Ondas Electromagnéticas
Bloque II. Líneas de Transmisión
David Cañete Rebenaque
Fernando D. Quesada Pereira
11Grados en Ingeniería Telemática y en Sistemas de Telecomunicación
Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones Universidad Politécnica de Cartagena
21 de octubre de 2013
Índice de Contenidos
1Introducción
2
Modelo circuital
Condiciones de Contorno
Coeficientes de reflexión y de transmisión
3
Longitud necesaria para dar una vuelta completa a la fase
Potencia media o activa en la línea
Tensión y corriente en una línea cortorcircuitada
Onda Estacionaria
4
Onda estacionaria producida por una impedancia genérica
5Línea de transmisión con pérdidas
Introducción
Potencia en líneas con pérdidas
6
Línea de transmisión con generador y carga
Impedancias de entrada de líneas de transmisión útiles
7Carta de Smith
Ejemplo práctico de línea de transmisión
Otros conceptos importantes
Introducción a las líneas de transmisión
Línea de transmisión
Caso más simple que podemos tratar de campos con variación temporal es del la línea de transmisión ideal.
Suponemos que elcampo eléctrico y el magnético tienen una sola componente. Sedesprecia cualquier variación con las coordenadas transversales.
Suponemos que laúnica variación que existe es con la coordenada longitudinal Z hacia donde se dirige la línea.
ˆ
ez
Figura: Esquema de una línea de transmisión. Se desprecian las variaciones del campo en las direcciones del plano transversal (línea punteada).
Potencial escalar eléctrico
Se desprecia la foma concreta de la línea(coaxial, bifilar) y suponemos que no existen variaciones con respecto a estas coordenadas.
~ E=Exˆex
~ H=Hyeˆy
Además suponemos que estamos en unaversión sin fuentes, es decirlejos existen las fuentes que generan los campos, peroen la región donde estoy no hay fuentes. Lasecuaciones de Maxwell en el dominio de la frecuenciaquedan como:
∇ × ~E= −jωµ~H ∇ × ~H=jωǫ~E Se considera que ∂
∂x=0 y
∂
∂y=0. Alfinal del
cur-so se considerará el cacur-so de la forma concreta de la línea, es decir lasvariaciones respecto al plano transversal.
Introducción a las líneas de transmisión. Modelo
circuital
Introducción Líneas de
Transmisión
En coordenadas cartesianas los
rotacionales se calculan fácilmente:
∇ × ~
E
=
ˆ
e
xe
ˆ
yˆ
e
z0
0
∂∂zE
x0
0
= +ˆ
e
y∂
E
x∂
z
ˆ
e
y∂
E
x∂
z
= −
j
ωµ
H
ye
ˆ
ydE
xdz
= −
j
ωµ
H
yModelo circuital
➳
Desaparece el caracter vectorial del
problema, tenemos un problema
es-calar.
➳
Las líneas de campo eléctrico
defi-nen un voltaje entre los dos
conduc-tores de la línea.
➳
A E
xse le llama
onda de voltaje
V
(
z
)
.
➳
El
campo magnético produce una
corriente en cada conductor de la
línea. El campo magnético rodea a
los conductores.
➳
El
campo magnético se modela por
una onda de corriente
H
y→
I
(
z
)
.
Modelo circuital de líneas de transmisión
~
E
Figura:
Líneas de campo eléctrico
en
la línea de transmisión. Estas líneas
se generan debido a la diferencia de
potencial entre los dos conductores.
~
H
I
−
I
Figura:
Líneas de campo magnético
en una línea de transmisión. El
campo magnético se genera debido
a la circulación de corriente en cada
conductor de la línea.
