ELECTROMAGNETISMO PARA INGENIERÍA ELECTRÓNICA. CAMPOS Y ONDAS. Ondas Electromagnéticas en medios guiados

Documentos relacionados
Prof: Bolaños D. Electrónica

CARACTERÍSTICAS EXTERNAS y REGULACIÓN de TRANSFORMADORES

APLICACIONES DE LAS ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS DE PRIMER ORDEN A PROBLEMAS QUE INVOLUCRAN A LA RECTA TANGENTE Y LA RECTA NORMAL

I. E. S. ATENEA. SAN SEBASTIÁN DE LOS REYES EXAMEN PARCIAL. PRIMERA EVALUACIÓN. ANÁLISIS

ANÁLISIS DEL AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN

Capítulo V CONDICIONES DE FRONTERA Y MODELAMIENTO NUMÉRICO EN ECUACIONES DIFERENCIALES

Sistemas de control: Elementos componentes, variables, función de transferencia y diagrama funcional.

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL PROBLEMARIO DE CALCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL

Matemáticas II TEMA 8 Derivadas. Teorema. Regla de L Hôpital Problemas Propuestos

III. FUNCIONES EXPONENCIALES Y LOGARÍTMICAS

PRÁCTICA 8 ESTUDIO DE ENGRANAJES 3º INGENIERÍA INDUSTRIAL

EJERCICIOS RESUELTOS DE FUNCIONES REALES DE VARIABLE REAL

Ejercicios resueltos Distribuciones discretas y continuas

VARIACIÓN DE IMPEDANCIAS CON LA FRECUENCIA EN CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA

CAPÍTULO 14: LAS EXPECTATIVAS: LOS INSTRUMENTOS BÁSICOS

4.2. Ejemplo de aplicación.

2º BACHILLERATO CINETICA QUÍMICA

DISPERSIÓN - ESPECTRÓMETRO DE PRISMA

9 TRASLACIONES, GIROS Y SIMETRÍAS EN EL PLANO

2º Bachillerato: ejercicios modelo para el examen de las lecciones 11, 12 y 13

RESUMEN DE FUNCIONES. LIMITE Y CONTINUIDAD

REPRESENTACION GRAFICA.

Energía. Reactivos. Productos. Coordenada de reacción

TERMODINAMICA 1 1 Ley de la Termodinámica aplicada a Volumenes de Control

lasmatemáticas.eu Pedro Castro Ortega materiales de matemáticas y x 12x 2 y log 2 x ln x e e y ln 1 x

COMPUTACIÓN. Práctica nº 2

Tema 2 La oferta, la demanda y el mercado

9 TRASLACIONES, GIROS Y SIMETRÍAS EN EL PLANO

Nueva guía de instalación para el temporizador de fácil ajuste. 2 Qué se necesita? 3 Montaje del temporizador en la pared

CAPITULO 5. ECUACIONES DIFERENCIALES DE ORDEN N Introducción Reducción de orden

RESUMEN MOTORES CORRIENTE CONTINUA

TAMAÑO DE LA MUESTRA

RADIO CRÍTICO DE AISLACIÓN

PROBLEMAS RESUELTOS DE RECTAS TANGENTES Y NORMALES

ASÍNTOTAS Y RAMAS INFINITAS Cálculo y representación

OPCIÓN SIMPLIFICADA OPCIÓN SIMPLIFICADA ZONA CLIMÁTICA ZONA CLIMÁTICA

Problemas Resueltos. el radio de la órbita circular, y la energía tiene el valor GMm 2 = a GM. 0. Es decir, 2 T 4π. GMm

LÍMITES DE FUNCIONES.

Fernando Cervantes Leyva

ANÁLISIS. a) Derivabilidad de la función en los puntos x = -1, x = 1, x = 2. Calcular la derivada en cada uno de los puntos

UNIVERSIDADES DE ANDALUCÍA SELECTIVIDAD. FÍSICA. JUNIO 10

ANÁLISIS. Junio 94. cosx si x Dada la función. f(x) a 2x si 0 x 1. b si x 1 x

Método de los Elementos Finitos para Análisis Estructural. Alisado de tensiones

EQUILIBRIO QUIMICO. aa + bb cc + Dd

Matemáticas II (Bachillerato de Ciencias). Soluciones de los problemas propuestos. Tema 8

Tema 3 (cont.). Birrefringencia.

PROYECTO FIN DE CARRERA

Tema 5 El Mercado y el Bienestar. Las externalidades

INTERCAMBIADORES TUBO Y CARCAZA: ANÁLISIS TÉRMICO

Paso de los diagramas de grafos a los diagramas de bloques

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA CURSO: MODELOS DE SISTEMAS CÁLCULO DE RESIDUOS Y SUS APLICACIONES

Reporte Nº: 05 Fecha: JULIO ANÁLISIS DE SITUACIÓN MIGRATORIA DE EXTRANJEROS DE NACIONALIDAD HAITIANA 1. DESCRIPCIÓN DEL REPORTE

Estas pruebas permiten verificar que la población de la cual proviene una muestra tiene una distribución especificada o supuesta.

Seguridad en máquinas

ANÁLISIS (Selectividad 2014) 1

Funciones de Variable Compleja

TEMA 8 LÍMITES DE FUNCIONES, CONTINUIDAD Y ASÍNTOTAS

Ecuación para cirquitones en líneas de transmisión con carga eléctrica discreta. K. J. Candía

Soluciones a los ejercicios propuestos Unidad 1. El conjunto de los números reales Matemáticas aplicadas a las Ciencias Sociales I

Opción A Ejercicio 1 opción A, modelo Septiembre 2011

INTERCAMBIADOR DE CALOR AIRE AIRE PARA EL ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO DE UNA CAMARA DE REPRODUCCION AGAMICA DE PLANTAS

Convocatoria de Febrero 26 de Enero de Nombre y Apellidos:

MÉTODO PROPUESTO PARA LA OBTENCIÓN DE LÍMITES DE ESBELTEZ

XVI.- COMBUSTIÓN pfernandezdiez.es

Aplicaciones de la distribución weibull en ingeniería

LIMITES DE FUNCIONES EN 1D

La función gamma. en la disciplina Matemática para las carreras de ingeniería

FUNCIONES EXPONENCIAL, LOGARÍTMICA Y SUS DERIVADAS.

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS M.C.I.A.

12 Representación de funciones

TEMA 3. Superficies Adicionales. Aletas.

INTEGRAL INDEFINIDA MÉTODOS ELEMENTALES DE INTEGRACIÓN

TEMA 4. APLICACIONES DE LA DERIVADA.

( ) Calcula las siguientes integrales. Soluciones. 1 x. arctan. x 4x sen x dx. x 2. 11arctan. x dx + 2. e x. e arctan e. e dx.

Capítulo 6. Introducción al Método de Rigidez Generalidades

TEOREMAS DEL VALOR MEDIO., entonces existe algún punto c (a, b) tal que f ( c)

Tema 4 La política económica: impuestos y subvenciones por unidad vendida y controles de precios

GESTIÓN ACADÉMICA GUÍA DIDÁCTICA 7

SECRETARIA DE ENERGIA

APUNTES DE CLASE MACROECONOMÍA CAPÍTULO Nº 8 LA RENTABILIDAD EN MONEDA NACIONAL DE UNA INVERSIÓN EN MONEDA EXTRANJERA AGOSTO 2008 LIMA PERÚ

Coeficiente de correlación parcial

(máxima) (mínima) (máxima) (mínima)

Astrofísica de altas energías

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOLETÍN DE PROBLEMAS MÁQUINA SÍNCRONA 2009/2010

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SINALOA FACULTAD DE AGRONOMÍA HIDRÁULICA

Cálculo de Obras de Drenaje Trasversal de Carreteras

Medicion de resistencias por el metodo voltímetro-amperímetro. IV.1.1 Error sistemático debido al consumo de los instrumentos

Embrague de fricción (Consideraciones de diseño) INGENIERO HUGO L. AGUERO ALVA

NÚMEROS COMPLEJOS. Autor: Patrici Molinàs Mata José Francisco Martínez Boscá NÚMEROS COMPLEJOS

Tema 3 La elasticidad y sus aplicaciones

TEMA 4: LA OFERTA AGREGADA

Curso de Radiactividad y Medioambiente clase 5

REPRESENTACIÓN DE FUNCIONES

ALGUNOS PROBLEMAS DE ANÁLISIS PROPUESTOS EN LAS PRUEBAS DE SELECTIVIDAD DE 2015

Fig Rectificador Trifásico de onda Completa controlado: Cargador de Baterías

Capítulo III. El sistema eléctrico del automóvil. En el capítulo anterior se analizaron algunos convertidores de energía eléctrica trifásica.

Tuberías plásticas para SANEAMIENTO

RESPUESTA EN FRECUENCIA DE AMPLIFICADORES

Escaleras escamoteables, rectas y de caracol

MANUAL DE LRFD PARA CONSTRUCCIONES DE MADERA

Transcripción:

Ondas Elctromagnéticas n mdios guiados Introducción Capítulo 8 Son mdios guiados aqullos qu proporcionan un camino para qu las ondas lctromagnéticas s propagun d una manra más fácil d un punto a otro. Esto rprsnta un mjoraminto n la ficincia d la transmisión y una mayor confiabilidad n la rcupración d la sñal por part dl rcptor con rspcto a los mdios abirtos, pro tin como principal inconvnint la ncsidad d tnr conión física ntr misor y rcptor, lo cual rprsnta un problma n sistmas d comunicación d uno a muchos. Los mdios guiados incluyn básicamnt los cabls o línas d transmisión, los sistmas d fibra óptica y las guías d onda. En l prsnt capítulo, s tratara d modlar y studiar los difrnts fnómnos qu afctan la propagación d sñals a través d st tipo d mdios. Línas d transmisión Las línas d transmisión son sistmas formados por dos conductors sparados por aislant, a través d las cuals s nvía una sñal lctromagnética, rprsntada n una difrncia d potncial y una corrint, dsd un punto misor a otro rcptor. Las línas d transmisión s clasifican sgún la configuración gométrica d los conductors, l tipo d aislaminto, los tipos d conctors usados para iniciar y trminar la lína, tc. Los rqurimintos n la transmisión d sñal y las considracions conómicas dfinn l tipo d lína a usar n una aplicación spcífica; pro, indpndintmnt dl tipo d lína, s tinn cuacions d onda qu rign l comportaminto d la sñal n cualquir lína. Tipos d línas d transmisión Las línas d transmisión s clasifican usando varios critrios, normalmnt rlacionados con la topología d la lína. En sistmas d comunicacions s usan los siguints tipos: 3

