ENTRENADOR PARA EL ESTUDIO DE MICROONDAS

DL 2594N

ENTRENADOR PARA EL ESTUDIO DE MICROONDAS

MANUAL DE USUARIO

DL 2594N

Versión 1.0 Página III

Contenido

Guía de inicio

Prefacio Página V Sobre este manual Página VII

1. Composición, operación y mantenimiento Página 1

1. Kit de entrenamiento del sistema de prueba de guía de ondas de 3 cm DL 2594N Página 2

2. Descripciones técnicas de los componentes utilizados en DL 2594N Página 4

2. Instalación del Entrenador DL 2594N Página 37

1. Descripción y diseño del DL 2594N Página 37

2. Diseño y descripción del hardware Página 39

3. Funcionamiento Página 48

3. Sección teórica Página 49

1. Introducción. Áreas de aplicación de microondas Página 49

2. Algunas nociones. Antecedentes generales Página 50

3. Espectro de las microondas Página 53

4. Espectro electromagnético Página 54

5. Línea de transmisión (TL) teoría (línea TEM) Página 55

6. Líneas de transmisión con excitación sinusoidal Página 57

4. Sección de experimentos Página 59

1. Experimento 1: Detector de cristal Página 61

1. Teoría Página 61 2. Procedimiento del experimento Página 64

2. Experimento 2: Modos de propagación, longitud de onda y velocidad de fase en la guía de ondas

Página 73


3. Experimento 3: Valor Q y ancho de banda de una cavidad de resonancia

Página 83


Guía de inicio

Página IV Versión 1.0

4. Experimento 4: Medición de potencia Página 91


5. Experimento 5: Medición de onda estacionaria Página 102


6. Experimento 6: Estudio de la propagación de las microondas en la guía de ondas

Página 108


7. Experimento 7: Propiedades básicas de un acoplador direccional Página 115


8. Experimento 8: Medición de la atenuación Página 123

1. Teoría Página 123

2. Procedimiento del experimento Página 124

9. Experimento 9: Studio de una guía de ondas T‐híbrida Página 129



10. Experimento 10: Emisión y recepción utilizando antenas

de bocina Página 139



5. Referencias Página 145

DL 2594N

Versión 1.0 Página V

Prefacio

La red de radiocomunicación por microondas tiene una función fundamental en

nuestros días. Las señales de frecuencia más alta atraviesan la ionósfera, pero

experimentan una distorsión, misma que disminuye con la frecuencia. Las señales

de microondas, muy por encima del corte ionosférico, apenas se ven afectadas, a

niveles de potencia bastante pequeños. Por estas razones, las microondas se

utilizan en la comunicación satelital y en las transmisiones espaciales. Estas

tecnologías innovadoras se utilizan para crear un sistema de telecomunicaciones

avanzado, muy en tendencia actualmente. Para responder a las necesidades cada

vez más diversificadas de entrenamiento en la gestión de sistemas de

telecomunicaciones, se han desarrollado alguno programas de entrenamiento

importantes.

El entrenador DL 2594N ha sido diseñado para comenzar con algunos conceptos

que abordan a profundidad temas básicos relacionados con la propagación del

campo electromagnético de microondas a través de guías metálicas rectangulares,

así como la interacción entre el campo de microondas y diversos ambientes

conductores o dieléctricos.

El conjunto de experimentos toma como base el conocimiento adquirido por el

estudiante en estos cursos básicos para el entrenamiento en temas más avanzados

como campo electromagnético, propagación de microondas a través de guías de

onda, condiciones de los fenómenos de onda estacionaria, onda reflejada,

resonancia y atenuación a lo largo de la dirección de propagación.

¿Para quién fue diseñado este entrenador?

1. El entrenador DL 2594N está dedicado, en primer lugar, a las personas con

cierto conocimiento previo de electromagnetismo y telecomunicaciones que

desean comprender el uso de los dispositivos y de las tecnologías de

telecomunicaciones en frecuencias ultra altas.

2. En segundo lugar, puede ser utilizado también como entrenador para personas

con conocimientos técnicos básicos, si entienden los principales fenómenos

físicos que ocurren en la propagación del campo electromagnético de las

microondas cuando está dirigido por guías de onda metálicas.