Modelo circuital de la línea de transmisión
Modelo Circuital
El
problema es escalar
y puede escribirse
como:
dV
(
z
)
dz
= −
j
ωµ
I
(
z
)
D. frecuencia
Haciendo
lo mismo para la ecuación de
rotacional:
∇ × ~
H
=
ˆ
e
xˆ
e
ye
ˆ
z0
0
∂∂z0
H
y0
= −ˆ
e
x∂
H
y∂
z
−ˆ
e
x∂
H
y∂
z
= −
j
ωµ
E
xˆ
e
xdH
ydz
= −
j
ωµ
E
xModelo Circuital
Escribiendo la ecuación en términos de
las variables de la línea de transmisión
tenemos:
dI
(
z
)
dz
= −
j
ωǫ
V
(
z
)
D. frecuencia
Tenemos que encontrar las
ondas de
tensión y corriente. Derivando:
d
2V
(
z
)
dz
2= −
j
ωµ
dI
(
z
)
dz
Sustituyendo se llega a:
d
2V
dz
2= −
j
ωµ(−
j
)ωǫ
V
(
z
) = −ω
2µǫ
V
(
z
)
Modelo circuital de la línea de transmisión
Modelo circuital. Constante de propagación
β
Podemos definir unaconstante que depende de la frecuencia y el medioβ2= ω2µǫ(constante
de propagación en el medio). Teniendo en cuenta lo anterior queda:
d2V(z) dz2 + β
2V(z) =0
La expresión anterior es unaecuación diferencial lineal de coeficientes constantesque se puede resolver de formaanalítica. Elpolinomio característicode la ecuación diferencial es:
x2+ β2=
0
Lasraices del polinomiocaracterístico son:
x2= −β2
x= ±jβ
Si consideramose−jβzla exponencial de una transformación entre los dominios z
→ β, el tér-minoe−jβzrepresenta un desplazamiento en el espacio z. La solución de la ecuación diferencial
se escribe como:
V(z) =Ae−jβz+Bejβz
Físicamente el primer término de la expresión anterior(e−jβz)representa una onda que se
propaga en dirección z (onda incidente). Elsegundo términorepresenta físicamente una onda que se propaga en dirección−z (onda reflejada). Lasconstantes A y Bse calculan suponiendo lascondiciones de contorno del problema.
Modelo circuital de la línea de transmisión
Onda de Corriente
Para hallar laonda de corrientese puede utili-zar: dV(z) dz = −jωµI(z) Sustituyendo se tiene: dV(z) dz =A(−jβ)e −jβz +B(jβ)ejβz =jβh−Ae−jβz+Bejβzi jβh−Ae−jβz+Bejβzi= −jωµI(z) I(z) = β ωµ h Ae−jβz−Bejβzi
Se define Zc=ωµβ como laimpedancia carac-terística de la línea de transmisión. Es diferen-te a las impedancias localizadas con las que se trabaja en teoría de circuitos.
Impedancia característica
Se trata de unaimpedanciaporque sirve para
pasar de la corriente a la tensión.
Zc=
µ √µǫ=r µ
ǫ
De esta forma se tiene:
I(z) = 1 Zc h Ae−jβz −Bejβzi V(z) =Ae−jβz+Bejβz
Parapasar al dominio del tiempose hace la siguiente operación:
i(z,t) =RehI(z)ejωti v(z,t) =RehV(z)ejωti
Las relaciones anteriores se tratan deondas reales en el tiempo.
Aplicación de las condiciones de contorno
Condiciones de Contorno + Vg β,Zc ∞ z 0Figura:Modelo de línea de transmisión.
Como no existe nada donde pueda existir reflexión laonda refle-jada es cero y por tanto B=0, resultando:
V(z) =Ae−jβz
Latensión total en z=0 es Vgimpuesta por el generador V(z=
0) =A=Vg. Luego,resulta que A=Vg. V(z) =Vge−jβz I(z) =Vg Zc e−jβz =V(z) Zc
Eltérmino Zcconvierte tensión en corriente cuando sólo hay onda
incidente. Por ese motivo se llamaimpedancia característica.
Línea terminada por impedancia
+ Vg β,Zc z 0 ZL VL IL −l ρ(z=0) = ρL ρ(z= −l)
Figura:Línea cargada con una impedancia ZL.
V(z) =Ae−jβz+ Bejβz; I(z) =1 Zc h Ae−jβz −Bejβzi
Hay que tener en cuenta laonda reflejada.