ALEJANDRO PA PARRA Línas balancadas Cuando la transmisión s hac por dos hilos, n los cuals uno hac d conductor principal y otro d rtorno, la sñal lctromagnética s transmit como difrncia d potncial ntr ambos conductors y ambos llvan la misma corrint. Línas dsbalancadas Cuando la transmisión s hac por uno o varios hilos, pro s tin un solo conductor d rtorno l cual s ncuntra conctado a tirra, la sñal lctromagnética s transmit como potncial rspcto a tirra por cada uno d los conductors d la lína. Dntro d las línas balacadas, los tipos d conductors más usados son los siguints: Línas bipolars Están constituidas por dos conductors parallos con o sin aislaminto trno y con o sin aislaminto trior. Prtncn a st grupo las línas aéras o d distribución locals d nrgía, cabls d transmisión d potncia, y los cabls para transmisión d datos UTP y STP. 9 El prfil d st tipo d línas s mustra n la figura 7. Figura 7. Prfil d una lína d transmisión bipolar Línas d placas parallas Están constituidas por dos conductors planos parallos con o sin aislaminto trno y con o sin aislaminto trior. Prtncn a st grupo, algunos bobinados d máquinas léctricas rotativas. Figura 8. Prfil d una lína d transmisión d placas parallas 9 Unshildd Twistd Pair & Shildd Twistd Pair. Par trnzado no nchaqutado y nchaqutado por sus siglas n inglés. 3

Línas coaials Están constituidas por un conductor intrior aislado, cubirto por un conductor trno qu actúa como jaula d Faraday; l conjunto s ncuntra nchaqutado n un aislant trno. Son muy utilizadas n aplicacions d cabls para instrumntación y tlvisión UHF. Figura 9. Prfil d una lína d transmisión coaial Parámtros léctricos d línas d transmisión Indpndintmnt dl tipo d lína d transmisión, istn unos parámtros qu son d uso común n l modlado d la lína. El cambio n l tipo d lína afcta la forma d calcular los parámtros d la misma, dbido a las considracions d tipo gométrico, pro los parámtros usados para modlar línas d transmisión son simpr los mismos. Sin cpción, todos los parámtros s prsan n valors por unidad d longitud, si s dsa calcular los valors totals, basta con multiplicar l parámtro por la longitud total d la lína. Rsistncia léctrica sri R La rsistncia léctrica total d un conductor s calcula con la prsión clásica d rsistncia DC. R n l S La rsistncia por unidad d longitud s obtin a partir d sta prsión, al dividir la rsistncia por la longitud d la lína. R R l n S Las dimnsions y los valors d rsistncia léctrica para conductors cilíndricos laborados n cobr s ncuntran normalizados por la ANSI 3 n la tabla dnominada AWG, por Amrican Wir Gaug, s dcir calibr d alambr stándar amricano. 3 Amrican National Standars Institut Instituto Nacional d Estándars Amricano, quin s ncarga d dfinir los stándars d calidad qu dbn cumplir los industrials n los Estados Unidos, y cuyas normas son d acptación y rconociminto mundial. 33

ALEJANDRO PA PARRA Tabla 5. Calibr AWG y rsistncia léctrica para conductors d uso común n lctricidad y lctrónica Para obtnr una aproimación a la rsistncia ral d la lína, s db hacr la corrcción por fcto suprficial d acurdo con la frcuncia d opración d la lína. Inductancia sri L La inductancia sri quivalnt por unidad d longitud d cualquira d los tipos d línas s calcula como la suma d la inductancia mutua y la inductancia propia d cada conductor. L T L propia ida L propia rtorno L mutua m B S ds L I m 34

En l cálculo d la inductancia propia, s toman n cunta los nlazamintos d flujo ocurridos al intrior dl conductor, mintras qu para l cálculo d la inductancia mutua s dbn tomar los nlazamintos d flujo qu ocurrn n la rgión ntr conductors. m B ds m nm S L I m Cuando la frcuncia s hac muy alta, la corrint circula por la pil dl conductor, hacindo prácticamnt nulos los nlazamintos d flujo al intrior dl mismo, como s mustra n la figura 3. khz MHz Figura 3. Prfil d un conductor cilíndrico ilustrando la disminución n los nlazamintos d flujo dbido al fcto suprficial n dos frcuncias difrnts 3 Es por sto qu n alta frcuncia no s db considrar la inductancia propia, n l cálculo d la inductancia total d la lína. 3 Simulacions ralizadas con Quickfild. Softwar d lmntos finitos d Tra Analysis. Disponibl n www.quickfild.com 35

ALEJANDRO PA PARRA S pud considrar como alta frcuncia, aqulla rgión n la cual la profundidad d pntración d la sñal n l conductor s dsprciabl frnt a las dimnsions físicas dl mismo, n particular a su diámtro n l caso d conductors cilíndricos. Cuando la profundidad d pntración s comparabl con las dimnsions físicas dl conductor, ntoncs s considra zona d frcuncias mdias, y cuando s mayor qu éstas, s considra zona d frcuncias bajas. Capacitancia paralla C La capacitancia paralla aparc a causa d la difrncia d potncial ntr conductors y a la polarización dl mdio diléctrico qu los spara. S calcula usando la Ly d Gauss alrddor d uno d los lctrodos d la lína y la cuación d Laplac n l mdio qu las roda, como s ilustra n las figuras 3 y 3. Figura 3. Equipotncials usadas para l cálculo d capacitancia ntr dos conductors d un circuito imprso 36

Figura 3. Contorno usado para l cálculo d carga ncrrada n l cálculo d capacitancia ntr dos conductors d un circuito imprso Conductancia paralla G La conductancia paralla s db a la difrncia d potncial ntr conductors y a la conductividad no nula dl mdio diléctrico qu los spara. A psar d qu los conductors s ncuntran aislados, l aislant no tin una conductividad nula, por lo qu al aplicar una difrncia d potncial aparc una pquña corrint d fuga ntr conductors. Esta corrint d fuga s una corrint d conducción y s usualmnt muy pquña, por lo qu n la mayoría d las ocasions s dcid, voluntariamnt, no considrarla n l modlo d la lína. D todas formas, la considración o no d dicha corrint, dpnd d la tangnt d pérdidas dl aislant qu spara los dos conductors. La tangnt d pérdidas dl aislant s calcula como: 37

ALEJANDRO PA PARRA A continuación, s mustran los parámtros léctricos d un conjunto d línas; los rangos d baja mdia y alta frcuncia s toman como las frcuncias n las cuals la profundidad d pntración s comparabl con las dimnsions físicas dl conductor. Lína d dobl cinta La lína d dobl cinta stá constituida por dos placas parallas, sparadas por una capa d aislaminto qu normalmnt s d spsor mnor al ancho d la lína. Parámtro Baja frcuncia Mdia frcuncia Alta frcuncia R G L C : Conductividad dl conductor : Conductividad dl diléctrico Lína coaial 38

Parámtro Baja frcuncia Mdia frcuncia Alta frcuncia R G L C Lína bifilar Parámtro Baja frcuncia Frcuncia mdia Alta frcuncia R G L C 39

ALEJANDRO PA PARRA Ejmplo 88. Parámtros léctricos línas d transmisión. Un cabl coaial tin los siguints parámtros gométricos: Está construido n cobr, con aislaminto d spuma d politilno: Calcul los parámtros léctricos RLCG Solución: Profundidad d pntración d la onda n l conductor: Dado qu: Dl tto:.584 Por lo tanto: En la figura 33, s ncuntran los parámtros gométricos y algunos parámtros léctricos d varios tipos d cabl coaial. 3

Figura 33. Parámtros típicos d algunos tipos d cabl coaial Modlos d línas d transmisión Dpndindo d la longitud léctrica d la lína, s dcir la rlación qu ist ntr la lína física y la longitud d onda, s pudn usar difrnts modlos para rprsntar la lína dntro dl sistma d tlcomunicacions. En línas cortas o muy cortas s prmit l uso d modlos d parámtros concntrados, ya qu no s prsntan ondas stacionarias. En línas mdias o largas dfinitivamnt s dbn usar modlos d parámtros distribuidos. La forma más simpl d aproimar la vlocidad d propagación d una onda a través d una lína d transmisión s: La longitud d onda s rlaciona con la vlocidad d fas mdiant la cuación: Por jmplo, para una lína d transmisión qu tnga una inductancia distribuida d 547nH/m y una capacitancia d 8pF/m, la longitud d una sñal d MHz sría: Es dcir, una lína d 4cm. d st cabl db sr considrada lína mdia y modlada con parámtros distribuidos. Modlos d parámtros concntrados Los modlos d parámtros concntrados quivaln al modlo d rd d dos purtos con parámtros d transmisión o transmisión invrsa y son válidos para casos n los qu no intrsa l flujo d sñal a través d la lína, sino los valors d ntrada y salida d la misma. 3

ALEJANDRO PA PARRA v Av i Cv i i Bi Di v i ' A v B i i i ' í ' C v D i ' i Los parámtros ABCD saln d las cuacions d rd d dos posibls circuitos quivalnts, dnominados modlos T y Pi. Los parámtros concntrados s obtinn multiplicando los parámtros distribuidos por la longitud d la lína. Figura 34. Modlo T, s distribuy la rsistncia y la inductancia sri, y s djan concntradas la capacitancia y la conductancia paralla Figura 35. Modlo Pi, s distribuy la capacitancia y la conductancia paralla; la rsistncia y la inductancia sri s djan concntradas 3

Modlos d parámtros distribuidos En l modlo d parámtros distribuidos, éstos no s concntran, sino qu s modla la lína considrando la caída d tnsión y las pérdidas n cada sgmnto difrncial d lína. Est modlo prmit studiar l comportaminto d la sñal a lo largo d la lína y no solo n sus trmos. Admás d modlar la dinámica d la lína para análisis transitorio. La caída difrncial d voltaj n un sgmnto d lína s: dv d R jli Mintras qu la fuga difrncial d corrint s: di d G j CV Si s hac una sgunda drivada con rspcto a la distancia s ncuntra: d V d d I d R G j L j C di d dv d Rmplazando la cuación d la primra drivada spacial, n la sgunda s obtinn cuacions d onda EM para voltaj y corrint: V d d I d R j LG j CV V d R jlg jci I 33

ALEJANDRO PA PARRA 34 La solución, al igual qu n l caso d los mdios abirtos, s una función ponncial complja qu varía con l timpo y la distancia. En l caso d una alimntación snoidal. Las solucions para voltaj y corrint qudan: C j G L j R j C j G L j R Cos V V V Lo cual rprsnta un voltaj qu varía n forma snoidal con la distancia y s atnúa paulatinamnt dpndindo d la constant d atnuación α. Para l caso d la corrint la solución quda: Cos V t Cos I I I Dond la constant o s: C j G L j R di dv Dnominada impdancia intrínsca d la lína. Cuando las corrints y voltajs son snoidals a la ntrada d la lína: t j V p V t j I p I La solución quda d la forma: j t j p V V V La cual s pasa al dominio dl timpo como: t Cos V V t V p t j p, Lo cual rprsnta una onda viajra igual qu n l caso d los mdios abirtos. En l caso d la corrint la cuación d onda quda: t Cos V V t I p t j p,