Guía de inicio

Página VI Versión 1.0

3. El entrenador DL 2594N ejemplifica paso a paso, en una secuencia lógica, la

función de cada componente utilizado en los circuitos electrónicos en el campo

de microondas, así como la función de los aparatos de medición utilizados en la

evaluación cuantitativa de las principales magnitudes físicas y en el estudio de la

propagación del campo electromagnético de microondas, a través de los

elementos que componen las instalaciones de microondas.

4. Con la documentación provista, el usuario puede continuar o desarrollar nuevas

aplicaciones del entrenador.

5. Como se puede observar, al tener en el laboratorio experimentos tan complejos,

profesores, instructores o cualquier otra persona involucrada en la educación y

la capacitación pueden diseñar su propio plan de enseñanza en diferentes

campos de la educación, desde los principios básicos del estudio de propagación

de microondas hasta las tecnologías de telecomunicación en frecuencias ultra

altas.

DL 2594N

Versión 1.0 Página 49

3.Secciónteórica

1. Introducción.Áreasdeaplicacióndelasmicroondas

La primera parte teórica cubre los conceptos básicos de la física de las microondas.

Las microondas son generadas por una fuente de señal (dispositivo DL 2594N) y su

propagación junto con las guías de onda rectangulares (DL 2594.1 a DL 2594.14) son

analizadas en detalle.

Características de las ondas electromagnéticas

Detector de cristal

Registro de una característica corriente‐tensión

Teoría de línea de transmisión y variables de línea

Propagación de onda en guías de onda

Ondas estacionarias, cortocircuito, reflexión y correspondencia

Relación de onda estacionaria

Reducción de potencia y carga térmica

Medición de formas de onda en guías de onda usando una línea ranurada

Guías de onda híbrida, TE y TM.

Dimensiones de guía de onda y frecuencia de operación

Dieléctrica en guía de onda

Los prerrequisitos para un trabajo exitoso en esta primera parte teórica son:

Conocimiento de la tecnología de CC y CA

Fundamentos de la teoría de línea de transmisión: diagrama de circuito

equivalente para una línea de transmisión eléctrica y cantidades por unidad de

longitud

Física de la propagación de onda

Entendimiento de los números complejos expresados usando “j”

Sección teórica

Página 50 Versión 1.0

2. Algunasnociones.Antecedentesgenerales

Definición de frecuencia: El rango de frecuencia que se extiende desde 300 MHz

hasta 300 GHz se conoce generalmente como microondas. Estos límites son en

cierta medida arbitrarios.

Definición de la longitud de onda: Desde c = λ∙f (en vacío), λ está entre 1m and

1mm.

Figura 3.1. Parámetros principales de las ondas

Energía de un fotón de microondas: Un fotón de microondas tiene una energía en

el rango de aproximadamente 1.2x10‐6‐ 1.2x10‐3 eV (calculado a partir de la energía

= h∙f donde h = 6.63x10‐34 J s ). Sin ionización.

Orden de magnitud de los periodos: El periodo T = 1/f se encuentra entre 3ns

(nanosegundos) y 3 ps (picosegundos).

Figura 3.2. Propiedad de ortogonalidad de las ondas electromagnéticas (patrón).

DL 2594N


Comentario dimensional: la longitud de onda de una señal de microondas es del

mismo orden de magnitud que los dispositivos utilizados para producirla y

transmitirla. No se puede asumir que los dispositivos son simplemente puntos

adimensionales en el espacio libre como se hace en las aproximaciones de la teoría

de circuitos. Además, el término tensión no se define de una manera única, ya que

el campo eléctrico no se deriva de un potencial escalar. Por otro lado, tampoco se

puede asumir que los dispositivos son demasiado grandes con respecto a la

longitud de onda, como es el caso de la óptica geométrica. Los problemas de

microondas deben considerarse en términos de campos eléctricos y magnéticos

como se define en el modelo de Maxwell.