V(z=0) =VL ; V(z=0) =A+B=VL I(z=0) =IL ; I(z=0) =1
Zc
(A−B) =IL
En la terminaciónse cumple la ley de Ohm:
IL= VL ZL ; ZL =VL IL A 1+B A =VL; A Zc 1−BA =IL
Dividiendo las ecuaciones se llega a:
Zc 1+B A 1−B A =VL IL =ZL
Coeficientes de reflexión y de transmisión
Coeficientes de reflexiónρL=BA→Es el coeficiente de reflexión en la carga (z=0). B→Es la amplitud de la onda reflejada en z=0.
A→Es la amplitud de la onda incidente en z=0.
Zc 1+ ρL 1− ρL =ZL Zc(1+ ρL) =ZL(1− ρL) ZcρL+ZLρL=ZL−Zc ρL(Zc+ZL) =ZL−Zc
A partir de las relaciones anteriores, el coeficiente de
refle-xión(número complejo) queda:
ρL= ZL−Zc ZL+Zc
Teniendo en cuenta la relación:
V(z) =Ahe−jβz + ρLejβz i I(z) =A Zc h e−jβz − ρLejβz i Coeficiente de Transmisión
El coeficiente de transmisión se define comoτ =VL
A. El
término VL=A+B es latensión que hay en la carga(transmitida
a la carga), mientras que A es laamplitud de la tensión incidente.
VL=V(z=0) =A+B; VL A=1+ B A τ =1+ ρL=1+ B A= VL A IL A= 1 Zc (1− ρL) = 1 Zc 1−BA 1−BA=1− ρL= 2ZC ZL+ZC Se tiene, τ =1+ ρL=1+ZL−ZC ZL+ZC = 2ZL ZL+ZC
resulta de la relación anterior que,
τ = 2ZL ZL+Zc ; 1− ρL= 2ZC ZL+ZC = τZc ZL
Elcoeficiente de transmisiónτtiene menos utilidad que el coeficiente de reflexiónρL, ya queeste último mantiene una
relación con las potencias. La relación anterior corresponde al
Impedancia de entrada en un punto de la línea
Impedancia Zinen un lugar de la línea
+ Vg β,Zc z 0 ZL z= −l Zin
Figura:Cálculo de la impedancia de entrada Zinen un punto de la línea
Zin(z= −l) =V(z= −l) I(z= −l) =Zc A ejβl + ρLe−jβl A(ejβl− ρLe−jβl) Usando la relaciónρL= ZL−Zc ZL+Zc se llega a: Zin(z= −l) =Zce jβl+ZL−Zc ZL+Zce −jβl ejβl−ZL−Zc ZL+Zce −jβl Zin(z= −l) =Zc(ZL+Zc)e jβl+ ( ZL−Zc)e−jβl (ZL+Zc)ejβl− (ZL−Zc)e−jβl=Zc ZL ejβl+e−jβl +Zc ejβl −e−jβl ZL(ejβl−e−jβl) +Zc(ejβl+e−jβl) Zin(z= −l) =ZcZL+jZctan(βl) Zc+jZLtan(βl)
Longitud para dar una vuelta completa a la fase
Coeficiente de reflexión a distancia l
El coeficiente de reflexión para una distancia dada será, ρ(z= −l) =Be −jβl Aejβl =B Ae −j2βl= ρ( z=0)e−j2βl
Luego vemos que la fase del coeficiente de reflexión se mueve como(2βl)con la distancia. ¿Qué longitud debo moverme para que la fase de una vuelta completa(2π)?.
ρ
Re Im
2π
Figura: Longitud que hay que desplazarse para moverse una vuelta completa (2π). El sentido es alejándose de la carga.
Longitud para vuelta completa
2βl=2π ;l=π β = πλ 2π = λ 2Cadaλ/2 la fase deρde una vuelta completa. Re-sulta queβ = ω√µǫ. La velocidad de la luz es
c=√1 µǫ, luegoβ = ω c. λ =c f m/seg 1/seg m λ =cT;T=1 f β =ω λT= 2π λ ω =2π T ;Tω =2π
De las relaciones anteriores resulta l= λ
2 =0,5λ.
Al moverme en una línea de transmisión(0,5λ), el coeficiente ha dado una vuelta completa.
