Microondas 3º ITT-ST. Tema 2: Circuitos pasivos de microondas. Pablo Luis López Espí

Transcripción

1 Microondas 3º ITT-ST Tema 2: Circuitos pasivos de microondas Pablo Luis López Espí

2 Dispositivos pasivos recíprocos 1 Dispositivos de una puerta: Conectores de microondas. Terminaciones y cargas adaptadas. Dispositivos de dos puertas: Transiciones. Atenuadores. Desfasadores. Alimentaciones y bloqueos de continua. Redes de adaptación con stubs. Dispositivos de tres puertas: Divisores/combinadores de potencia. Dispositivos de cuatro puertas: Acopladores direccionales

3 Características de los circuitos pasivos Número de puertas: cantidad de accesos de entrada y/o salida que posee un circuito de microondas. Adaptación o pérdidas de retorno (A, LR): la diferencia en db entre la potencia incidente a la entrada de un circuito de microondas y la potencia reflejada o retornada cuando el resto de las puertas están terminadas con sus impedancias de referencia. Pérdidas de inserción (LI): Relación en db entre los niveles de potencia de entrada y de salida. Cuando el circuito tiene más de dos puertas, las pérdidas de inserción se refieren a la diferencia en db entre los niveles de potencia entre la puerta de entrada y la puerta privilegiada de salida cuando el resto de las puertas están terminadas con sus impedancias de referencia. Relación de acoplamiento (C): Relación en db entre la potencia de entrada y la potencia en la salida menos privilegiada de un dispositivo de más de dos puertas cuando el resto de las puertas están terminadas con sus impedancias de referencia. Aislamiento (I): la relación en db entre la potencia a la entrada y la potencia a la salida de una puerta idealmente aislada de la entrada cuando el resto de las puertas están terminadas con sus impedancias de referencia. 2 Directividad (D): La relación en db entre la potencia a la entrada y la potencia retornada a otra entrada del circuito cuando el resto de las puertas están terminadas con sus impedancias de referencia. Pérdidas en Exceso (LE): Atenuación adicional en db sobre la atenuación nominal de reparto en un circuito divisor de potencia cuando las puertas están terminadas con su impedancia de referencia. Uniformidad: la máxima diferencia en db en la potencia de salida en cualquiera de las puertas del circuito en el ancho de banda del dispositivo.

4 Dispositivos de una puerta Conectores de microondas

5 Conectores de microondas Los conectores se emplean principalmente con líneas coaxiales o como medio de adaptación entre coaxiales y guías de onda y líneas microstrip y stripline. Las principales características que deben cumplir son mínimas pérdidas y mínimo coeficiente de reflexión. 4

6 Conectores de microondas (II) 5 Conectores de baja frecuencia: UHF, F, BNC Conectores de media y alta frecuencia: TNC, 7/16, N Conectores Subminiatura y Microminiatura: SMA, SMB, SMC SSMA, SSMB, SSMC Conectores de precisión: Conectores de 3,5 mm (2,92 mm) Conectores de 1,85 mm.

7 Conectores de microondas. UHF 6 Conector UHF: Los conectores UHF fueron inventados en los años 30 por un ingeniero de Amphenol llamado E. Clark Quackenbush. Son conectores de propósito general en el rango de 0,6 a 300 MHz. Su nombre es debido a la banda de frecuencia (Ultra High Frecuency) para la que fueron diseñados. El acoplo de estos conectores es de tipo roscado, aunque debido a que se trata de elementos de bajo coste, su impedancia es variable. Las terminaciones soldadas no requieren herramientas de ensamblaje especiales. Las terminaciones crimpadas proporcionan un método de unión de bajo coste. El tamaño de la rosca proporciona un diseño robusto. Existe un tipo llamado Mini-UHF, se trata de una versión reducida del conector. No son conectables el UHF y el Mini-UHF.

