CAMPOS Y ONDAS EN TELECOMUNICACIÓN

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1 CAMPOS Y ONDAS EN TELECOMUNICACIÓN Guía de Aprendizaje Información al estudiante 1. Datos Descriptivos Asignatura Materia Departamento responsable Campos y Ondas en Telecomunicación M7. Sistemas de transmisión Electromagnetismo y Teoría de Circuitos Créditos ECTS 4.5 Carácter Titulación Curso Especialidad Obligatoria Graduado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación Segundo N/A Curso académico Semestre en que se imparte Idioma en que se imparte Segundo semestre (Febrero a Junio) Español Página Web

2 2. Profesorado NOMBRE Y APELLIDO DESPACHO Correo electrónico Jaime Esteban Marzo B-420 jesteban@etc.upm.es Miguel Ángel González de Aza (Coord.) B-421 Der mag@etc.upm.es Manuel Lambea Olgado Jesús Mª Rebollar Machain B-419 manu@etc.upm.es B-411 jmrm@etc.upm.es 3. Conocimientos previos requeridos para poder seguir con normalidad la asignatura Asignaturas superadas Otros resultados de aprendizaje necesarios N/A Conceptos de Circuitos Eléctricos. Operaciones Básicas con expresiones complejas tanto escalares como vectoriales. Sistemas Lineales y relacionadas. Conceptos básicos de modulaciones. Funciones y Transformadas Conocimiento y capacidad de razonar y resolver problemas de campo eléctrico estático y de campo magnético estacionario a partir de las leyes básicas del electromagnetismo. Comprensión y dominio de los conceptos básicos circuitales obtenidos desde las ecuaciones de Maxwell: Resistencia, Conductancia, Capacidad, Inductancia, e Inducción mutua.

3 4. Objetivos de Aprendizaje COMPETENCIAS ASIGNADAS A LA ASIGNATURA Y SU NIVEL DE ADQUISICIÓN Código Competencia Nivel CG2 CG4 CG5 CG9 CG12 Todas las asignaturas del Plan de Estudios contribuyen en mayor o menor medida a la consecución de las Competencias Generales del perfil de egreso. No obstante se considera que COTE contribuye de forma específica a: - CG2 Saber aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y poseer las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio. - CG4. Transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado. - CG5. Desarrollo de habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía. - CG9. Uso de Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones. - CG12. Organización y planificación. 1 CECT4 Capacidad de analizar y especificar los parámetros fundamentales de un sistema de comunicaciones. 2 CECT5 Capacidad para evaluar las ventajas e inconvenientes de diferentes alternativas tecnológicas de despliegue o implementación de sistemas de comunicaciones, desde el punto de vista del espacio de la señal, las perturbaciones y el ruido y los sistemas de modulación analógica y digital. 2 CECT8 Conocimiento cualitativo y cuantitativo de los mecanismos básicos del fenómeno de propagación de ondas electromagnéticas y su interacción con obstáculos, tanto en el espacio libre con en los sistemas de guiado más simples. 3 LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Básico Nivel de adquisición 2: Medio Nivel de adquisición 3: Avanzado

4 RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA Código Resultado de aprendizaje Competencias asociadas Nivel de adquisición RA1 Conocer la descripción matemática del modelo macroscópico de los medios materiales. Conocer y manejar las expresiones que gobiernan la energía electromagnética y su transferencia: transmisión y pérdidas. CECT8 CG2 CG5 3 Conocer las propiedades de la Onda Plana Homogénea (OPH) y sus características transmitiendo energía. RA2 Comprender el fenómeno de la Polarización de las ondas y su importancia en Telecomunicación. CECT5 CECT8 3 CG2 CG5 Comprender los conceptos físicos asociados a las distintas velocidades de propagación y sus consecuencias en la transmisión de señales: distorsión y retardo. RA3 Comprender los conceptos asociados a la reflexión y transmisión (coeficiente de reflexión ( ) y transmisión (τ), impedancia de onda (Z) y diagrama de onda estacionaria (DOE)). Comprender los fenómenos de transmisión de energía. CECT8 CG2 CG5 3 RA4 Manejar los conceptos anteriores para la resolución de problemas de medios estratificados. Asimilar el concepto de adaptación. CECT8 CG4 CG9 CG12 3