Las constants d propagación para sta onda son las mismas qu n los mdios abirtos: Constant d fas (β), rprsnta l corriminto d fas por unidad d longitud rcorrida a lo largo d la lína, s mid n radians/m. Constant d atnuación (α), rprsnta la atnuación sufrida por l voltaj y la corrint a lo largo d la lína. S mid n nipr/m, aunqu al igual qu n los mdios abirtos s pud prsar n scala logarítmica. Constant d propagación (γ), s la suma complja d las otras dos contants: Vlocidad d propagación o vlocidad d fas ( ), s la vlocidad con la qu s dsplaza la onda a lo largo d la lína: Factor d vlocidad ( ), v p s la rlación ntr la vlocidad d fas y la vlocidad d la luz n l vacío. Timpo d rtardo La vlocidad d fas dfin l rtardo n timpo qu s obtin al rcorrr una distancia X a lo largo d la lína: Longitud d onda (λ) Es la distancia qu rcorr la onda para sufrir un corriminto d fas d π radians: Eist una rlación qu surg d forma inmdiata ntr la frcuncia y la longitud d onda: 35

ALEJANDRO PA PARRA Rmplazando n la vlocidad d fas: Dado qu la vlocidad d propagación s una constant, cuyo valor dpnd d los parámtros léctricos d la lína, la longitud d onda y la frcuncia son invrsamnt proporcionals n todas las línas d transmisión, indpndintmnt d su tipo. Modlos rducidos d parámtros distribuidos Dpndindo d la rlación ntr los parámtros léctricos d una lína d transmisión, s dfinn como un conjunto d modlos rducidos qu prmitn obtnr d forma más simpl las constants d propagación. Los modlos rducidos son d gran utilidad n l trabajo d campo, pus simplifican los cálculos facilitando las aplicacions d las cuacions d onda. Modlo RLC El modlo complto, analizado n l apart antrior, s llama modlo RLGC porqu toma n cunta todos los parámtros d la lína. La conductancia paralla, sin mbargo, no simpr s toma n cunta, dado qu la tangnt d pérdidas n los cabls s normalmnt muy baja. Si la tangnt d pérdidas dl aislant dl conductor s dsprciabl, s pud optar por un modlo rducido, llamado modlo RLC, n l cual no s toma n cunta la conductancia paralla. La rlación ntr la conductancia paralla y la capacitancia a una frcuncia spcífica dtrmina si s toma n cunta o no l fcto dl parámtro G: Ejmplo 89. Tangnt d pérdidas d una lína d transmisión. Una lína d transmisión tin una conductancia paralla y una capacitancia distribuida d. Calcul la tangnt d pérdidas dl cabl a una frcuncia d khz. Encuntr la frcuncia límit, n la cual la tangnt d pérdidas s hac dsprciabl. 36

Solución: La tangnt d pérdidas dl cabl: A sta frcuncia la tangnt d pérdidas s absolutamnt dsprciabl. Para calcular la frcuncia límit s tin: S dspja f: Finalmnt: Rmplazando: Es dcir qu st cabl s RLC n prácticamnt todas las frcuncias Modlo LC con pérdidas A partir dl modlo RLC s pud hacr una sgunda simplificación, n st caso cuando la rsistncia sri dl modlo corrgida por fcto pil s mucho más baja qu l producto d la inductancia por la frcuncia angular: En st modlo, l parámtro R no s toma n cunta para l cálculo d la constant d propagación y fas, por lo tanto, st parámtro no influy n la vlocidad d propagación ni la longitud d onda. Sin mbargo, al igual qu n los diléctricos d bajas pérdidas, l parámtro R influy n la atnuación a lo largo d la lína. 37

ALEJANDRO PA PARRA En alta frcuncia, todas las línas tindn a sr LC con pérdidas, ya qu la rsistncia s incrmnta por fcto pil con l cuadrado d la frcuncia, pro l producto WL s incrmnta con la primra potncia d la frcuncia, s dcir, lo hac más rápido. Una lína s considra LC con pérdidas cuando la rsistncia sri s vcs mnor al producto WL; s dcir, s pud stablcr una frcuncia d rfrncia a partir d la cual la lína s considra dntro d st modlo. Dspjando la frcuncia: Ejmplo 9. Frcuncia crítica d una lína d transmisión. Una lína d transmisión RLC tin una rsistncia sri d y una inductancia distribuida d. Calcul la rlación R/WL a una frcuncia d khz. Encuntr la frcuncia límit, n la cual la rsistncia s hac dsprciabl frnt a WL Solución: La rlación R/WL: A sta frcuncia la rsistncia no s para nada dsprciabl, l modlo s RLC. Para calcular la frcuncia límit s tin: Rmplazando: Es dcir qu st cabl s RLC hasta frcuncias crcanas a MHz, d allí n adlant s pud considrar LC con pérdidas. 38

Lína LC Est tipo d lína s idal, s aqulla qu no tin pérdidas ni por atnuación n l diléctrico ni tampoco n la rsistncia sri. Corrspond a un modlo d rfrncia, porqu n ralidad cabls LC puros no istn. Su utilidad s limita a cálculos n casos n qu la atnuación s dsprciabl qu la lína no s muy larga. o n En la tabla 6, s rsumn los parámtros d propagación para los distintos tipos d modlos rducidos d parámtros distribuidos. Tabla 6. Parámtros d propagación para los difrnts modlos d parámtros distribuidos Modlo/ Parámtros d propagación RLCG RLC(G<<ωC) LC con pérdidas (R<<ωL) LC α R(γ) β Im(γ) γ o Ejmplo 9. Parámtros d propagación n línas d transmisión. Una lína d transmisión tin los siguints parámtros léctricos: Mdidos a 5kHz. Calcul los parámtros d propagación, la vlocidad d propagación, la longitud d onda y la atnuación n db/km. Solución: Para calcular los parámtros d propagación, s dfin l modlo: 39

ALEJANDRO PA PARRA S dsprcia G: R no s dsprciabl, por lo tanto modlo RLC: La vlocidad d propagación n la lína: El factor d vlocidad: La longitud d onda: La atnuación n db: Propagación n línas d transmisión acotadas Cuando las línas d transmisión s ncuntran trminadas n una impdancia d carga, como s mustra n la figura 36, s prsntan fnómnos d rflión y transmisión, d forma smjant a como ocurrn n mdios abirtos acotados. 33

Figura 36. Lína d transmisión trminada n una carga Indpndintmnt d la configuración d la lína, las línas d campo léctrico y las d campo magnético son prpndiculars a la dircción d propagación d la sñal (corrspondn a un modo TE), tal como s obsrva n la figura 37. En dond s mustra un cort transvrsal d un conductor coaial, ilustrando las Línas d Furza dl campo léctrico y magnético. Figura 37. Línas d Furza dl campo magnético (puntado) y dl campo léctrico (continua) n l intrior d un conductor coaial Dbido al fcto suprficial, los campos E y H s propagan sncialmnt a través dl diléctrico, por lo qu la incidncia d la onda sobr una impdancia conctada a la lína s convirt n un problma d incidncia prpndicular. La proporcionalidad ntr la intnsidad d campo léctrico E y la difrncia d potncial, así como ntr la intnsidad d campo magnético H y la corrint léctrica, d acurdo con la Ly d Biot-Savart, indican qu los fnómnos asociados a la rflión d campos léctrico y magnético, n un caso d incidncia prpndicular, s pudn trapolar a la corrint y l voltaj qu s transmitn a lo largo d una lína. Para l caso d una onda d voltaj: E E y y 33

ALEJANDRO PA PARRA 33 Dado qu la difrncia d potncial ntr conductors y l campo léctrico son proporcionals, s tin: V V L L Dond y son la impdancia quivalnt d la carga y la impdancia intrínsca d la lína, rspctivamnt. El vctor rprsnta l voltaj incidnt y l voltaj rfljado. La onda d voltaj total sría la suma d las ondas incidnt y rfljada, igual qu n l caso dl campo léctrico: Para l caso d la corrint s tin: z z H H Como la corrint s dirctamnt proporcional a la corrint, s tin una corrint incidnt y una rfljada, cuya rlación s: I I L L La onda d corrint total sría la suma d las ondas incidnt y rfljada, igual qu n l caso dl campo magnético: Eist un voltaj y corrint transmitidos hacia la carga, los cuals por condicions d frontra dbn sr iguals al voltaj y la corrint total incidnts dl lado d la lína, justo n l punto d conión. I I V V El coficint d transmisión n función d las impdancias d lína y carga quda: L L

Ejmplo 9. Rflión n línas d transmisión acotadas. Una lína d transmisión LC sin pérdidas, L=.5H/m y un C=pF/m s ncuntra acoplando un gnrador con una antna tipo curno. Calcul l coficint d transmisión y l coficint d rflión. Solución: El coficint d transmisión: Impdancia d ntrada n línas d transmisión acotadas Al igual qu n l caso d los mdios abirtos acotados, la impdancia d ntrada d la lína s ntind como la rlación ntr l voltaj total y la corrint total: 333

ALEJANDRO PA PARRA En términos d la impdancia d la lína y d la carga, la cuación d la impdancia d ntrada quda: in Cos Cos jsin j Sin La cual s una cuación análoga a la d la impdancia n mdios abirtos acotados- incidncia prpndicular. En términos d la longitud léctrica d la lína s tin: in Cos jsin Cos j Sin Cos jsin in Cos j Sin ado qu la rlación ntr la longitud física d la lína X y la longitud d onda λ s quivalnt a la longitud léctrica. La cuación para la impdancia d ntrada quda: in Cos Cos jsin j Sin En términos d la función tangnt: in jtan j Tan Ejmplo 93. Impdancia d ntrada n línas d transmisión acotadas. Una lína d transmisión coaial sin pérdidas,. trmina n una antna tipo curno Calcul la impdancia d ntrada si la lína tin una longitud d a). λ, b). λ. 334

Solución: La cuación para la impdancia d ntrada quda: Para l primr caso: Calculando: in in 5.5 5 75 j3 j5tan 5 j75 j3tan 75 j3 j5tan.5 5 j75 j3tan.5 Para l primr caso: in.5 5 75 j3 j5tan.3 5 j75 j3tan.3 Calculando: Como s aprcia claramnt la impdancia d ntrada varía n función d la longitud léctrica d la lína. Impdancia d ntrada normalizada Al igual qu n los mdios abirtos, s acostumbra prsar la impdancia d ntrada n forma normalizada, scogindo como valor d normalización la impdancia d la lína d transmisión. La impdancia normalizada s la razón ntr la impdancia y la impdancia d normalización, s dcir: Para l caso d una lína d longitud L trminada n una carga s tin: 335

ALEJANDRO PA PARRA in L j Tan L j LTan L Normalizando con rspcto a s tin: in L j j L Tan L Tan L Equivalnt a: Para rcuprar la impdancia n ohmios, basta con multiplicar la impdancia normalizada por la impdancia d normalización. Lína trminada n cortocircuito Si la impdancia d carga s cro transmisión qudan:, las cuacions d los coficints d rflión y L L Es dcir, s prsnta rflión total y no ist onda transmitida. La impdancia d ntrada, sin mbargo, da como rsultado un valor dpndint d la longitud d la lína: 336

in L j Tan j Tan L L La impdancia normalizada: in L j Tan in L jtan Cuando s grafica la impdancia normalizada n función d la longitud léctrica s obtin la gráfica qu s mustra n la figura 38. Figura 38. Impdancia d ntrada normalizada para una lína trminada n corto-circuito Como s obsrva claramnt n la figura 38, la impdancia d ntrada s rpit cada. λ y s hac indtrminada tndindo a infinito n. λ y.7 λ. En la zona ntr y. λ, la impdancia normalizada s comporta como un inductor puro, s dcir, tin impdancia imaginaria pura positiva, mintras n la zona ntr. λ y. λ, lo hac como un capacitor, impdancia imaginaria pura ngativa. 337