8 Conectores de microondas. UHF (II) 7 UHF y mini UHF

9 Conectores de microondas. UHF (III) 8 Impedancia (Ω) Rango de frecuencias (GHz) Tensión máxima (V rms) VSWR Pérdidas de inserción (db) Acoplo mecánico Fijación del cable Material de fabricación del cuerpo Material de fabricación del contacto Aislante Durabilidad UHF Variable MHz 300 Roscado paso 5/8-24 Soldado o atornillado y crimpado Latón, Cinc Latón. Plateado de niquel y plata TFE, estireno, poliestireno. 500 ciclos

10 Conectores de microondas. F Conector F: Los conectores F, también conocidos como conectores de video, se emplean principalmente en aplicaciones de antenas de TV y CATV. Se trata de un conector de bajo coste con valores típicos de 30 db de pérdidas de retorno a 1 GHz. Normalmente poseen impedancias de 75 Ω. El mecanismo de unión es roscado tipo 3/8-32, aunque existen versiones de presión. Típicamente emplea el conductor interno del cable coaxial como contacto macho. 9

11 Conectores de microondas. F (II) 10 Impedancia (Ω) Rango de frecuencias (GHz) Tensión máxima (V rms) VSWR Pérdidas de inserción (db) Acoplo mecánico Fijación del cable Material de fabricación del cuerpo Material de fabricación del contacto Aislante Durabilidad F 75 Ω DC Rosca 3/8-32 Crimpado Latón Be Cu. Estañado Polypropylene 100 ciclos

12 Conectores de microondas. BNC 11 Conector BNC: El acrónimo BNC proviene de Bayonet Neill Concelman, en honor del ingeniero Carl Concelman de Amphenol aunque otras fuentes refieren su origen a los términos "Bayonet Navy Connector" o "Baby Neil Connector" El conector BNC fue diseñado para uso militar, aunque su empleo se ha extendido en aplicaciones civiles hasta 2 GHz. Por encima de 4 GHz, las ranuras del conductor externo pueden provocar la radiación de la señal. El conector dispone de elementos plásticos en ambos sexos. Estos dieléctricos provocan un aumento de las pérdidas en alta frecuencia. El mecanismo de fijación es de cuarto de vuelta y el de acoplo de los conductores internos de tipo bayoneta. Pueden acoplarse en coaxiales de tipo RG-58, RG-59, RG-179 y RG-316. El acoplo al cable puede ser soldado o crimpado. El cuerpo del conector suele ser de latón niquelado. El aislante dieléctrico empleado es el teflón y los contactos metálicos suelen incorporar baños de plata u oro. Las impedancias nominales son de 50 o 75 Ω. Los conectores con diferentes valores de impedancia son conectables entre sí.

13 Conectores de microondas. BNC (II) 12 Impedancia (Ω) Rango de frecuencias (GHz) Tensión máxima (V rms) VSWR Pérdidas de inserción (db) Acoplo mecánico Fijación del cable Material de fabricación del cuerpo Material de fabricación del contacto Aislante BNC 50 DC (Rectos) 1.35 (90º) 0.2 db min at 3 GHz Bayoneta y cuarto de vuelta Crimpado o soldado Latón, Cinc con acabado de níquel. Latón, cobre-berilio o bronce con acabado de niquel TFE BNC 75 DC f(GHz) (Rectos) f(GHz) (90º) Bayoneta y cuarto de vuelta Crimpado Latón, Cinc con acabado de níquel. Latón, cobre-berilio con acabado de niquel, plata u oro TFE Durabilidad 500 ciclos 500 ciclos

14 Conectores de microondas. BNC (III) Conector BNC: Hembra Macho 13 Despiece

15 14 Conectores de microondas. BNC (IV)

16 Conectores de microondas. TNC. Conector TNC: Es una versión roscada del conector BNC que permite el funcionamiento hasta 12 GHz. Resuelve los problemas de radiación y de estabilidad geométrica del BNC. Fue desarrollado al final de la década de Su nombre proviene de Threaded Neill Concelman en mención al ingeniero de Amphenol Carl Concelman. Los conectores TNC son del tipo miniatura, roscados y resistentes al agua y la humedad. Poseen una impedancia característica de 50 Ω y su rango de frecuencias de operación va desde 0 hasta 11 GHz. 15

17 Conectores de microondas. TNC (II). 16 Impedancia (Ω) Rango de frecuencias (GHz) Tensión máxima (V rms) VSWR Pérdidas de inserción (db) Acoplo mecánico Fijación del cable Material de fabricación del cuerpo Material de fabricación del contacto Aislante Durabilidad TNC 50 DC a 4 GHz (rectos) 1.35 (90º) GHz Roscado 7/16 Crimpado Latón con acabado de níquel Latón, Be Cu con acabados de níquel, plata u oro Tefón, TFE 500