5 RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA Asimilar el concepto de reflexión total en la incidencia normal sobre un conductor ideal. Asimilar el concepto de la incidencia normal sobre un conductor real. RA5 Asimilar la aproximación de Leontovich y el concepto de impedancia superficial en un conductor real. CECT8 CG5 3 Asimilar la definición de impedancia de cuadro. Entender la generalización y uso del concepto de impedancia de cuadro en conductores con otras geometrías. Conocer la existencia de las líneas de transmisión y comprender y asimilar el concepto de modo TEM. Comprender los conceptos de onda de tensión y corriente a partir del campo electromagnético. Manejar la línea de transmisión y su descripción mediante diferentes parámetros. RA6 Comprender la representación mediante circuito equivalente para la línea corta y sus limitaciones. Adquirir capacidad para estimar las pérdidas en los conductores. CECT4 CECT5 CECT8 3 Asimilar el concepto de cuasi TEM (q- TEM) y sus limitaciones. CG4 CG9 CG12 Aplicar los conceptos de:, τ, Z, DOE, y adaptación de impedancias en el análisis de la conexión de líneas de transmisión. Comprender los efectos de las reflexiones producidas por las desadaptaciones de impedancia en la transmisión de señales. LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Conocimiento Nivel de adquisición 2: Comprensión/Aplicación Nivel de adquisición 3: Análisis/Síntesis/Implementación

6 5. Sistema de evaluación de la asignatura INDICADORES DE LOGRO Ref I1 I2 Indicador Capacidad de describir física y matemáticamente las características electromagnéticas de los diferentes tipos de medios materiales a nivel macroscópico: permitividad, permeabilidad, conductividad. Comprender las características de los medios lineales sin/con dispersión temporal y su relación con las pérdidas en dichos medios. Manejar diferentes situaciones/geometrías en las que se calculen valores/expresiones de energía electromagnética almacenada y perdida, así como la determinación de los flujos de energía electromagnética. Relacionado con RA RA1 RA1 I3 I4 I5 I6 Capacidad de escribir, reconocer y manipular las expresiones que describen la Onda Plana Homogénea (OPH) y calcular sus características de propagación y transmisión de energía. Conocer y comprender el fenómeno de la Polarización de las ondas. Describir y manipular las expresiones que definen las diferentes polarizaciones: lineal, circular y elíptica, y su sentido de giro. Comprender el significado de las distintas velocidades de propagación y conocer sus expresiones. Capacidad para describir y calcular los fenómenos asociados a la incidencia normal de OPH: Ondas reflejada y transmitida, onda estacionaria, coeficientes de reflexión y transmisión, impedancia de onda y diagrama de onda estacionaria. Comprender y calcular la transmisión de energía electromagnética en estas situaciones. Capacidad para calcular la distribución del campo electromagnético y la transmisión de potencia en situaciones con diversos medios dieléctricos estratificados. Manejar el concepto de adaptación mediante láminas dieléctricas. RA1, RA2 RA2 RA1, RA2, RA3 RA1, RA2, RA3,RA4

7 Ref I7 INDICADORES DE LOGRO Indicador Conocer el cálculo de la reflexión total en la incidencia normal sobre un conductor ideal. Conocer el cálculo la incidencia normal sobre un conductor real. Relacionado con RA RA3, RA5 I8 Conocer y asimilar la aproximación de Leontovich para describir el comportamiento del campo electromagnético. en los conductores, sea cual fuere su forma. Comprender y manejar el concepto de impedancia superficial en un conductor real y el de impedancia de cuadro. Conocer y manejar el concepto de impedancia de cuadro en conductores con otras geometrías, y en particular en el hilo cilíndrico. RA3, RA5 I9 I10 I11 I12 I13 Asimilar el concepto de modo TEM y la línea de transmisión y saber de la existencia de otras familias modales. Comprender los conceptos de onda de tensión y corriente a partir del campo electromagnético. Manejar la línea de transmisión y su descripción mediante diferentes parámetros. Comprender la representación mediante circuito equivalente para la línea corta y sus limitaciones. Ser capaz de estimar las pérdidas en los conductores. Asimilar el concepto de modo q-tem y sus limitaciones. Aplicar los conceptos de:, Z, DOE, en el análisis de la conexión de líneas de transmisión de diferentes impedancias características y realizar la adaptación de impedancias. Comprender los efectos de las reflexiones producidas por las desadaptaciones de impedancia en la transmisión de señales. RA6 RA5,RA6 RA6 RA4,RA6 RA4,RA6