ALEJANDRO PA PARRA Lína trminada n circuito abirto Si la impdancia d carga s infinita transmisión qudan:, las cuacions d los coficints d rflión y L L Es dcir, la onda transmitida tin l dobl d amplitud d la incidnt y la onda rfljada tin la misma amplitud d la rfljada. Est s un caso particular qu s analizará n dtall más adlant. La impdancia d ntrada da como rsultado un valor dpndint d la longitud d la lína: in L j Tan j Tan L L in j Tan L jtan L L in L jtan in L j Cot La impdancia normalizada: in L jcot Cuando s grafica la impdancia normalizada n función d la longitud léctrica s obtin la gráfica qu s mustra n la figura 39. 338

Figura 39. Impdancia d ntrada normalizada para una lína trminada n circuito abirto Como s obsrva claramnt n la figura 39, la impdancia d ntrada s rpit cada. λ y s hac indtrminada tndindo a infinito n,. λ y λ. En la zona ntr y. λ, la impdancia normalizada s comporta como un capacitor puro, s dcir, tin impdancia imaginaria pura ngativa; mintras n la zona ntr. λ y. λ lo hac como un inductor, impdancia imaginaria pura positiva. Est comportaminto contrasta con l d la impdancia d ntrada para la lína trminada n corto-circuito, n dond l comportaminto s igual, pro con un dsplazaminto n distancia d. λ, como s ilustra n la figura 4. Figura 4. Comparativo ntr la impdancia d ntrada normalizada para una lína trminada n circuito abirto (azul) y una lína trminada n corto-circuito (rojo) 339

ALEJANDRO PA PARRA Lína bin acoplada Cuando la impdancia d la lína y la d la carga son iguals, s prsnta un caso spcial n l cual no s ocurr onda rfljada. Los coficints d transmisión y rflión qudan: L L L En st caso ist transmisión total, s dcir qu l total d la onda s propaga sin prsntar rflión. Esta condición s idal para maimizar la transmisión d potncia a la carga ya qu no ist rflión. La impdancia d ntrada, vista dsd la ntrada d la lína, quda: in L L j Tan j Tan L En st caso: in Indpndintmnt d la longitud léctrica d la lína. La impdancia d ntrada normalizada quda: Máimos y mínimos d voltaj Dbido a la rflión prsnt n una lína mal acoplada, la onda d voltaj total s la suma d las ondas incidnt y rfljada: En términos dl coficint d rflión: Dado qu l coficint d rflión s un númro compljo: 34

34 Rmplazando: j j j s V V V S hac factor común dl voltaj incidnt: j j s V V S multiplica y divid por una misma cantidad sin altrar la cuación: j j j j s V V j j j j j s V V Simplificando: j j j s V V S pud agrgar y rstar un mismo término sin altrar la cuación: j j j j j s V V Rducindo: j j j j s V V Aplicando la idntidad d Eulr: j j s Cos V V S obsrvan claramnt dos componnts d la sñal d voltaj: Una primra componnt, da orign a una onda viajra d amplitud, por su caráctr compljo: j j s V V

ALEJANDRO PA PARRA Una sgunda, d valor ral, simplmnt multiplica al voltaj sin gnrar onda viajra: j V ss V Cos Esta sgunda componnt d amplitud s comporta como una onda stacionaria sobrpusta a la onda viajra d amplitud. En l spacio, las dos componnts s suman como s mustra n la figura 4. Figura 4. Sumatoria d amplituds d voltaj viajro y stacionario n la lína d transmisión S aprcia claramnt qu istn puntos n los máimos d la onda stacionaria, dond l voltaj alcanza un valor máimo quivalnt a: Y puntos dond la onda stacionaria s anula qudando solo la componnt viajra. En st caso la amplitud dl voltaj alcanza un valor mínimo. Los valors máimos d voltaj s ncuntran n los máimos d la componnt stacionaria, s dcir, dond la función cosno alcanza los valors máimos; sto s n los múltiplos d π radians: Dspjando : Rmplazando 34

Simplificando: Para ncontrar los mínimos d voltaj, basta con ncontrar los mínimos d la componnt stacionaria. La función cosno s hac mínima n los múltiplos impars d π/ d radian: Dspjando : Rlación d onda stacionaria La rlación ntr l voltaj máimo y l voltaj mínimo dntro d la lína s dnomina rlación d onda stacionaria d voltaj VSWR. 3 Cuando s prsnta rflión total, la rlación d onda stacionaria s hac infinita. Ejmplo 94. Rlación d onda stacionaria máimos y mínimos d voltaj. Una lína d transmisión coaial sin pérdidas,. trmina n una antna tipo curno Calcul la rlación d onda stacionaria y l voltaj incidnt si l voltaj máimo mdido sobr la lína s d 3V RMS. Calcul a qué distancia léctrica dsd la antna s ncuntra l primr máimo y l primr mínimo. Solución: S calcula l coficint d rflión n magnitud y ángulo 3 Voltag Standing Wav Ratio, por sus siglas n inglés. 343

ALEJANDRO PA PARRA La rlación d onda stacionaria: El voltaj máimo vin dfinido por: Dspjando: Para l primr máimo: Para l primr mínimo: Rmplazando: 344

Potncia y pérdidas n línas d transmisión La potncia instantána transmitida por una lína d transmisión trminada n una carga, stá dtrminada por l producto dl voltaj y la corrint qu s propagan a lo largo d la lína. En l cálculo d potncia no solo s db tomar n cunta la impdancia propia d la lína, sino la rsultant d la lína y la carga considrando la longitud léctrica d la lína. S pud idntificar una componnt d potncia corrspondint al voltaj incidnt, dnominada potncia incidnt. P V _ RMS q Cos q En st caso, y ángulo. s la impdancia quivalnt dl sistma lína-carga, prsada n magnitud Una sgunda componnt d la potncia total s la potncia rfljada n la carga, ésta toma n cunta l voltaj rfljado y la impdancia quivalnt dl sistma. P V _ RMS q Cos q En términos dl coficint d rflión: P V _ RMS q Cos q Finalmnt, stá la potncia transmitida a la carga qu d acurdo con la ly d consrvación d nrgía db sr la difrncia ntr la potncia incidnt y la potncia rfljada. P V _ RMS q Cos q Al igual qu n los mdios abirtos, la constant d atnuación dfin la cantidad d potncia qu s pird por fcto Joul n l mdio físico, s dcir, la lína d transmisión. Rflctancia y transmitancia La rflctancia s l porcntaj d la potncia incidnt qu s rfljada por l sistma. Dsd l punto d vista matmático s la rlación prsada n porcntaj d la potncia rfljada y la potncia incidnt: 345

ALEJANDRO PA PARRA R P P La transmitancia s la rlación porcntual ntr la potncia transmitida y la potncia incidnt. Por ly d consrvación d la nrgía, la suma d la rflctancia y la transmitancia db sr igual a la unidad, s dcir al %. T P P Ejmplo 95. Potncia n línas mal acopladas. Una lína d transmisión con pérdidas d.3db/m,, s ncuntra acoplando un gnrador con una antna a una frcuncia d MHz. Qué porcntaj s transmit d la lína a la antna? Si la lína mid.3m, qué porcntaj d la potncia dl gnrador s transmit a la lína? Qué porcntaj s transmit n total, dl gnrador a la antna? Solución: El coficint d rflión ntr antna y lína s: antna lina 8 j3 5 3 j3 lina.3 Antna 8 j3 5 3 j 3 antna lina 3 La transmitancia ntr lína y antna s: T lina Antna.3 El porcntaj d potncia transmitida d la lína a la antna s: T lina Antna.8976 89.8% 346

La longitud d onda n la lína s: La longitud léctrica d la lína s por tanto: La impdancia d ntrada d la lína stá dtrminada por: in jtan j Tan Rmplazando: in 5 8 j3 j5tan.3 5 j8 j3tan.3 in 33.5 j El coficint d rflión ntr lína y gnrador s: gnrador lina in in g g 33.5 j 6 33.5 j 6. j.9.36 3 gnrador lina La transmitancia ntr gnrador y lína quda: P P transmitida incidnt gnrador lína.36.87 87.% La lína tin pérdidas, las cuals dbn sr considradas, por lo tanto: m db / Np / m.345 log D la cuación dl vctor d Poynting ntr lína y antna: P P transmitida incidnt.3.3.345 línaantna.8 8% 347

ALEJANDRO PA PARRA Es dcir qu l 8% d la potncia qu s transmit a la lína, fctivamnt llga a la antna. El porcntaj d potncia total transmitida srá: P P transmitida incidnt Total P P transmitida lína incidnt gnrador P P transmitida antna incidnt lína P P transmitida antna incidnt gnrador.87.8.756 7% D la potncia mitida por l gnrador, solo l 7% s transmit a la antna. El 87.% pasa dl gnrador a la lína, s dcir qu l.8% s rtorna al gnrador, y la difrncia ntr 87.% y 7% qu fctivamnt pasa a la antna, s pird por fcto Joul n la lína d transmisión (5.%). Transformador d impdancias λ/4 La prsión d la impdancia d ntrada n una lína d transmisión trminada n una carga stá dfinida por: in jtan j Tan Cuando la longitud léctrica d la lína s igual a un cuarto d la longitud d onda, función tangnt s hac indtrminada tndindo a infinito., la En st caso, la impdancia d ntrada quda dfinida por: in jtan jtan. 5 in Si s dsa igualar la impdancia d ntrada a la impdancia dl gnrador para obtnr máima transfrncia d potncia, s obtin: g 348

Si la impdancia d carga s difrnt d la impdancia dl gnrador, s pud usar una lína d longitud. λ qu prmita igualar stas dos impdancias. La impdancia d la lína dsada para st fcto sría: Ejmplo 96. Transformador λ/4. Un gnrador s va a conctar con una antna. Qué impdancia dbrá tnr una lína d transmisión λ/4 qu prmita hacr l acopl rducindo al mínimo las pérdidas por rflión? Solución: Para acoplar ntr gnrador y antna s usa un tramo d lína como transformador λ/4 con una impdancia d: 6 5 54.8 55 D sta forma s rduc a cro l coficint d rflión y la potncia transmitida solo quda afctada por las pérdidas n la lína. Métodos gráficos La carta d Smith La carta d Smith s la rprsntación gráfica, n l plano Gaussiano dl coficint d rflión, d la rsistncia y la ractancia normalizadas. Como hrraminta gráfica, la carta d Smith prmit obtnr algunos parámtros d las línas d transmisión y rsolvr problmas d adaptación d impdancias, vitando las opracions con númros compljos. Construcción El coficint d rflión n la carga, para una lína trminada n una impdancia L s obtin como: 349

