseños y procesos de las sondas magnéticas que se realizaron durante el proyecto. Una explicación más profunda de los diseños de las sondas y los resultados que arrojaron se encuentran descritos en el capítulo seis de este trabajo Estructura Línea strip Con laminas de substrato FR4 con un grosor de 0,5mm y 0,0175mm de grosor de cobre y con la ayuda del software line gauge, se calcularon las dimensiones de una línea strip de 50 Ω de impedancia (ver figura 5.4): 20

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