Circuitos de RF y las Comunicaciones Analógicas. Capítulo IV: La Carta de Smith en el diseño de las Redes de Acople

Transcripción

1 Capítulo IV: La Carta de Smith en el diseño de las Redes de Acople 51

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3 4. LA CARTA DE SMITH La Carta de Smith fue concebida en los años 1930 por Phillip Smith en los laboratorios BELL, quien quiso realizar un método más fácil para resolver las ecuaciones tediosas y repetitivas que frecuentemente aparecen en la teoría de R.F. 4.1 Construcción de la Carta de Smith. Considerando el circuito de la Fig. 3.1 donde se representa una fuente de RF con una impedancia Z S que se conecta a una carga Z L. En el punto de conexión se puede establecer una onda incidente V I hacia la carga y una onda reflejada V R hacia la fuente. El coeficiente de reflexión de una impedancia de carga respecto a la impedancia de la fuente puede ser encontrada por la ecuación 4.1: Fig. 4.1 Ondas incidente y reflejada En la formula normalizada (dividiendo numerador y denominador por Z L ): (4.1) (4.2) Donde es una impedancia compleja, luego No obstante, es un complejo de la forma: Substituyendo en (4.2): 53

4 (4.3) Resolviendo las partes reales e imaginaria, se obtiene: (4.4) Resolviendo (4.4) para X: (4.5) (4.6) Substituyendo (4.6) en (4.5) se obtiene: ( ) ( ) (4.7) Esta ecuación corresponde a una familia de circuitos cuyos centros están en: (4.8) A estos circuitos se les denomina CÍRCULOS DE RESISTENCIA CONSTANTE. (ver Fig. 4.2). 54

5 Fig. 4.2 Círculos de resistencia constante Similarmente, podemos eliminar R de los pasos 4 y 5, y se obtiene: ( ) ( ) (4.9) El cual representa una familia de circuitos con centro en: (4.10) A estos circuitos se les denomina CÍRCULOS DE REACTANCIA CONSTANTE. (Ver fig. 4.3). 55

6 Fig. 4.3 Círculos de reactancia constante Cuando las dos cartas anteriores se incorporan en una versión simple, nace la carta de Smith. Añadiendo otras escalas periféricas que ayudan al diseño de circuitos en R.F. tales como, la relación de onda estacionaria (SWR), el coeficiente de reflexión y las pérdidas de transmisión a lo largo de la línea de transmisión, y de esta forma se completa la carta de Smith. Ver fig

7 Fig. 4.4 Carta de Smith completa 57

8 4.2 Gráfico de valores de Impedancia Cualquier punto en la carta de Smith representa una combinación serie de resistencia y reactancia de la forma. Para graficar la impedancia, se debe encontrar en los círculos de resistencia constante y su intersección en los círculos de reactancia constante, tal como se indica en la Fig Fig. 4.5 Gráfico de impedancias: 58

9 En muchos casos los círculos no están representados para todos los valores posibles de R y de X. Es necesario interpolar las curvas tal como se indica en la Fig. 4.6 donde se representan diversos valores de impedancias con valores decimales. Fig.4.6 Gráfico de algunas impedancias sobre la Carta de SMITH. No obstante, como se aprecia en las figuras mostradas graficar valores altos no es posible. Si se quiere graficar la impedancia Z = j 150 no es posible hacerlo con precisión puesto que los círculos respectivos se encuentran en los extremos. A fin de facilitar el gráfico de grandes impedancias, se requiere el proceso de la normalización: que consiste en dividir cada impedancia por un número conveniente el cual permite su ubicación en la región medible de la carta. En el caso: Z = j 150 ohmios, se divide por 100 para obtener una impedancia normalizada:. 59

10 4.3 Manipulación De Impedancias Sobre La Carta Impedancia En Serie Si a Z = j 0.7 le añadimos en serie j 1.0 (reactancia capacitiva). Z T = j j 1.0 Z T = 0.5 j 0.3 ohm. (Representa un circuito serie RC) Ver esta transformación en la Fig Fig. 4.7 Impedancia inductiva con adición de un condensador en serie 60

11 Si a Z = j 1 le añadimos en serie + j 1.8 (reactancia inductiva). Z T = j j 0.8 Z T = j 0.8 ohm. (Representa un circuito serie RL) Ver esta transformación en la Fig Fig. 4.8 Adición en serie de un inductor a una impedancia capacitiva Conversión De Impedancia a Admitancia: La carta de Smith permite una conversión fácil entre la impedancia (Z) y su admitancia (Y): 61