18 Conectores de microondas. 7/ Conector 7/16: El nombre 7/16 proviene de las dimensiones métricas del conector: 7 mm de grosor del contacto interno, y 16 mm de diámetro interior del conductor externo. Las normas alemanas DIN (Deutsh Industries Norm) recogen la definición de estos conectores. Los conectores 7/16 se han diseñado para aplicaciones de media y alta potencia El rango de frecuencias de trabajo se extiende desde DC hasta 7 GHz. El tamaño de la rosca empleado permite manejar altos niveles de potencia a la vez que mantiene un valor reducido de SWR. Poseen una junta interna de goma que protege las conexiones frente al polvo y la humedad. Los contactos metálicos internos se bañan de plata y el cuerpo del conector de bronce, de manera que mejora la conductividad y ofrece una alta resistencia a la corrosión. La unión del coaxial se realiza mediante crimpado mediante herramientas sencillas.

19 Conectores de microondas. 7/16 (II). Conector 7/16: 18

20 Conectores de microondas. 7/16 (III). 19 Impedancia (Ω) Rango de frecuencias (GHz) Tensión máxima (V rms) VSWR Pérdidas de inserción (db) Acoplo mecánico Fijación del cable Material de fabricación del cuerpo Material de fabricación del contacto Aislante Durabilidad 7/16 50 Ω DC vrms GHz Roscado M29x1.5 Latón con acabado en plata o bronce Be Cu con acabado de plata PTFE

21 Conectores de microondas. N. 20 Conector N: El conector toma su nombre por Paul Nelly, de los Laboratorios Bell, que fue el desarrollador del mismo en los años 40 para aplicaciones militares (Navy, que según otras fuentes es el origen del nombre del conector) que operaban por debajo de 4 GHz. Fue el primer verdadero conector de microondas. El conector fue desarrollado para proporcionar un elemento de mediano tamaño, duradero y resistente a la humedad y con un funcionamiento adecuado hasta 11 GHz. En la década de 1960 se introdujeron algunas mejoras que posibilitaron su empleo hasta 12 GHz y después se realizó una versión mejorada hasta 18 GHz por Hewlett Packard, Kings, Amphenol y otros que eliminaban las ranuras del conductor externo.existen dos versiones, la básica para cable coaxial (Standard) y la corrugada. Incluso los mejores conectores tipo N comienzan a funcionar de manera deficiente en torno a 20 GHz.

22 Conectores de microondas. N (II). 21 Conector N: El conector N posee una junta interna para sellar el conector frente a la humedad, a la vez que su mecanismo de apriete roscado le confiere una elevada protección. Existe un gap de aire entre el conductor central y el conductor externo. Permiten coaxiales de tamaños medio a miniatura como RG-8, 58, 141, 142, 225 Y 316. Los conectores N siguen el estándar militar estadounidense MIL-C Existe una versión de 75 Ω, con un conductor central reducido de amplia utilización en la industria de la TV por cable. La conexión entre conectores N de diferentes impedancias características (50-75 Ω) es destructiva debido a las diferencias de grosor entre los conductores internos de los machos y hembras.

23 Conectores de microondas. N (III). Impedancia (Ω) Rango de frecuencias (GHz) Tensión máxima (V rms) VSWR /Pérdidas de retorno N Estándar 50 DC RG-142: 1,20 de 0-5 GHz y 1,50 de 5-11 GHz RG-58: 1,30 de 0-5 GHz y 1,70 de 5-11 GHz RG-316: 1,20 de 0-2 GHz y 1,50 de 2-11 GHz N corrugado 50 Ω DC GHz db (1-2 GHz) 28 db (2-3 GHz) 22 Pérdidas de inserción (db) 0.15 a 10 GHz.05 frequency GHz

24 Conectores de microondas. N (IV). Acoplo mecánico Fijación del cable Material de fabricación del cuerpo Material de fabricación del contacto N Estándar 5/8-24 roscado Crimpado del externo y soldadura del interno. Latón acabado en niquel o plata Latón, acabado en oro o plata. Contactos de bronce o cobre-berilio N corrugado 5/8-24 roscado Presión del externo y soldadura del interno Latón acabado en niquel o plata Cu - Be con acabado de oro 23 Aislante Durabilidad TFE 500 ciclos (12 ciclos/min) TFE 500 ciclos (12 ciclos/min)

25 24 Conectores de microondas. N (V).