Potencia media o activa en la línea
Definición
Como estamos trabajando conseñales sinusoidales, podemos definir la potencia media o activa en un determinado punto de la siguiente forma: Pm(z) =1 2Re[V(z) ·I ∗(z)] Pv(z) = 1 2[V(z) ·I ∗(z)]
Usando lasexpresiones de tensión y corriente:
Pv(z) =A 2 h e−jβz+ ρLejβz iA∗ Z∗ c h ejβz− ρ∗Le− jβzi Pv(z) = 1 2 |A|2 Zc∗ h 1− |ρL|2+ ρLej2βz− ρ∗Le−j2βz i
La potencia media quedará, teniendo en cuenta queρLej2βz− ρ∗Le− j2βz=2j Im[ρ Lej2βz], como: Pm=1 2 |A|2 Zc∗[1− |ρL|2] Es independiente de z
Potencia transmitida
Según la expresión de la potencia media se de-duce que en una línea sin pérdidasla potencia transmitida no depende de la longitud de la línea. La potencia incidente es Pi=12
|A|2
Z∗
c , mientras que la potencia reflejada será Pr =Pi|ρL|2, relación
en la que tenemos el módulo al cuadrado de la fracción de potencia reflejada. Lapotencia trans-mitida en la cargaes:
Pt=Pi−Pr=Pi(1− |ρL|2)
Ley de conservación de potencia.
Unerror gravesería decir que Pt= |τ |2Pi(nunca
se debe usar esta expresión), puesto queτ = 1+ ρLy|τ |2= |1+ ρL|26=1− |ρL|2.
Tensión y corriente en una línea cortocircuitada
Línea acabada en
cortocircuito
0 β,Zc zFigura:
Línea de transmisión
acabada en cortocircuito
Sabemos que:
V
(
z
) =
A
h
e
−jβz+ ρ
e
jβzi
I
(
z
) =
A
Z
ch
e
−jβz− ρ
e
jβzi
Tensión y corriente
ρ
L=
Z
L−
Z
cZ
L+
Z
c= −
Z
cZ
c= −
1
El valor
ρ
L= −
1 corresponde al
coeficiente de
reflexión en un cortocircuito.
V
(
z
) =
A
h
e
−jβz−
e
jβzi
=
A2j
e
−jβz−
e
jβz2j
= −
2jA sin
(β
z
)
I
(
z
) =
A
Z
ch
e
−jβz+
e
jβzi
=
2A
Z
ccos
(β
z
)
Onda estacionaria producida por un cortocircuito
Tensión
Tensión y corriente tienen forma sinusoidal en fun-ción de la distancia. −λ/4 −λ/2 −3λ/4 −λ −5λ/4 A 0 |V(z)| z
Figura:Distribución de tensión en una línea cortocircuitada
sin(βz) ; βz=nπ ; z= −nβπ=nπ
2πλ = −
n
2λ En la expresión anterior se toma el valor negativo porque la línea está en z <0. Luego vemos que en función de z la tensión total pasa por máximos y mínimos. Esto es debido a la interacción entre on-da incidente y onon-da reflejaon-da y se denominaonda estacionaria.
Corriente
−λ/4 −λ/2 −3λ/4 −λ −5λ/4 2A/Zc 0 |I(z)| zFigura:Distribución de corriente en una línea cortocircuitada cos(βz) =0 βz= ±(2n−1)π/2 z= −(2n−1)π 2 2π λ = − 2n−1 4 λ En la expresión anterior se toma signo negativo al estar la línea en z<0. Vemos que la corriente está desfasada(π/2)con respecto a la distancia z.
Onda estacionaria producida por un cortocircuito
Análisis temporal
v(z,t) =RehV(z)ejωti
=Re−2jA sin βz cos(ωt) +j sin(ωt) =2A sin(βz)sin(ωt)
i(z,t) =RehI(z)ejωti=Re2A Zc cos(βz) cos(ωt) +j sin(ωt) =2A Zc cos(βz)cos(ωt)
Corriente y tensión también están desfasados(π/2)en el tiempo. Para t=0 resulta:
v(z,t) =0;i(z,t) =2A Zc cos(βz) replacements i(z) v(z) 2A −2A 2A/Zc −2A/Zc z
Figura: Distribución de tensión y corriente en t=0
Evolución temporal
Según la expresión anterior la corriente evoluciona hasta hacerse cero entre t = 0 y t = T/4. Para t = T/4, tenemos queωt=2π T T 4=π2. v(z,t) =2A sin(βz) ;i(z,t) =0 i(z) v(z) 2A −2A 2A/Zc −2A/Zc z
Figura:Distribución de tensión y corriente en
t=T/4
La tensión evoluciona desde cero hasta obtener lo que se ve en la última figura, la corriente evoluciona desde la figura de la izquierda hasta cero.