Ancho de banda: la velocidad de transmisión de un canal es directamente

proporcional a su ancho de banda. Un cálculo simple muestra que en el rango de

frecuencia de 300 MHz a 300 GHz se puede transmitir 999 veces más información

en un periodo específico que en todas las demás bandas de frecuencia más bajas (0

‐ 300 MHz) al mismo tiempo. Un ancho de banda del 1% de 600 MHz corresponde a

6 MHz (el ancho de banda de un canal), mientras que a 60 GHz, un ancho de banda

del 1% corresponde a 600 MHz (alrededor de 100 canales de televisión).

Directividad de las antenas: el ancho del haz irradiado por una antena es

directamente proporcional a la relación entre la longitud de onda y la dimensión

más grande de la antena. Cuando se transmite una señal de un punto a otro (enlace

de microondas) o cuando se determina el origen de un reflejo (radar), se requiere

un ancho de haz estrecho.

Entonces, es necesario tener una antena de gran tamaño, que a menudo no es conveniente por razones mecánicas, o utilizar una señal de alta frecuencia.

Transparencia de la ionósfera: La propagación electromagnética en la ionósfera es

similar a la de la guía de onda. Las señales a frecuencias menores a 10‐40 MHz

(frecuencia de corte) son reflejadas parcial o totalmente. Esta propiedad se utiliza

para realizar múltiples enlaces de reflexión en ondas cortas. Las señales de

frecuencia más altas viajan a través de la ionósfera, pero experimentan una

distorsión, misma que disminuye con la frecuencia. Las señales de microondas muy

por encima del corte ionosférico, apenas se ven afectadas, a niveles de potencia

realmente pequeños. Por estas razones, las microondas se utilizan para las

comunicaciones satelitales y las transmisiones espaciales. Por lo tanto, son posibles

los enlaces de comunicación (tanto terrestres como con satélites en órbita) con

altas capacidades.

Sección teórica


Transparencia parcial de la atmósfera: Ni los componentes atmosféricos (oxígeno,

nitrógeno, vapor de agua, dióxido de carbono), ni los elementos suspendidos (gotas

de agua, cristales de hielo, polvo y humo) afectan significativamente las señales con

frecuencias menores a 10 GHz. Las señales de frecuencia más altas, sin embargo,

experimentan varios efectos no deseados: absorción, despolarización y centelleo.

Reflection of Targets: The effective reflection area (radar cross‐section, scattering

cross‐section) of an object depends in a very sensitive manner on the ratio of the

object’s size to the wavelength. When the reflecting element is much smaller than

the wavelength, the reflection becomes vanishingly small.

Reflexión de los objetivos: El área de reflexión efectiva (sección transversal del

radar, sección transversal de dispersión) de un objeto depende en gran medida de

la relación entre el tamaño del objeto y la longitud de onda. Cuando el elemento

reflector es mucho más pequeño que la longitud de onda, el reflejo se vuelve

infinitamente pequeño.

1‐ RADAR

‐Vigilancia (control del tráfico aéreo)

‐Navegación (búsqueda de dirección)

‐Meteorología

2‐ MEDICINA

‐Tratamiento de enfermedades

‐Imágenes de microondas

3‐ TOPOGRAFÍA

4‐ CALEFACCIÓN

5‐ CONTROL DE CALIDAD INDUSTRIAL

6‐ RADIOASTRONOMÍA

7‐ NAVEGACIÓN A TRAVÉS DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

8‐ DETECCIÓN REMOTA

9‐ TRANSMISIÓN DE ENERGÍA

DL 2594N


4.Seccióndeexperimentos

Introducción

Tanto las microondas como las ondas luminosas son ondas electromagnéticas.

Comparten fenómenos comunes a todas las ondas, como reflexión, refracción,

polarización, interferencia y difracción.

Sin embargo, como la longitud de onda de una microonda es aproximadamente 4

veces mayor que la de una onda de luz visible, los fenómenos experimentales y el

aparato del microondas son diferentes.

Diagramaesquemáticodelmódulodelsistemaparaelexperimentodeguíadeondade3cmDL2594N

Este diagrama es solo informativo porque para los experimentos que se presentan a

continuación, se usarán solo algunos de los dispositivos y componentes.