8 EVALUACION SUMATIVA Breve descripción de las actividades evaluables Momento Lugar Entrega de ejercicios resueltos y/o realización de test en Moodle Peso en la calif. Entregas/test Aulas/Moodle 50% Examen Final Fecha oficial Aulas 50% Total: 100%

9 CRITERIOS DE CALIFICACIÓN En convocatoria ordinaria los alumnos serán evaluados, en principio, mediante evaluación continua. En cumplimiento de la Normativa de Evaluación de la Universidad Politécnica de Madrid, los alumnos que lo deseen serán evaluados mediante una única prueba final, siempre y cuando lo comuniquen al Director del Departamento de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos mediante solicitud presentada en el registro de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación antes del día 30 de abril de La presentación de este escrito supondrá la renuncia a la evaluación continua. En convocatoria extraordinaria los alumnos serán evaluados mediante una única prueba. La asignatura se aprobará cuando se obtenga una calificación mayor o igual a 5 puntos (50%) sobre un total de 10 puntos (100%). La evaluación continua se realizará de la siguiente manera: La nota final se obtendrá mediante la suma de las calificaciones correspondientes a los dos bloques de actividades de evaluación, con los siguientes pesos: Entrega periódica, y en las sesiones en grupo, de ejercicios y test: 50%. Examen final: 50%. La nota resultado de los ejercicios de evaluación continua será: Directamente proporcional a la fracción de ejercicios realizados y entregados, en tiempo y forma, sobre el número total de ejercicios propuestos, siempre y cuando se hayan entregado, en tiempo y forma, al menos el 75% de los ejercicios propuestos. 0 puntos cuando se hayan entregado, en tiempo y forma, menos del 75% de los ejercicios propuestos. Los ejercicios de evaluación continua incluirán problemas a resolver, redacción y esquematización de contenidos, así como test a realizar sobre la plataforma Moodle. Las entregas se presentarán manuscritas, en un mismo cuaderno de hojas no separables que se devolverá al alumno tras su visado. El contenido de los ejercicios de los exámenes (final en evaluación continua, o prueba única en convocatoria extraordinaria) será fundamentalmente práctico (resolución de ejercicios), aunque puede incluir algunas cuestiones cortas, de carácter más teórico, referidas a conceptos básicos. Todos los ejercicios que se realicen deben ser fruto del trabajo personal del alumno, aunque en evaluación continua no se penalizará la discusión y el trabajo en grupo, si eso ayuda a entender mejor los problemas que se intentan resolver. El plagio total o parcial de entregas, o de ejercicios en el examen final, supondrá el suspenso en la asignatura.

10 6. Contenidos y Actividades de Aprendizaje CONTENIDOS ESPECÍFICOS Bloque / Tema / Capítulo Tema 1: Introducción a la Electrodinámica. Transferencia de Energía Electromagnética Tema 2: Ondas Planas Homogéneas. Polarización. Apartado 1.1 Modelo matemático de la electrodinámica en el tiempo y la frecuencia. 1.2 Relaciones constitutivas. 1.3 Teorema de Conservación de la Energía. Vector de Poynting. Energía en Electrodinámica. 1.4 Régimen Monocromático. Valores medios. 2.1 Solución de la ecuación de onda. Onda Plana Homogénea (OPH). 2.2 Características de los campos de la Onda Plana Homogénea: variación con z, relación entre campo eléctrico y campo magnético. Impedancia de la OPH, Constante de propagación. 2.3 Ondas Planas Homogéneas Monocromáticas (OPHM): Potencia transmitida, atenuación, longitud de onda, velocidad de fase, dispersión. 2.4 Polarización de la OPHM: Lineal, Circular, Elíptica. Relación Axial. Polarización Positiva y Negativa Indicadores Relacionados I1 I1 I2 I2 I3 I3 I3 I3-I4 Tema 3: Incidencia Normal de Ondas Planas Homogéneas. 2.5 Velocidad de grupo. Retardo. Distorsión. 3.1 Incidencia normal sobre obstáculo plano de la OPH: Onda incidente, reflejada y transmitida. Onda Estacionaria. 3.2 Coeficientes de reflexión ( ) y transmisión (τ). Campos en función de ambos coeficientes. 3.3 Diagrama de onda estacionaria (DOE); coeficiente de onda estacionaria (COE). Impedancia de onda (Z). Continuidad de Z en las discontinuidades. 3.4 Balance energético del problema. I4 I5 I5 I5 I5