ALEJANDRO PA PARRA En términos d la impdancia d carga normalizada: La impdancia d carga normalizada s pud prsar como un númro compljo: Multiplicando por l compljo conjugado: Sparando las componnts ral imaginaria s tin: El coficint d rflión tin part ral imaginaria: Dond s obtin: D la sgunda cuación s tin: D la primra cuación: 35

Dspjando: D dond: Rmplazando: Al rducir la prsión quda: Si s limina r y s pon n función d : D la primra cuación, s dduc qu l lugar gométrico d los puntos n l plano d Gauss, s una circunfrncia, cuyo cntro s ncuntra sobr l j ral, y l radio varía dpndindo d r. S tabula para obtnr cntro y radio n función d r: r X Radio ½ ½ 3 3/4 /4 4 4/5 /5 9 9/ / Los círculos rsultants s grafican n la figura 4. 35

ALEJANDRO PA PARRA Figura 4. Círculos dl lugar gométrico para l coficint d rflión Г n función d r D la cuación n función d, s tin: En st caso, l lugar gométrico d los puntos n l plano d Gauss, s también una circunfrncia, pro l cntro stá dsplazado sobr l j ral; una unidad, la coordnada y dl cntro y l radio d la circunfrncia varían dpndindo d. S tabula para obtnr cntro y radio n función d : Y Radio / / 4 /4 /4 / / Para valors d ngativos, s invirt la posición dl cntro, pro l radio no cambia: En la figura 43, s mustran los círculos qu s obtinn para l coficint d rflión n difrnts valors d. 35

Figura 43. Círculos dl lugar gométrico para l coficint d rflión Г n función d Cuando s suprponn los dos gráficos s obtin un lugar gométrico para l coficint d rflión n función d los dos parámtros r y, como s mustra n la figura 44. Est lugar gométrico rcib l nombr d carta d Smith. Figura 44. Carta d Smith para l coficint Г n función d r y La carta d Smith, complta, s mustra n la figura 45. 353

ALEJANDRO PA PARRA Figura 45. Carta d Smith normalizada En la carta d Smith, s ubican sobr las circunfrncias d r y los valors d la impdancia normalizada. La distancia ntr st punto y l cntro, n una circunfrncia normalizada (radio unitario) constituy la magnitud l coficint d rflión. El ángulo qu s forma ntr l vctor qu un l punto con l cntro d la Carta constituy l ángulo d dicho coficint, como s mustra n la figura 46. 354

Figura 46. Cálculo dl coficint d rflión usando la carta d Smith Cálculo d la impdancia d ntrada d una lína mal acoplada La circunfrncia gnrada rotando l vctor Г, sobr l cntro d la Carta, dfin l valor d la impdancia d ntrada normalizada para difrnts valors d longitud d lína, como s mustra n la figura 47. Figura 47. Mdición d la impdancia d ntrada usando la carta d Smith ado qu la impdancia d ntrada s rpit cada. λ, un giro complto dntro d la carta d Smith s un rcorrido igual a sta distancia léctrica. Un mdio giro quival a. λ, como s mustra n la figura 48. 355

ALEJANDRO PA PARRA Figura 48. Transformador λ/4 usando la carta d Smith Parámtros d transmisión La carta d Smith, admás, prmit obtnr parámtros como l coficint d transmisión, y la rlación d onda stacionaria. Para l coficint d transmisión, basta rcordar qu por dfinición, l coficint d transmisión stá dtrminado por: Lo qu quival a sumar una unidad sobr l ral al vctor Г. Sobr la Carta, sto s pud hacr dirctamnt, ya qu s supon qu la circunfrncia máima d la carta d Smith s unitaria, por lo qu l coficint d transmisión s pud obtnr como s mustra n la figura 49. Figura 49. Coficint d transmisión usando la carta d Smith 356

Adicionalmnt, d la cuación dl coficint d rflión n términos d la impdancia normalizada s pud obtnr: Dspjando la impdancia normalizada: Comparando con la cuación d la ROE: S concluy qu la ROE s igual a la impdancia normalizada cuando l ángulo d Г s cro. Esto ocurr dntro d la carta d Smith, n l punto dond la circunfrncia d la impdancia corta l smij ral ngativo. Como s mustra n la figura 5. Figura 5. Cálculo d la ROE usando la carta d Smith Ejmplo 97. Parámtros d transmisión Carta d Smith. S concta una antna d L=(45- )Ω a una lína coaial LC o=7 Ω. Utilic la carta d Smith; calcular l coficint d rflión (magnitud y ángulo), l coficint d transmisión, la VS R y la impdancia d ntrada para una lína. λ. Solución: La impdancia d carga normalizada s: 357

ALEJANDRO PA PARRA S busca la intrscción d la circunfrncia con la circunfrncia, qu s ncuntra n la part infrior d la Carta. Como s mustra n la figura 5. S toma la distancia al cntro y s divid por l radio d la Carta (r) para normalizar: S mid l ángulo como s mustra n la figura 5. S toma la distancia dsd l punto d impdancia normalizada al trmo izquirdo d la Carta, como s mustra n la figura 5. S divid por l radio d la Carta (r) para normalizar. S mid l ángulo como s mustra n la figura 5. Para l cálculo d la SWR (ROE), s traza l círculo d impdancia d ntrada y s busca la intrscción con l j ral positivo. Finalmnt, para l cálculo d la impdancia d ntrada n una lína spcífica, s toma l punto d partida d la intrscción d la prolongación dl vctor Г, con la circunfrncia máima, obtnindo un valor d.46λ, tomada dsd l punto. A sta longitud s l suma la longitud léctrica d la lína: bido a qu una distancia d. λ s una vulta complta a la Carta, s dscuntan los múltiplos ntros d. λ dl valor obtnido, n st caso: S ubica st punto sobr la circunfrncia máima y s proycta sobr l círculo d impdancia. La proycción da como rsultado la impdancia d ntrada para la distancia léctrica dfinida, como s mustra n la figura 5. 358

Para hallar l valor d la impdancia ral, s multiplica por l valor d normalización: Figura 5. Parámtros d transmisión usando la carta d Smith. Ejmplo 97 359

ALEJANDRO PA PARRA Diagrama d admitancia La prsión para la impdancia d ntrada normalizada s: Cuando la longitud léctrica d la lína s hac crcana a. λ, l valor d la función tangnt tind a infinito, por lo qu la impdancia d ntrada s hac igual a: El invrso d la impdancia d carga normalizada s una admitancia, llamada admitancia normalizada: En términos d admitancia: Lo cual significa qu n la carta d Smith s pud obtnr la admitancia con bas n la impdancia, con un simpl giro d. λ, quivalnt a 8 º, como s mustra n la figura 5. Figura 5. Obtnción d la admitancia d ntrada con bas n la carta d Smith 36

Ejmplo 98. Cálculo d admitancias Carta d Smith. S concta una antna d L=(8- )Ω a una lína LC o= Ω. Utilic la carta d Smith para obtnr la admitancia d la carga y la admitancia d ntrada para una lína d.λ. Solución: La impdancia d carga normalizada s: S busca la intrscción d la circunfrncia con la circunfrncia, qu s ncuntra n la part infrior d la Carta. Como s mustra n la figura 53. S traza l círculo d impdancia y sobr l mismo s ncuntra l punto diamtralmnt opusto al punto d la impdancia d ntrada (8º =. λ). Las coordnadas d s punto corrspondn a: La admitancia d la lína d transmisión s: La admitancia d la carga s: Para obtnr la admitancia d ntrada, s busca la intrscción dl vctor d admitancia d carga, con la circunfrncia máima y a partir d s punto s agrga una longitud igual a la longitud d la lína. S proycta l punto sobr l círculo d admitancia y s ncuntra l valor d la intrscción, como s mustra n la figura 53. El valor d la intrscción corrspond a las coordnadas: S obtin l valor n simns. 36

ALEJANDRO PA PARRA Figura 53. Cálculo d admitancias carta d Smith. Ejmplo 98 Línas trminadas n cortocircuito o n circuito abirto Para una lína trminada n cortocircuito, la impdancia d la carga, s ncuntra localizada n la intrscción d las circunfrncias qu corrspond al punto trmo izquirdo d la Carta, como s mustra n la figura 54. La admitancia d la carga s infinita, ya qu por dfinición la admitancia s l invrso d la impdancia, y ésta s cro. 36

En la carta d Smith, la admitancia d cortocircuito s ncuntra situada n un punto diamtralmnt opusto al d la impdancia, s dcir: Figura 54. Admitancia impdancia d una lína n corto-circuito Con la lína trminada n circuito abirto ocurr actamnt lo contrario. La impdancia s infinita, lo cual indica qu la admitancia s cro. Por lo tanto, para una lína n circuito abirto, la impdancia stará n l trmo drcho y la admitancia n l punto diamtralmnt opusto, como s mustra n la figura 57. Figura 55. Admitancia impdancia d una lína n circuito abirto 363

ALEJANDRO PA PARRA Dado qu la impdancia d una lína n cortocircuito no tin componnt ral, para calcular la impdancia o la admitancia d ntrada, l círculo d impdancia coincid con la circunfrncia máima d la Carta. Ejmplo 99. Admitancia d línas n corto circuito o circuito abirto Carta d Smith. Calcul la admitancia d una lína d. λ con una impdancia intrínsca d n cortocircuito. Ω, trminada Calcul la admitancia d la misma lína si s ncuntra trminada n circuito abirto. Solución: Como s mustra n la figura 55. S part d la admitancia d una lína n cortocircuito y s hac un dsplazaminto d. λ por la circunfrncia máima d la Carta. S obtin un valor para la admitancia d: La admitancia bas d la lína s: Por lo qu la admitancia n simns quda: Si s calcula la impdancia d ntrada s tin: Tóricamnt, la impdancia d una lína n cortocircuito vin dada por: Rmplazando s obtin: Como s aprcia claramnt, l rror s infrior a Ω. 364

Para l caso d la lína n circuito abirto, s part dl trmo izquirdo d la Carta qu s la admitancia d circuito abirto y s hac un dsplazaminto d. λ por la circunfrncia máima d la Carta. S obtin un valor para la admitancia d: Por lo qu la admitancia n simns quda: Si s calcula la impdancia d ntrada s tin: Tóricamnt, la impdancia d una lína n circuito abirto vin dada por: Nuvamnt, l rror s infrior a Ω. S aprcia claramnt qu los rsultados obtnidos analíticamnt y por método gráfico difirn muy poco. 365

ALEJANDRO PA PARRA Figura 56. Admitancia impdancia d una lína n corto-circuito o circuito abirto. Ejmplo 99 Cálculo d acopls ractivos usando carta d Smith El diagrama d admitancia prmit ralizar una aproimación qu n forma analítica rsulta d gran compljidad dado l manjo qu db hacrs d los númros compljos. Cuando s obsrva la circunfrncia d admitancia, s ncuntra qu istn al mnos dos puntos n los cuals s cruza la circunfrncia. Como s obsrva n la figura 57. 366