26 Conectores de microondas. Subminiatura 25 Los conectores en miniatura (SM) están recomendados en aplicaciones con reducido número de interconexiones. Los conectores SMA se emplean habitualmente en sistemas militares de alto rendimiento y equipos de prueba donde se requiere un tamaño reducido. Funcionan hasta unos 18 GHz, aunque existen versiones hasta 26,5 GHz. El conector SMC también es de tipo subminiatura y roscado, al igual que el SMA, pero a partir de 10 GHz, su funcionamiento resulta menos adecuado. A diferencia del SMA, carece de juntas de unión en el interface. Los conectores SMB son una versión del conector SMC con mecanismo de fijación a presión que permiten un funcionamiento hasta 4 GHz. Fue desarrollado en los años 60 como alternativa al conector SMA. Existen versiones de 50 y 75 ohm.

27 Conectores de microondas. Microminiatura Son una versión a escala de los conectores SM: El conector SSMA es una versión de tamaño reduciro del SMA. Emplea igualmente un mecanismo de fijación roscado Su frecuencia de funcionamiento llega hasta 36 GHz Deben apretarse y aflojarse con herramientas adecuadas para evitar su daño. El conector SSMB también es de tipo microminiatura. El acoplo es de tipo fijación y ajuste a presión. Su tamaño es aproximadamente la tercera parte del SMB. Permite un funcionamiento hasta 12,4 GHz. 26

28 Conectores de microondas. SMA 27 SMA El acrónimo del conector SMA responde a SubMiniature version A. Fue diseñado en los años 60 por la corporación Bendix Cintilla y es uno de los conectores más comúnmente empleados. Está diseñado para su uso en cables semi-rígidos y en componentes que no se conectan con frecuencia. Lleva el dieléctrico del cable directamente hasta el interface sin que existan gaps de aire. El diseño básico utiliza un diámetro de coaxial externo de 4,2 mm, relleno con dieléctrico tipo PTFE Son compatibles con gran variedad de cables coaxiales (diámetros de 0,085 y 0,141 ): RG-55, 58, 122, 141, 142, 174, 188, 223, 303 y El mecanismo de fijación es roscado tipo ¼ Los conectores SMA son de semi-precisión y su margen de funcionamiento llega hasta los 18 GHz.

29 Conectores de microondas. SMA (II) 28 SMA Algunos fabricantes (Amphenol, Jonson, M/A-Com, etc) han realizado versiones mejoradas del conector, especialmente en el anclaje del dieléctrico, que permiten su funcionamiento hasta 26,5 GHz. Existen además otros conectores, que pueden operar a frecuencias superiores a 26,5 GHz, diseñados para ser compatibles con las dimensiones del SMA aunque realmente siguen otros estándar de funcionamiento. Estos conectores de precisión, también llamados a veces SMA de precisión, reciben nombres como 3,5 mm, 2,92 mm, APC-3.5, WSMA, o K.

30 29 Conectores de microondas. SMA (III)

31 30 Conectores de microondas. SMA (IV)

32 Conectores de microondas. SMB Una versión de fijación a presión basada en el SMA 31

33 32 Conectores de microondas. SMB (II)

34 Conectores de microondas. SMC SMC El nombre proviene de SubMiniature C (el tercer diseño subminiatura). Fue un diseño de los años Es de acoplo roscado en paso Escasa utilización. Se ideó como una versión reducida del SMA Existen versiones de 50 y de 75 Ω 33

35 34 Conectores de microondas. SMC (II)

36 Conectores de microondas. SMA de precisión Comparten entre sí y con el conector SMA las dimensiones fisicas. K es un nombre registrado por Anritsu para funcionamiento hasta 40 GHz. Hasta ciclos de conexión. Los conectores de 3,5 mm están diseñados para el rango de frecuencias hasta 34 GHz. Los conectores de 2,92 mm tambien son compatibles dimensionalmente con el SMA. Operan hasta 50 GHz. 35

37 Conectores de microondas. SMA de precisión (II) Cuando se conectan, las características de la unión son las del peor de los tipos 36