11 Bloque / Tema / Capítulo CONTENIDOS ESPECÍFICOS Apartado 3.5 Incidencia normal sobre el problema de los tres medios. Fórmula del traslado de impedancias. Propiedades de las láminas dieléctricas en /2 y en / Eliminación de la reflexión: Adaptación. 3.7 Incidencia normal sobre N medios estratificados. Utilización de la fórmula de traslado de impedancias. 3.8 Incidencia normal de OPH sobre un medio conductor perfecto. Indicadores Relacionados I6 I6 I6 I7 Tema 4: Campos en Conductores. Efecto Pelicular. Tema 5: Comunicación por soporte físico: Líneas de Transmisión. 4.1 Incidencia normal de OPH sobre un medio conductor real. Balance energético: Potencia disipada en el conductor. Definición del elemento de unidad de longitud y anchura: Diferencia de potencial y corriente de dicho elemento. Impedancia de cuadro. 4.2 Campos en el conductor: Efecto Pelicular, Condiciones de Leontovich: Concepto de Impedancia superficial. 4.3 Impedancia interna del hilo conductor de sección arbitraria. Ejemplo: Hilo cilíndrico 5.1 Introducción: Modo TEM y existencia de otros modos. Líneas de transmisión básicas. Soluciones TEM guiadas. Modos q-tem. Definición de las ondas de tensión y corriente. Impedancia Característica. Constante de propagación. Comentarios a q-tem 5.2 Potencia transmitida. Circuito equivalente: realización en T. Aproximación de línea corta. Energías almacenadas y pérdidas en dieléctricos y en conductores. 5.3 Ejemplos de líneas de transmisión: Cable coaxial y Línea bifilar. 5.4 Los circuitos impresos: líneas planares. Línea microstrip y otras. Modelo simple de I7 I8 I8 I9 I10 I10 I11

12 CONTENIDOS ESPECÍFICOS Bloque / Tema / Capítulo dispersión. Apartado Indicadores Relacionados 5.5 Reflexiones en TEM Uso de los conceptos de coeficiente de reflexión e impedancia característica en líneas de transmisión. Líneas en /2 y en /4. Adaptación. I12-I13

13 Breve descripción de las modalidades organizativas utilizadas y de los métodos de enseñanza empleados CLASES DE TEORIA CLASES DE PROBLEMAS PRÁCTICAS TRABAJOS AUTONOMOS TRABAJOS EN GRUPO TUTORÍAS Lección Magistral para la exposición verbal de los contenidos, apoyándose en recursos audiovisuales y multimedia. Se resolverán en clase problemas tipo de cada tema que servirán para aplicar los conocimientos adquiridos en las clases de teoría. El profesor propondrá ejercicios que el estudiante deberá realizar individualmente y posteriormente se resolverán en clase. No se aplica Los alumnos deberán realizar (individualmente) ejercicios y problemas para practicar y afianzar los conocimientos aprendidos. Los profesores podrán corregir estos trabajos para evaluar el esfuerzo de cada estudiante. Los alumnos deberán realizar (en grupo) ejercicios y problemas para practicar y afianzar los conocimientos aprendidos. Los alumnos podrán hacer uso de tutorías personalizadas y en grupo, cuando lo soliciten al profesor y dentro de horarios previamente establecidos.

14 14 7. Recursos didácticos V.V. Nikolski, "Electrodinámica y propagación de ondas de radio", Editorial URSS, S. Ramo, J.R. Whinnery, T. Van Duzer, "Fields and waves in communication electronics", John Wiley & Sons, Third Edition, C.T.A. Johnk, "Teoría Electromagnética", Limusa, J.D. Kraus, "Electromagnetismo", McGraw-Hill, 1986 C.R. Paul, "Transmission Lines in Digital and Analog Electronic Systems: Signal Integrity and Crosstalk", John Wiley and Sons, Inc., C.W. Davidson, Transmission lines for communications, MacMillan, David K. Cheng, Fundamentos de electromagnetismo para ingeniería, Addison-Wesley Iberoamericana, BIBLIOGRAFÍA L.Solymar, "Lectures on electromagnetic theory", Oxford University Press, H.A. Haus, J.R. Melcher, "Electromagnetic fields and energy", Prentice-Hall, C. Camacho Peñalosa, J.E. Page de la Vega, "Ecuaciones y relaciones energéticas de la electrodinámica", "Ondas Planas", "Ondas Guiadas". "Problemas de Campos Electromagnéticos", Servicio de Publicaciones, E.T.S.I. de Telecomunicación, Universidad Politécnica de Madrid. Formato electrónico puesto a disposición de los estudiantes. "Problemas de Campos y Ondas en Telecomunicación", Departamento de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos. E.T.S.I. de Telecomunicación, Universidad Politécnica de Madrid. Formato electrónico puesto a disposición de los estudiantes.