Figura 57. Intrscción d la circunfrncia d admitancia con l círculo r= Estas intrsccions ocurrn dntro d una distancia simpr infrior a admitancia d ntrada tin por valor:. λ, y n llos la Si s pud conctar una admitancia ractiva pura n stos puntos, cuyo valor sa l invrso aditivo d la componnt imaginaria d la admitancia d ntrada, s pud obtnr una admitancia quivalnt igual a la unidad. Esta admitancia a conctar cumpl l papl d admitancia d compnsación, con lo cual al sr la admitancia total igual a la unidad, la impdancia quivalnt también sría igual a la unidad y, por lo tanto, l coficint d rflión s hac cro. La admitancia d compnsación o acopl, s concta como s mustra n la figura 58. Figura 58. Conión d un acopl ractivo para minimizar Г 367

ALEJANDRO PA PARRA El punto n l cual s concta la admitancia d compnsación s scog con bas n la carta d Smith, ntr una d dos posibilidads d o d, qu corrspondn a las dos intrsccions con l círculo, sgún s mustra n la figura 59. Figura 59. Distancias d rfrncia para ubicación d la admitancia d compnsación Ejmplo. Cálculo d distancias para conión d acopls Carta d Smith. S concta una antna d L=(6 + 4 )Ω a una lína LC o=7 Ω. Utilic la carta d Smith para obtnr la admitancia d la carga y la distancia n la cual s db conctar una admitancia d compnsación para llvar la admitancia d ntrada a la unidad. Calcul l valor d la admitancia a conctar n simns y la impdancia quivalnt n ohmios. Solución: La impdancia d carga normalizada s: En la carta d Smith s obtin una admitancia quivalnt d carga d: La intrscción dl vctor d admitancia con la circunfrncia máima s ncuntra n. 7 λ. 368

S buscan las intrsccions d la circunfrncia con la circunfrncia d admitancia. Como s mustra n la figura 6. Estas intrsccions s ncuntran n: Si s toma la solución positiva, la distancia d da como rsultado: Como la distancia no pud sr ngativa, s agrga una distancia d admitancia y la impdancia s rpitn.. λ, n la cual la Es dcir, la admitancia d acopl s db conctar a una distancia d. 8λ, dsd la carga y hacia l gnrador. En st punto, la admitancia d ntrada tin un valor d: Por lo qu s db conctar una admitancia ractiva d un valor d: Lo cual quival a una impdancia d: Eprsada n ohmios quda: El sistma complto quda: 369

ALEJANDRO PA PARRA Figura 6. Distancias d rfrncia para ubicación d la admitancia d compnsación Carta d Smith. Ejmplo Acopl ractivo a partir d sccions dl mismo conductor En lugar d conctar admitancias d compnsación, s usan normalmnt porcions dl mismo cabl qu constituy la lína, rmatados n cortocircuito o n circuito abirto, dpndindo d la ncsidad. 37

La longitud d cabl qu s db usar, s pud obtnr mdiant carta d Smith o por cálculo dircto a través d la admitancia d una lína n corto o n circuito abirto. Figura 6. Acopl ractivo con bas n una scción dl mismo conductor Esta porción d cabl rcib l nombr d acopl ractivo 33 y s obtin a partir dl punto d admitancia d cortocircuito o d circuito abirto dsplazándos sobr l círculo máimo. Para l jmplo antrior, la porción d cabl qu s db conctar n cortocircuito s calcula usando la carta d Smith, como s mustra n la figura 6. Si l acopl s hac con una lína n circuito abirto, la longitud d cabl a conctar sría: 33 En inglés s dnomina STUB. 37

ALEJANDRO PA PARRA Figura 6. Acopl ractivo con bas n una scción dl mismo conductor. Ejmplo Guías d onda Una guía d onda s cualquir structura qu prmit guiar ondas lctromagnéticas para sr transmitidas dsd un punto a otro, y dntro d la cual los campos lctromagnéticos s ncuntran confinados a una rgión dl spacio. 37

La structura d una guía d onda stá formada por una suprfici altamnt conductora qu forma las pards d la guía y un matrial aislant qu s ncuntra n mdio d llas a través dl cual s propaga la onda EM. Figura 63. Figura 63. Estructura d una guía d onda rctangular Las ondas lctromagnéticas s propagan por rflión múltipl n las pards d la guía, llvando la nrgía lctromagnética a lo largo d la structura, con solo las pérdidas gnradas por rflión, tal como s mustra n la figura 64. Figura 64. Propagación d una onda EM a través d una guía d onda En una guía d onda, la onda s propaga por rflión total ntr las pards conductoras n forma d igzag a través dl matrial diléctrico. D acurdo con la Ly d Snll l ángulo d incidncia d la onda sobr la pard d la guía, s igual al ángulo d rflión, como s mustra n la figura 64. El ángulo θ tin un valor máimo d, para garantizar la propagación d la onda. Aunqu la figura 63 mustra una guía d onda rctangular, n ralidad cualquir structura con pards rflctants pud srvir d guía d onda. S pudn ncontrar guías d onda d difrnts prfils, como los qu s mustran n la figura 65. 373

ALEJANDRO PA PARRA Figura 65. Difrnts prfils para guías d onda Sin mbargo, las guías d onda más comuns son las rctangulars y las circulars. En cuanto a los matrials constructivos, a psar d qu las pards pudn sr hchas d cualquir matrial conductor, son más comuns l aluminio y l acro, aunqu para aplicacions spcíficas s usan pards d cobr, lo cual n muchos casos no s rcomndabl ya qu incrmnta considrablmnt l costo. Para l aislant, s mpla normalmnt air, aunqu n algunos casos s usa spuma d politilno d baja dnsidad. Por su mismo principio d funcionaminto, por una misma guía d onda s pudn propagar simultánamnt difrnts ondas d divrsas frcuncias. Dpndindo dl númro d ondas qu s propagun simultánamnt por l mdio, las guías d onda pudn sr monomodo o multi-modo. Figura 66. Propagación multi-modo n una guía d onda Una guía d onda (GDO) opra n l rango por ncima d los 3GHz y s usa principalmnt n microondas, acopls dirccionals, intrfacs ntr osciladors y antnas. Principios d propagación En una GDO, las ondas s propagan d acurdo con los principios d rflión incidncia oblicua, tratados antriormnt n st libro, tnindo los mismos modos d propagación, s dcir TE, TM y TEM. Los coficints d rflión y transmisión n modo TE vinn dados por: r _ TE Cos Cos Cos Cos t _ TE Cos Cos Cos 374

Mintras n modo TM son: t _ TM Cos Cos Cos r _ TM Cos Cos Cos Cos En una GDO idal, la impdancia s cro, ya qu la pard actúa como un conductor idal. En sta condición s prsnta rflión total y los coficints d Frsnl qudan: La rflctancia n ambos modos s hac y la transmitancia cro. Por lo tanto, no ist potncia transmitida a las pards y toda la potncia s rflja al diléctrico. Para l modo TE, la onda rfljada tin l campo léctrico n contrafas con l campo incidnt, mintras n l modo TM, los campos magnéticos s ncuntra n fas. En la figura 67, s mustra una onda n modo TM propagándos a través d una GDO. Figura 67. Propagación TM a lo largo d una guía d onda Guías d onda rctangulars Las guías d onda rctangulars prsntan un prfil como l mostrado n la figura 68. La dimnsión A s simpr l lado más largo dl rctángulo, l otro lado s B. Figura 68. Guía d onda rctangular Dbido a qu la onda s propaga por rflión total n una pard conductora, por condicions d frontra l campo léctrico n los puntos d rflión db sr cro. Esto implica qu la distancia mínima posibl ntr dos puntos d rflión total db sr una smilongitud d onda, como s mustra n la figura 69. 375

ALEJANDRO PA PARRA Figura 69. Propagación a lo largo d una guía d onda rctangular El máimo valor dl ángulo d incidncia qu garantiza la propagación s d, qu s da cuando una smilongitud d onda, s igual al lado dl rctángulo qu forma la scción d la guía. Cualquir smilongitud d onda suprior a ésta no s propaga a través d la guía. A su vz, dbido a la proporcionalidad invrsa ntr la frcuncia y la longitud d onda, la mínima frcuncia qu s pud transmitir a través d una guía corrspond a la máima longitud d onda. La máima longitud d onda qu s pud propagar a lo largo d una guía d onda rcib l nombr d longitud d onda crítica y s pud calcular con bas n las dimnsions d la guía. Por lo tanto: Esta longitud d onda tin una frcuncia asociada: Dond U s la vlocidad d propagación d una onda lctromagnética n l diléctrico qu llna la guía. Para cualquir frcuncia infrior a la crítica, la longitud d onda s suprior y por lo tanto no s propaga. D sta forma, la guía d onda actúa como una spci d filtro qu solo prmit l paso d sñals con una frcuncia suprior a la frcuncia crítica. Para frcuncias supriors a la crítica, la guía d onda prmit la propagación d sñals, por lo qu ntr los puntos d rflión pud habr dos o más smilongituds d onda, dpndindo d la frcuncia. Para dnotar l modo particular qu s propaga a través d la GDO s usa l modo (TE, TM o TEM), con dos subíndics qu indican cuántas smilongituds d onda s ncuntran n dircción A y cuántas n dircción B. En la figura 7, s mustran las Línas d Furza dl campo léctrico y magnético para l modo d propagación TE. Las línas d campo E s dibujan n lína continua, mintras las d campo H stán n lína puntada. 376

Figura 7. Campo léctrico y magnético n una guía d onda modo TE En la figura 7, s mustran las Línas d Furza para l modo TE, como s aprcia, l campo E cambia d dircción n l cntro d la GDO, sto significa qu n s punto s ncuntra un nodo d la onda stacionaria y, por lo tanto, istn dos smilongituds d onda n dircción A y ninguna n dircción B. Figura 7. Campo léctrico y magnético d una onda n modo TE En la figura 7, s mustran otras configuracions d Línas d Furza para otros modos d propagación. Figura 7. Difrnts modos d propagación n una GDO rctangular 34 34 Tomado d Plot of modal fild distribution in rctangular and circular wavguids : IEEE Transactions on Microwav Thory and Tchniqus, VOL. MTT-33, NO. 3. March 985. 377

ALEJANDRO PA PARRA El modo TE, por tnr la mínima frcuncia qu s propaga dntro d la guía d onda, s dnomina modo principal, para cualquir otro modo d propagación, la longitud d onda crítica s calcula como: C La frcuncia crítica quda dfinida por: m A n B f C U m A n B Dond m y n son los subíndics dl modo d propagación TE mn. Ejmplo. Modos d propagación n guías d onda. Una guía d onda rctangular, laborada n cobr (σ=.8 7 Sm/m), con air n su intrior, tin dimnsions d 5.5 3. cm. y transporta una sñal snoidal. Encuntr n qué intrvalo d frcuncia principal. por dicha lína solo s propaga l modo Encuntr una frcuncia cntral dl intrvalo propagación dl modo principal. n la cual s garantiza la Solución: S calculan las frcuncias d los primros modos d propagación TE, TE y TE. f C U m n A B Para l modo TE : Para l modo TE : Para l modo TE : 8 U 3 m / sg f C. 73GHz A m 8 U 3 m / sg f C _ 4. 7GHz B 6.4 m 8 3 f C _ 5. 4GHz 5.5 3. Por lo tanto, la lína opra n modo principal n l intrvalo:.73-4.7ghz. La frcuncia cntral sría: f f f.73 4.7GHz 3. 6 GHz 378