12 (4.11) Donde: G es la conductancia en mhos y B es la Suceptancia en mhos. Se representan en la Fig. 4.9 Fig. 4.9 Circuitos representativos de admitancia Note que la suceptancia capacitiva es positiva y la suceptancia inductiva es negativa. Para representar de admitancias, basta rotar la carta de Smith 180 o para permitir el manejo de admitancias, en forma similar que las impedancias. Una versión de la carta de Smith muy útil es aquella que contiene la superposición de las coordenadas de impedancia con las coordenadas de admitancia, como se indica en la Fig Manipulación de admitancias sobre la carta Cuando los elementos se encuentran en paralelo sus admitancias se suman. Ejemplo: a la admitancia Y 1 = 0.2 j 0.5 mho Se le añade en paralelo un capacitor con suceptancia = + j 0.8 mho Matemáticamente: Y 2 = 0.2 j j 0.8 Y 2 = j 0.3 mho. En este caso, se trabaja con la carta rotada 180 o y se emplea un procedimiento igual al que se utilizó para manipulación de impedancia. Ver Fig Con la carta de Smith compuesta se puede manipular impedancias y admitancias: las impedancias viajan a lo largo de las coordenadas de impedancias, mientras que las admitancias viajan a lo largo de las coordenadas de admitancias. 62

13 Fig Cartas de Impedancia y Admitancia superpuestas Acoplamiento De Impedancias Sobre La Carta De Smith Para hacer más fácil el uso de la carta de Smith, las siguientes ecuaciones pueden ser usadas: Para un componente Capacitivo serie: Para un componente Inductivo serie: Para un componente Capacitivo paralelo: (4.12) (4.13) 63

14 Donde: Para un componente Inductivo paralelo: X = Reactancia leída de la carta. B = Suceptancia leída de la carta. N = Factor de normalización. (4.14) (4.15) Fig.4.11 Adición de un capacitor en paralelo. 64

15 Ejemplo 4.1: Cual es la impedancia vista desde la fuente en el circuito de la Fig. 4.12: Fig.4.12 Ejemplo 4.1 Solución: Este problema es de fácil solución con la carta de Smith. Primero se separan las ramas del circuito en forma individual tal como se muestra en la Fig Fig.4.13 Separación de en ramas individuales del ejemplo 4.1 Ver solución en forma gráfica en la Fig Aquí se puede establecer: Arco AB = L paralelo =-jb = 0.3 mho Arco BC = C serie =-jx = 1.4 ohm Arco CD = C serie = jb = 1.1 mho Arco DE = L paralelo =-jx = 0.9 ohm La impedancia en el punto E puede ser leída directamente de la carta como Z= j0.5 ohm. 65

16 Fig La carta de Smith en la solución del Ejemplo 4.1 Ejemplo 4.2: Diseñar un circuito de acoplamiento de dos elementos, sobre una carta de Smith para acoplar una fuente de 25 j 15 a una carga de 100 j25 en 60 MHz. El circuito de acople debe actuar como un filtro Pasa Bajo. Solución: La fuente se acopla con su conjugado complejo: = 25 + j 15 - Normalización: Se escoge un numero conveniente que en este caso es: N = 50 y se dividen las impedancias por este numero: Z SN = 0.5 +j 0.3 ; = 2 j

17 Estos 2 valores son fácilmente graficados en la carda de Smith: (normalizado), Fig (normalizado) y Fig Ejemplo 4.2 El cruce de los círculos, admitancia e impedancia genera el punto B. El arco AB es un condensador paralelo con valor jb = 0.73 mho y el arco BC es un inductor serie (filtro Pasa- Bajos) con valor + jx = 1.2. Por tanto: 67

18 =1.2 Desnormalizando: (multiplicando por 50): Calculando valores: X L = 60 ; X c = 68.5 El circuito final es mostrado en la Fig Fig Circuito final del Ejemplo 4.2 Ejemplo 4.3: Diseñar un circuito T que acople una impedancia de fuente de Z s = 15 + j 15 a una carga de Z L = 225 en 30 MHz y Q = 5. Solución: Previamente se requiere el gráfico del arco para Q = 5 sobre la carta del Smith. 1 er paso: normalización (escogemos N = 75): Z * s = j 0.2 Z L = 3 En este caso R L R S. A partir de c se intercepta la curva que para por c con la curva de Q = 5 y se obtiene el punto se toma la curva de las admitancias hasta 68

19 encontrar la intersección entre esta curva y la curva de impedancias que pasa por A y así se obtiene el punto B. Ver Fig Fig Ejemplo 4.3 Luego se deduce: - Elemento 1 = arco AB : L S = + j Elemento 2 = arco B : C N = j 1.15 mho - Elemento 3 = arco C : L S = j 0.8 Por tanto: 69

20 Elemento 1: Elemento 2: Elemento 3: El circuito final se muestra en la Fig Problemas propuestos: Se requiere una red de acople tal como se muestra en la Fig Fig Problema 4.1 Si y sin tener encuenta la resistencia interna de la bobina, determine el valor de empleando la Carta de Smith Emplear la carta de Smith para diseñar la red de acoplamiento de la Fig si a. Hallar L, C b. Si la corriente de entrada es, hallar la corriente en magnitud. Fig Problema Se desea acoplar una carga de en la frecuencia de 90 MHz a un cable coaxial de impedancia característica de 50 ohmios. Diseñe la red de acople para máxima transferencia de potencia, empleando la carta de SMITH y especificando el circuito de acople con sus valores correspondientes. 70