15 15 RECURSOS WEB EQUIPAMIENTO Página web del departamento de ETC: Moodle de la asignatura en Aulas: designadas por Jefatura de Estudios con cañón de proyección

16 8. Cronograma de trabajo de la asignatura Semana Actividades en Aula Actividades en Laboratorio Trabajo Individual Trabajo en Grupo Actividades de Evaluación Otros Semana 1 Presentación de la Asignatura Tema 1. Introducción a la Electrodinámica. Transferencia de Energía Electromagnética ( 3 horas) Preparación 1ª entrega ( 1 hora) Semana 2 Tema 1. Introducción a la Electrodinámica. Transferencia de Energía Electromagnética ( 3 horas) problemas (3 horas) Preparación 1ª entrega ( 1 hora) Semana 3 Tema 1. Introducción a la Electrodinámica.Transferen cia de Energía Electromagnética ( 3 horas) Preparación 1ª entrega Semana 4 Tema 2. Ondas Planas Homogéneas. Polarización. ( 3 horas) problemas (3 horas) Preparación 2ª entrega Semana 5 (8 h 30') Tema 2. Ondas Planas Homogéneas. Polarización. ( 3 horas) Preparación 2ª entrega Actividad programada: ( 1h 30 ) (3 de marzo) 16

17 Semana Actividades en Aula Actividades en Laboratorio Trabajo Individual Trabajo en Grupo Actividades de Evaluación Otros Semana 6 (7 horas ) Semana 7 Semana 8 Semana 9 Semana 10 Tema 2. Ondas Planas Homogéneas. Polarización. ( 2 horas) Tema 3.Incidencia Normal de Ondas Planas Homogéneas ( 1 hora) Tema 3.Incidencia Normal de Ondas Planas Homogéneas ( 3 horas) Tema 3.Incidencia Normal de Ondas Planas Homogéneas ( 3 horas) Tema 3.Incidencia Normal de Ondas Planas Homogéneas ( 3 horas) Tema 3.Incidencia Normal de Ondas Planas Homogéneas ( 1 hora) Tema 4. Campos en Conductores. Efecto Pelicular. ( 2 horas) Preparación 2ª entrega ( 1 hora) Preparación 3ª entrega Preparación 3ª entrega Preparación 3ª entrega Preparación 4ª entrega 17

18 Semana Actividades en Aula Actividades en Laboratorio Trabajo Individual Trabajo en Grupo Actividades de Evaluación Otros Semana 11 Tema 4. Campos en Conductores. Efecto Pelicular. ( 3 horas) Preparación 4ª entrega Semana 12 Tema 5. Comunicación por soporte físico: Líneas de Transmisión. ( 3 horas) Preparación 4ª entrega ( 1 hora) Semana 13 (8h 30') Tema 5. Comunicación por soporte físico: Líneas de Transmisión. ( 3 horas) Preparación 5ª entrega Actividad programada: ( 1h 30 ) (5 de mayo) Semana 14 Tema 5. Comunicación por soporte físico: Líneas de Transmisión. ( 3 horas) problemas ( 3 horas Preparación 5ª entrega Semana 15 Tema 5. Comunicación por soporte físico: Líneas de Transmisión. ( 3 horas) Preparación 5ª entrega PREPARACIÓN Y REALIZACIÓN DE EXAMEN FINAL (14 horas) 18

19 19 Observaciones: 1: Para cada actividad se especifica la dedicación en horas que implica para el alumno. 2: Las semanas reseñadas lo son de docencia efectiva (no las semanas de calendario). 3: Para cada actividad se especifica la dedicación en horas que implica para el alumno. Se estiman 27 horas de dedicación del alumno por ECTS. 4: La resolución de problemas en grupo presupone una parte de trabajo individual de cada uno de los miembros del mismo.