Ejmplo. Dimnsionado d guías d onda. A través d una guía d onda rctangular laborada n aluminio (σ=.8 7 Sm/m) y con diléctrico air (σ= ), s transfir una sñal a una frcuncia d 4GHz. Obtnga las dimnsions qu db tnr la guía, d tal forma qu s garanticn las siguints condicions: Condición. Qu a través d la GDO solo s propagu l modo TE. Condición. Qu la frcuncia d transmisión sa l promdio gométrico (ft=f*f) d la frcuncia d cort dl modo dominant y la frcuncia dl modo TE. Condición 3. Qu la frcuncia d cort dl modo dominant sa la mitad d la frcuncia d cort dl modo TE. Solución: El mdio s air, por lo tanto: U=3 8 m/s. Para garantizar qu solo s propagu l modo TE s rquir qu A>>B Con la cuación d la frcuncia crítica para cada modo d propagación: f C _ TE U A B U A U U f C _ TE A B B La condición stablc qu: f U U A B U AB f 8 3 m / s 9 4 Hz.4 3 m La condición 3 stablc: U U A B A B Rmplazando: 3 AB B.4 m B.65cm A 5. 3cm Calculando la frcuncia dl modo principal: 8 U 3 m / s fc _ TE. 53GHz A 5.3 m El modo siguint s l TE Con lo cual s garantiza la condición. 8 U U 3 m / s fc _ TE 5. 6GHz A B B.65 m 379

ALEJANDRO PA PARRA Método gráfico para dtrminar modos d propagación Eist un método gráfico qu prmit dtrminar n forma simpl los modos qu s propagan a través d una guía d onda para una frcuncia spcífica. El método usa la rlación d las dimnsions d una guía d onda y la rlación d la frcuncia d la sñal con rspcto a la frcuncia dl modo principal TE. Inicialmnt, s toma una hoja d papl milimtrado o cuadriculado y s dibuja un rctángulo vrtical con las dimnsions A y B d la guía d onda o dimnsions proporcionals. Postriormnt, s hacn rctángulos pgados a ést; con las mismas dimnsions s hacn tantos rctángulos como la rlación dond f s la frcuncia d la onda y la frcuncia d cort dl modo principal. S traza un j horizontal y un j vrtical. Las subdivisions d los rctángulos corrspondn a los índics n y m, rspctivamnt. 38

Finalmnt, s dibuja un radio vctor sobr l j horizontal cuya longitud s igual a la rlación. S traza un cuarto d circunfrncia hasta l j vrtical. Los subíndics qu qudan dntro dl cuarto d círculo o justo n la frontra dl mismo s propagan. Los qu qudan por fura no. Figura 73. Método gráfico para dtrminar los modos d propagación n una guía d onda rctangular En l caso d la figura 73, s propagan los modos: TE, TE, TE, TE, TE, y sus corrspondints modos TM. Parámtros d propagación En una guía d onda, a difrncia d las línas d transmisión, dbido a la particular forma d dsplazars la onda EM, s tinn dos vlocidads d propagación y sus rspctivas longituds d onda a considrar. 38

ALEJANDRO PA PARRA La primra d llas s ilustra n la figura 74, y s rfir a la vlocidad con la cual s dsplaza la nrgía EM dntro d la guía. Figura 74. Longitud d onda d grupo dntro d una guía d onda Como s aprcia n la figura 74, la vlocidad d grupo guarda una rlación con la vlocidad d la onda n l diléctrico, la cual vin dada por: D dond sal qu: Dbido al modo d propagación, dntro d la guía s forman valls y crstas d nrgía, ubicados n los puntos d cruc d los rayos. La distancia ntr dos valls vin a dtrminar una smilongitud d onda d nrgía. Ésta rcib l nombr d longitud d onda d grupo. D dond sal: El ángulo θ s pud prsar n función d la longitud d onda n l diléctrico y la longitud d onda crítica: 38

La vlocidad d la onda EM s constant, indpndintmnt d la frcuncia o la longitud d onda: Por lo cual: D dond sal: Por lo tanto: Dada la idntidad: La longitud d onda d grupo quda: Rmplazando: A su vz, la vlocidad d onda d grupo quda: La sgunda vlocidad a considrar s la llamada vlocidad d fas, qu corrspond a la vlocidad con la qu cambia la fas d la onda sobr la pard d la guía, como s mustra n la figura 75. Figura 75. Vlocidad d fas sobr una guía d onda 383

ALEJANDRO PA PARRA Esta vlocidad s ncuntra también rlacionada con la vlocidad d la onda n l diléctrico: D dond s obtin: En función d la frcuncia crítica quda: La vlocidad d fas s suprior a la vlocidad d la onda n l diléctrico. La vlocidad d fas a su vz llva rlacionada una longitud d onda d fas, qu s mustra n la figura 75. D dond sal: En función d la frcuncia crítica s obtin: La rlación ntr la vlocidad d grupo y d fas vin dtrminada por: 384

Ejmplo 3. Vlocidad d grupo y d fas. A través d una guía d onda rctangular d sñal a una frcuncia d 4.5GHz. con diléctrico air, s transmit una Dfina qué modos d propagación s alcanzan a propagar por la guía y si ésta trabaja n monomodo o multimodo. Calcul la vlocidad d grupo y d fas para cada modo. Solución: La frcuncia d cort dl modo principal s: La rlación, da como rsultado: La rlación A/B s d, por lo qu n l método gráfico solo s propaga l modo principal. La vlocidad d grupo: La vlocidad d fas: Aquí ist una contradicción aparnt, ya qu la vlocidad d fas s suprior a la vlocidad d la luz, sin mbargo, db rcordars qu la vlocidad d fas no corrspond a ningún dsplazaminto físico, sino a una difrncia d fas ntr una onda y otra qu s toma como rfrncia, s dcir, la vlocidad con la qu cambia la fas d una sñal. 385

ALEJANDRO PA PARRA Impdancia intrínsca S comporta igual al a impdancia intrínsca d una lína d transmisión pro con la corrcción dbida a la rlación con la frcuncia crítica. S hac difrncia ntr la impdancia n modo TE y la impdancia n modo TM. _ TE fc f fc _ TM f Las impdancias n ambos modos stán rlacionadas como: _ TE _ TM Estas impdancias corrspondn a la impdancia d la guía d onda. Al acoplars con una impdancia d carga, la impdancia d ntrada s igual a la d una lína sin pérdidas. in L j j L Tan g Tan g Ejmplo 4. Impdancia intrínsca. A través d una guía d onda rctangular d con diléctrico air, s transmit una sñal n modo TE a una frcuncia d 4.5GHz. La guía stá rmatada por una antna tipo curno con una impdancia quivalnt d. Calcul la impdancia d ntrada dl conjunto. Solución: La frcuncia d cort dl modo principal s: 386

La rlación, da como rsultado: La impdancia intrínsca dl air s: La impdancia intrínsca d la guía n modo TE. _ TE 56 f C f 3 La longitud d onda n l air s: La longitud d onda d grupo: La impdancia d ntrada: Rmplazando: in L j j L Tan g Tan g in 56 5 j5 j56 3 cm Tan 8.94 cm 3 cm 56 j5 j5 Tan 8.94 cm 387

ALEJANDRO PA PARRA La impdancia intrínsca d la guía d onda tin una furt dpndncia d la frcuncia d transmisión. En la figura 76, s mustra la impdancia TE para dos modos d propagación n una guía d 5cm.5cm. Figura 76. Impdancia intrínsca d una guía d onda d 5.5cm. para l modo TE azul y TE rojo n función d la frcuncia Como s obsrva claramnt, cuando la frcuncia s acrca a la frcuncia d cort dl modo spcifico, la impdancia intrínsca tind a infinito, impidindo su propagación. Potncia y pérdidas n guías d onda rctangulars En las guías d onda idals, la rflión n las pards s total, ya qu no s prsnta campo transmitido. Sin mbargo, n condicions no idals, una pquña cantidad d la potncia transportada por la onda EM s cdida al mdio conductor, gnrando pérdidas por fcto Joul. La impdancia intrínsca d un bun conductor vin dtrminada por: En una guía d onda, hcha d cobr 4GHz vndría a sr:, l valor n una frcuncia d 388

Esta pquña impdancia, hac qu l coficint d transmisión sa ligramnt difrnt d cro y qu part d la potncia transportada por la onda s transmita a la pard. Eist, por lo tanto, un coficint d atnuación ligado a la conductividad d la pard d la guía, qu dtrmina la pérdida d potncia. La atnuación dbida al conductor para un modo particular d propagación vin dtrminada por: c R B s _ TM B A f f c Np m Dond l parámtro Rs s la rsistncia quivalnt por unidad d longitud, considrando l fcto suprficial, y A y B son las dimnsions d la GDO. R s c p f c Adicionalmnt, s considran las pérdidas por fcto Joul n l diléctrico qu llna la GDO. Estas pérdidas son normalmnt dsprciabls, pro dpndindo d la tangnt d pérdidas dl diléctrico, pudn llgar a sr importants. d d _ TM Np m La constant d atnuación total pud calculars como la suma d ambas componnts: g c d La constant d propagación n la GDO quda dtrminada por: g j g g Dond: Es dnominada constant d fas d grupo. 389

ALEJANDRO PA PARRA El vctor d Poynting n l intrior d la GDO quda dtrminado por: P E g g P Cos Dond in s la impdancia d ntrada d la guía y E s l campo léctrico n la ntrada d la guía. Las pérdidas dntro d la guía s pudn también mdir n scala logarítmica, usando: in in p log 8. 69 g g Db m Ejmplo 5. Constant d atnuación n guías d onda rctangulars. Una guía d onda rctangular, laborada n cobr (σ=.8 7 Sm/m) con air n su intrior, tin dimnsions d 5.5 3. cm. y transporta una sñal snoidal. Encuntr n qué intrvalo d frcuncia (f, f ) por dicha lína solo s propaga l modo principal. Hall una frcuncia cntral dl intrvalo a la cual s garantiza la propagación dl modo principal. Encuntr la mínima longitud (cm) d la guía n la cual s prsntan ondas stacionarias. Calcul la constant d atnuación n la guía a dicha frcuncia, dsprci las prdidas n l air. Solución: S calculan las frcuncias d los primros modos d propagación TE y TE. f C U m A n B Para l modo TE : Para l modo TE : 8 U 3 m / sg f C. 73GHz A m 8 U 3 m / sg f C _ 4. 7GHz B 6.4 m Por lo tanto, la lína opra n modo principal n l intrvalo:.73-4.7ghz. 39

La frcuncia cntral sría: f f f.73 4.7GHz 3. 6GHz La mínima longitud d la guía para qu s prsntn ondas stacionarias s: 8 U g 9. 6.73 C 9 f f f 3.6 3 m s Hz 3.6 cm Las ondas stacionarias s prsntan cada λg/ La constant d atnuación quda: R c b s _ TM b a f f c Np m R s p f fc _ TM f 7 9 4 3.6 R s 5. 6 7 5.8 m _ TM.73 36. 5 3.6 Eprsada n db. 3 5.6 3..73 Np Np c. 5 3. 36.5 5.5 3.6 m m Las pérdidas, al igual qu la impdancia intrínsca, también tinn una furt dpndncia d la frcuncia, dbido principalmnt a dos fctos:. La impdancia intrínsca cambia con la frcuncia, por lo qu la dnsidad d potncia qu rcib la GDO cambia y las pérdidas también. 39