38 Conectores de microondas. 1,85 mm 37 1,85 mm El conector de 1,85 mm fue desarrollado a mediados de la década de 1980 por HP para lograr un funcionamiento hasta 65 GHz. La patente del diseño fue liberada en 1988 para permitir su estandarización. V: El conector V fue desarrollado por Anritsu para operar hasta frecuencias de 65 GHz. Emplea una geometría de 1,85 mm recogida por la IEC (Internacional Electrotechnical Comisión). Es conectable con los conectores comerciales de 2,4 mm. El conector V mejora las prestaciones del conector de 2,4 mm debido al mejor alineamiento de la unión y a la menor fuerza necesaria para su correcto ajuste.

39 Conectores de microondas. 1,85 mm (II) 38

40 Conectores de microondas. APC 39 También son ampliamente utilizados los conectores APC fabricados por Amphenol Corporation. Se trata de conectores de precisión en tamaños de 7, 3,5 y 2,4 mm. El de 7 mm, que muestra la figura, es el más popular y opera correctamente hasta 18 GHz. La versión de 3,5 mm es compatible con el conector SMA. Su diseño es más robusto y permite señales de hasta 34 GHz. El modelo de 2,4 mm funciona hasta 50 GHz. En 1988 Hewlett-Packard liberó un diseño de 1,85 mm que opera hasta 65 GHz. APC 7

41 Conectores de microondas. APC (II) mm connector (male) 1.85 mm connector (male)

42 Conectores de microondas. APC (III) APC 2,4 41

43 Conectores de microondas. APC (III) 3.5 mm connector (male) 2.92 mm connector (male) 42

44 Conectores de microondas. APC (IV) APC 3,5 43

45 Conectores de microondas. APC (VI) APC 7 44

46 45 Conectores de microondas. Potencia

47 46 Conectores de microondas

48 47 Conectores de microondas. Crimpado

49 48 Conectores de microondas. Roscado

50 Conectores de microondas. Referencias

51 Dispositivos de una puerta Terminaciones y cargas adaptadas

52 Cargas Adaptadas para coaxial Las cargas adaptadas se dividen en dos tipos fundamentales: De carácter resistivo. Existe un elemento concentrado resistivo. Típicas de cable coaxial. Grosor del hilo de un coaxial Longitud mucho menor que la longitud de onda. 51 Profundidad de penetración menor que el grosor de la lámina

53 Cargas Adaptadas para coaxial (II) 52 Líneas con pérdidas de impedancia característica variable ("Tapered loads"). Típicas de guías de onda.

54 Cargas adaptadas para coaxial (III) El parámetro que indica la calidad de la carga es el coeficiente de reflexión o la ROE que presenta a su entrada. Las cargas se eligen según su impedancia y potencia a disipar. El ancho de banda está limitado por el elemento resistivo y el conector empleado. 53

55 Cargas adaptadas para coaxial (IV) 54 Carga de alta potencia con conector SMA Cargas de media potencia con conectores N

56 Cargas Adaptadas para guía de onda Las cargas adaptadas para guías de onda pueden ser de dos tipos: De variación del material suave ("tapered loads") Estas cargas se fabrican introduciendo un cono de material de elevada. La ROE es bastante reducida (menor de 1,04) si la longitud L1 es varias veces mayor que la longitud de onda en la guía. La segunda carga permite disipar mayor potencia puesto que tiene mayor superficie en contacto con las paredes de la guiaonda. El ancho de banda relativo de estas cargas de variación suave está en torno al 40 %. 55

57 Cargas Adaptadas para guía de onda (II) De variación del material abrupta. Su tamaño es del orden de media longitud de onda. Un inconveniente que presentan es el menor ancho de banda relativo, del orden del 10%. L1 hace de transformador λ/4. 56

58 Cargas Adaptadas para guía de onda (III) Características típicas. El ancho de banda está limitado por el mecanismo de adaptación, pero fundamentalmente por la sección transversal de guiaonda empleada. 57

59 Cargas Adaptadas para guía de onda (IV) Carga de alta potencia Carga de media potencia Carga con variación de material suave y detalle del material interior

60 Cortocircuitos variables Para cable coaxial y guías de onda, los cortocircuitos se realizan terminando la línea o la guía con una placa de material conductora. Garantizan un valor de SWR mínimo, por ejemplo 100:1 59