Sección experimental


La absorción de las microondas está dirigida por la constante dieléctrica del tejido. Como la velocidad de las ondas electromagnéticas es proporcional al valor recíproco de la raíz cuadrada de la constante dieléctrica, la longitud de onda resultante en el tejido puede caer a una fracción de la longitud de onda en el aire; por ejemplo, a 10 GHz la longitud de onda puede caer de 3 cm hasta aproximadamente 3.4 mm. Ya que el oscilador utilizado en esta unidad del experimento tiene una potencia relativamente pequeña, la salida no es peligrosa para otras partes del cuerpo, pero los ojos pueden sufrir daños permanentes.

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4.1.Experimento1:DetectordecristalObjetivos

• Aprender sobre la teoría básica y el funcionamiento del detector de cristal.

1. Teoría

A. Detector de cristal.

El detector de cristal es un dispositivo que detecta señales de microondas de

acuerdo con las características de "ley cuadrada".

Los diodos de cristal de germanio o silicio de contacto puntual son los detectores de

cristal más comunes. A veces, se usa un bolómetro para detectar las microondas,

aunque el propósito principal del dispositivo es medir la potencia de microondas.

En las figuras 4.1.1 y 4.1.2 se presenta un circuito detector de cristal típico y las

curvas características. El filtro (entrada de paso alto) sirve para separar las

frecuencias de microondas de la salida de CC.

Figura 4.1.1. Circuito detector de cristal típico

Figura 4.2. Características V‐I de un diodo de cristal. Tensión directa



En la figura 4.1.2, buscamos la relación entre la corriente y la tensión del diodo.

i = a0 + a1V + a2V2 + a3V

3 (4.1‐1)

Normalmente, los tres primeros términos son suficientes para la aproximacion de la

función completa. Si la tensión se expresa como:

V = Acosωt; donde A es la amplitud y ω es igual a 2πf

Sustituyendo V en (4.1‐1):

i= a0 + a1 (Acosωt) + a2 (Acosωt)2 +…. (4.1‐2)

Utilizando:

cos2ωt = 1/2(1 + cos2ωt) (4.1‐3)

i= a0 + a1 (Acosωt) + (a2A2/2) (Acos2ωt) +…. (4.1‐4)

Ahora, las características de la ley cuadrada son más claras. En la ecuación

(4.1‐4), el componente de CC está contenido en el término a2A2/2.

La segunda armónica se expresa como (a2A2/2) (Acos2ωt). Por lo tanto,

podemos decir que la corriente en el detector es proporcional al cuadrado

de la amplitud A de la tensión de microondas.

Este concepto solo es válido hasta un cierto nivel de señal. A niveles de

señal más altos, se pueden necesitar más términos en (4.1‐4) y el diodo ya

no se considera un dispositivo de ley cuadrada.

En la figura 4.1.3 se presenta un circuito equivalente de un detector

completo.

Figura 4.1.3. Circuito equivalente de un detector

DL 2594N


En la figura 4.1.3., R0 y C representan la impedancia de la unión y r la resistencia del

cuerpo del diodo. Una característica importante de un detector es la sensibilidad de

tensión y corriente de la función de detección que se expresa como:

(4.1‐5)

(4.1‐6)

Para maximizar la potencia de salida, es necesario hacer coincidir la impedancia de

microonda del diodo con la impedancia característica de la guía de onda. Otra razón

para empatar la impedancia es minimizar la reflexión del detector ya que la

precisión de la medición se ve afectada por la reflexión.

El nivel mínimo de señal que un diodo puede detectar depende del ruido en el

diodo. La capacidad de un diodo para detectar una señal en presencia de ruido se

denomina sensibilidad tangencial (TSS ) de un detector.

La capacidad de un diodo para detectar una señal en presencia de ruido se

denomina sensibilidad tangencial TSS (tangential sensitivity) de un detector.

La figura 4.1.4 ilustra el concepto de TSS.

Figura 4.1.4. TSS de un diodo.

En la figura 4.1.4, se detecta, amplifica y muestra una señal de microondas

modulada por pulsos en un osciloscopio. La verdadera importancia de la TSS es que

debe haber un nivel mínimo de potencia de microondas para que el pulso supere el

ruido.

La TSS de un detector depende en gran medida del ancho de banda del amplificador

que sigue al detector, ya que la amplitud del ruido en el alcance está determinada

por el ancho de banda. Un ancho de banda de un MHz y ‐50dBm de la TSS son

valores típicos de un detector de microondas.