ALEJANDRO PA PARRA. La profundidad d pntración d la sñal n la pard d la guía cambia modificando l parámtro Rs y ocasionando l incrmnto d la constant d atnuación. En la figura 77, s mustran las pérdidas normalizadas para una guía d onda d 5.5cm laborada n cobr. Como s aprcia claramnt, las pérdidas tindn a incrmntars con la frcuncia, por lo qu no rsulta convnint oprar la guía n frcuncias muy supriors a la d cort dl modo principal. Normalmnt, s busca la frcuncia d opración óptima n l punto d mínimas pérdidas. Figura 77. Pérdidas normalizadas n una guía d onda d 5.5cm. para l modo TE(azul) y TE(rojo), laborada n cobr Para las guías d onda cuadradas, las cuacions son iguals n las guías d onda rctangulars, solo qu s cumpl B=A. En st caso, la frcuncia d cort dl modo TE s igual a la dl modo TE y la sgunda frcuncia d cort n ordn ascndnt s la dl modo TE. Guías d onda circulars Las guías d onda d prfil circular tinn la vntaja d funcionar más ficintmnt n forma multimodal rducindo la atnuación por unidad d longitud considrablmnt (<3Db/km). 39

S usan n aplicacions n dond s rquira transportar potncia ficintmnt n distancias rlativamnt largas. Su structura s mustra n la figura 78. Figura 78. Esquma d una guía d onda circular Tinn sncialmnt los mismos modos d propagación d las guías rctangulars, pro la rlación ntr llos, las dimnsions físicas d la guía y la frcuncia crítica son difrnts. S basan n un conjunto d coficints dnominados d Bssl, pro los subíndics s rfirn al númro d smilongituds d onda n dircción φ y r, rspctivamnt. El modo d propagación TE, por jmplo, prsnta una smilongitud d onda n dircción φ y ninguna n dircción r. Figura 79. Modo d propagación TE n una guía d onda circular. Las línas d campo léctrico son continuas, las d campo magnético puntadas. El modo d propagación principal n st tipo d guía s l modo TE, dbido a la simtría qu prsnta la guía, la longitud d onda d cort para st modo s d 3.4 vcs l radio d la guía. Para los siguints modos d propagación la longitud d onda d cort s ncuntra n la tabla 7. 393

ALEJANDRO PA PARRA Tabla 7. Longitud d onda d cort para difrnts modos d propagación n una guía d onda circular Modo d propagación Longitud d onda d cort TE 3.4r TM.6r TE.6r TE, TM.64r TE 3.49r TM.r TE 4 TE.8r TM.4r TM 3 TE 5.98r TE.94r TM TE.89r TM 4 TE 6.83r Ejmplo 6. Frcuncias d cort n guías d onda circulars. Una guía d onda circula rllna d air n su intrior tin un radio d.6 cm. y transporta una sñal snoidal. Encuntr n qué intrvalo d frcuncia (f, f ) por dicha lína solo s propaga l modo principal. Hall una frcuncia cntral dl intrvalo a la cual s garantiza la propagación dl modo principal. Solución: La longitud d onda d cort dl modo principal s: La frcuncia d cort asociada s: La longitud d onda d cort dl siguint modo: 394

La frcuncia d cort asociada s: Es dcir, n l intrvalo s propaga solo l modo principal. La frcuncia cntral dl intrvalo s: Propagación n fibra óptica El principio d rflión total intrna s usa para transmitir d manra altamnt ficint sñals lctromagnéticas a través d fibra óptica. En una fibra óptica s transmitn sñals n infrarrojo (7 a 3nm) con atnuacions muy pquñas, (<.5DB/km) por lo qu s usan n grands distancias. Por su amplísimo ancho d banda, s pudn usar para transmitir gran cantidad d sñals n forma multimodal. Una lína d fibra óptica stá constituida por un núclo cntral, l cual s ncuntra rcubirto por un rvstiminto qu tin un índic d rfracción infrior al dl núclo, como s mustra n la figura 8. La lína s ncuntra usualmnt aislada dl mdio trior por una funda opaca qu vita la disprsión y protg contra la polución o la contaminación luminosa dl ntorno. Figura 8. Esquma d un haz d fibra óptica El haz d luz s propaga dntro d la fibra como s mustra n la figura 8. Como misor s usa normalmnt un fotodiodo y como rcptor un fototransistor. 395

ALEJANDRO PA PARRA Figura 8. Propagación d un haz d luz a través d fibra óptica Para garantizar la propagación d la sñal, ist un ángulo crítico con l cual l haz d luz db ingrsar al núclo d la fibra. Est ángulo s llama d admisión y solo s propagan hacs qu ingrsn con un ángulo igual o infrior a ést. n Sn Por su configuración simpl, la fibra óptica s construy normalmnt n matrials flibls, como difrnts tipos d plásticos o drivados dl politilno, lo cual l da una gran flibilidad y facilidad n la instalación. Normalmnt, s mpaca n paquts qu continn cintos o mils d hacs dpndindo d las ncsidads. Para garantizar la propagación d un solo modo, la longitud d onda d rfrncia s: n n. r n n 6 La frcuncia asociada s: f c.6r n n Ejrcicios dl capítulo Part. Línas parámtros y modlos. Calcul los parámtros léctricos d una lína coaial n cobr con los siguints parámtros gométricos y a la frcuncia dada (PE=Politilno). Calibr AWG Diámtro aislant (mm) Malla d tirra (mm) Frcuncia (MHz) Aislant 4.7.4 PE 8 3.5. 5 PE 8 8.5. 5 PE 4 5..8 5 PE 396

. Calcul los parámtros léctricos d una lína bifilar n aluminio con los siguints parámtros gométricos y a la frcuncia dada: Calibr AWG Sparación (mm) Frcuncia (khz) Aislant 3. PE 4 3.5 3 PE 8 6. 45 PE 5.4 8 PE 3. Calcul los límits d opración n alta frcuncia para qu un cabl coaial n cobr y politilno con los siguints parámtros gométricos prsnt una atnuación máima d 3dB/km. Dsprci las pérdidas n l aislaminto: a=.35mm b=.5mm t=.3 Establzca n qué bandas st cabl s ncuntra oprando n: a) Baja frcuncia. b) Frcuncia mdia. c) Alta frcuncia. 4. Rpita los cálculos dl punto 3, para los cabls dl punto, considrando una atnuación máima d db/m. 5. Un cabl bifilar n cobr prsnta los siguints parámtros gométricos: a=.35mm D=.5mm Encuntr la frcuncia límit d opración para qu las pérdidas máimas san d 3dB/m. Dfina las bandas d opración para st cabl n: a) Baja frcuncia. b) Frcuncia mdia. c) Alta frcuncia. Part. Parámtros d propagación n línas d transmisión 6. Un cabl no disipativo (LC), sin pérdidas, tin los siguints parámtros distribuidos: Encuntr l factor d vlocidad y la impdancia caractrística. 7. Un cabl no disipativo tin un factor d vlocidad d.9 y una impdancia caractrística d Ω. Calcul la inductancia y la capacitancia distribuidas. 8. Una lína no disipativa tin una impdancia caractrística d Ω y un factor d vlocidad d.7. La lína trmina n una carga d Ω. Si l volta incidnt s d 6VRMS, MHz, calcul l valor dl voltaj máimo y mínimo sobr la lína, la distancia dsd la carga n dond s ncuntra l primr máimo d voltaj, la VSWR y l porcntaj d potncia rfljada y transmitida. 397

ALEJANDRO PA PARRA 9. Una lína no disipativa tin una impdancia caractrística d Ω, trmina n una carga d Ω. Calcul l coficint d rflión, la VS R y la impdancia d ntrada para.. Calcul los parámtros d propagación para una lína d transmisión con los siguints parámtros léctricos mdidos a una frcuncia d MHz: a) b) c). Calcul la impdancia intrínsca n alta frcuncia para las siguints línas construidas n cobr : a) Bifilar aislada por air: b) Bifilar aislada por politilno: c) Dobl cinta aislada por air: d) Dobl cinta aislada por politilno:. Calcul la impdancia intrínsca, l factor d vlocidad, la longitud d onda, la atnuación dbida al conductor, al diléctrico y la total, para una lína d microcinta laborada n plata y aislada con baqulita oprando a MHz, con los siguints parámtros gométricos:. 3. S concta un gnrador d volta d VRMS MHz g=6 Ω, a una antna qu tin un circuito quivalnt, formado por una rsistncia d 4 Ω y una inductancia sri d. uh, mdiant.8m d cabl coaial d impdancia caractrística 7 Ω, fv=.8. Calcul la potncia incidnt, rfljada y transmitida n la carga, la potncia incidnt ntrgada por l gnrador y la distancia a la cual s ubican los máimos d voltaj sobr la lína y la VSWR. 4. Un gnrador d sñals d impdancia intrna 6 Ω, s concta con la carga a través d una lína d transmisión no disipativa con impdancia intrínsca 7 Ω. Qué impdancia s db conctar como carga para obtnr la máima transfrncia d potncia? 5. En una lína d transmisión s tin un SVWR=3 y l máimo d voltaj s ncuntra justo n la carga. La potncia disipada n la carga s d 9W. Calcul l coficint d rflión, la impdancia d carga normalizada, la potncia incidnt y la rfljada. Part 3. Fibra óptica. Encuntr l ángulo crítico con l cual db incidir un rayo d luz n una fibra óptica, hcha con un matrial d ε r=, rodado por un matrial d ε r=.5, para qu ista rflión total. 398

. En la fibra óptica, qu s mustra n la figura, ncuntr n función d η y η, l valor máimo qu pud tnr l ángulo φ, para garantizar la propagación d la onda. Figura 3 3. En la fibra óptica, qu s mustra n la figura dl problma antrior, ncuntr l valor qu dbría tnr la impdancia η n función d η y η, para qu l ángulo φ corrsponda al ángulo d Brwstr y s garantic la propagación d la onda. Rspustas a los jrcicios Part. Línas parámtros y modlos. Parámtros R(Ω/m) L(uH/m) C(pF/m) G(Sm/m).46.4 63 3.-6 4.47.48 53.6-6 3..4 59 3-6 4.6.46 54.7-6. Parámtros R(Ω/m) L(uH/m) C(pF/m) G(Sm/m).7.39.5-6.3.5 4.-6 3.3. 5.6-6 4.3.33.-6 3. 4.8MHz<f<5.35MHz LF<36kHz MF: 36kHz<f<4.8MHz HF>4.8MHz. 4. Cabl f -f (MHz) LF(<kHz) HF(>MHz).7-56 4.7-6 69 3.3-46 6.3 4.68-43 67.68 5. 3.5MHz<f<34MHz LF<35kHz MF: 35kHz<f<3.5MHz HF>3.5MHz. 399