2. Procedimientodelexperimento

A. Modulación de onda cuadrada.

Figura 4.1.5. Representación esquemática del experimento.

Resumendelosexperimentos

(1) Configure el equipo como se muestra en la figura 4.1.5.

(2) Encienda la fuente de señal.

(3) Ajuste el atenuador variable a 10.

(4) Encienda la señal 1KHz.

(5) Ajuste el alcance de modo que la parte superior de la onda cuadrada se alinee

con el nivel cero de la pantalla.

(6) Ajuste el atenuador de modo que la parte inferior de la onda cuadrada se

alinee con el nivel cero de la pantalla.

(7) Calcule la profundidad de modulación usando las siguientes ecuaciones.

(4.1‐7)

DL 2594N


donde A es la diferencia en la configuración del atenuador entre los pasos (3) y (6) y

m es la profundidad de modulación.

(4.1‐8)

En la figura 4.1.6. se muestra un dibujo de la forma de onda de la modulación de la

onda cuadrada y la detección.

Figura 4.1.6. Modulación y detección de onda cuadrada

Como puede verse en la figura 4.1.6, la desviación de configuración del atenuador A

puede expresarse como:

(4.1‐9)

B. Características de la ley cuadrada de un detector de cristal.

Figura 4.1.7. Representación esquemática del experimento.



Figura 4.1.8. Representación real del experimento.

Observe con atención la siguiente figura para identificar cada componente.

Figura 4.1.9. Representación real del experimento con vista de las inscripciones.

DL 2594N


Resumendelexperimento

(1) Alimente el oscilador. Aplique también una onda cuadrada de 1kHz.

En este punto, debería llevarse a cabo la modulación.

(2) Ajuste el atenuador variable en 0. El medidor de potencia debe indicar entre 2

dBm y 4 dBm.

Cambie la lectura de mW a dBm tomando como referencia la tabla de

conversión del medidor de potencia. Por ejemplo, 0.1mW es igual a ‐10dBm.

(3) Como se muestra en la figura 4.1.10, vuelva a colocar la guía de onda con el

adaptador coaxial, el sensor de potencia y el medidor de potencia con un

detector de cristal y un indicador de razón de onda estacionaria SWR. Ajuste

la frecuencia de modulación de modo que la deflexión del medidor de SWR se

maximice.

SWR (standing wave ratio) = ROE (razón de onda estacionaria)

Figura 4.1.10. Diagrama de instalación para medir las características de ley cuadrada de un detector de cristal.



Figura 4.1.11. Representación real del experimento.

Observe con atención esta figura para identificar cada componente del ensamble.

Las siguientes imágenes muestran las acciones necesarias para ensamblar los componentes. Las técnicas usadas y mostradas en las figuras sirven para ensamblar los componentes de microondas en todos los experimentos de este manual.

Figura 4.1.12. Montaje de los componentes usando tornillo, tuerca y llave fija.

DL 2594N


Figura 4.1.13. Conexión del adaptador coaxial al cable de línea con la fuente de señal de microondas.

Figura 4.1.14. Conexión del cable de línea con la fuente de señal de microondas.



Figura 4.1.15. Conexión del cable de línea con el medidor de potencia.

Figura 4.1.16. Conexión del sensor de potencia con el adaptador coaxial.

DL 2594N


Figura 4.1.17. Conexión del cable de línea BNC con el medidor de SWR.

Figura 4.1.18. Cómo conectar el cable de línea BNC con el detector de cristal.

(4) Seleccione un rango en el medidor SWR. Ajuste el control de ganancia del

medidor SWR para hacer las lecturas con la escala de dB. Una vez establecido

el rango y el control de ganancia, ya no toque el control de ganancia.



(5) Varíe el atenuador de 0 a 20 en pasos de 1 en 1. En cada paso, registre la

deflexión del medidor de SWR (en dB) (usando el amplificador selectivo de

frecuencia) y el rango de ganancia en la tabla 4.1‐1.

Tabla 4.1‐1 Potencia de entrada vs. atenuación y lectura de SWR.

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