Onda estacionaria producida por una impedancia
genérica
Impedancia genérica z ρL ZL 0 β,ZcFigura:Onda estacionaria producida por una impedancia cualquiera ZL
V(z) =Ae−jβz+Bejβz=Ae−jβz 1+B Ae j2βz =Ae−jβz 1+ ρLej2βz
El coeficiente de reflexión es en general un complejoρL= |ρL|ejθL, por lo que podemos
escribir la ecuación como:
V(z) =Ae−jβz 1+ |ρL|ej(2βz+θL) =Ae−jβzh1+ |ρL|cos(2βz+ θL) +j|ρL|sin(2βz+ θL) i Onda Estacionaria
Queremos hallar elmódulo de la tensión: |V(z)|2 = |A|2h 1+ |ρL|cos(2βz+ θL) 2 + |ρL|2sin2(2βz+ θL) i = |A|2h 1+ |ρL|2cos2(2βz+ θL) +2|ρL|cos(2βz+ θL) + |ρL|2sin2(2βz+ θL) i = |A|2h 1+ |ρL|2+2|ρL|cos(2βz+ θL) i
Elvalor máximoen función de z se obtiene cuando: cos(2βz+ θL) =1 2βz+ θL= ±2nπ 2βz= ±2nπ − θL z= ±2nπ − θL 2β = ± 2nπ − θL 4π λ; n=0,1 Elvalor mínimose dará para:
cos(2βz+ θL) = −1
2βz+ θL= ±(2n−1)π
2βz= ±(2n−1)π − θL
z= ±(2n−1)π − θL
4π λ ; n=1,2, . . . En las relaciones anterioresse toma el valor negativoporque la línea está en z<0.
Onda estacionaria producida por una impedancia
genérica
Onda Estacionaria
−θ 4πλ −π−θ 4π λ −2π−θ 4π λ 0 z Vmáx VmínFigura:Onda de tensión estacionaria para una línea acabada en una carga genérica Zl
Vmáx2 = |A| 2 1+ |ρL|2+2|ρL| Vmín2 = |A| 2 1+ |ρL|2−2|ρL|
SiρL=0 entonces Vmáx=Vmíny no hay onda es-tacionaria. No hay onda reflejada, se trata del mejor caso.
Vmáx2 = |A|2(1+ |ρL|)2→Vmáx= (1+ |ρL|)|A| Vmín2 = |A|2(1− |ρL|)2→Vmín= (1− |ρL|)|A|
Coeficiente de onda estacionaria
Se define elcoeficiente de onda estacionariacomo:
S=Vmáx
Vmín
=1+ |ρL|
1− |ρL|
Sólo obtenemos el módulo, no la fase.
|ρL| =S−1 S+1
Para hallar la fasehay que medir la distancia al pri-mer máximo o mínimo. Por ejemplo, si medimos un cero en z= −Lmínentonces:
π + θ
4π λ =Lmín π + θ =4π
λLmín
Con lo que lafase del coeficiente de reflexión será:
θ =4π λLmín− π
Línea de transmisión con pérdidas
Punto de Partida
d
2V
(
z
)
dz
2= −ω
2µǫ
V
(
z
)
Las pérdidas ahora serán por:
ǫ = ǫ
′−
j
ǫ
′′.
Como el término
(ω
2µǫ)
resulta
comple-jo, es mejor definir la siguiente constante
γ
2= −ω
2µǫ
, de forma que entonces:
d
2V
(
z
)
dz
2= γ
2V
(
z
)
d
2V
(
z
)
dz
2− γ
2V
(
Z
) =
0
El
polinomio característico:
x
2− γ
2=
0
;
x
2= γ
2;
x
= ±γ
Soluciones
Las
soluciones
serán:
V
(
z
) =
Ae
−γz+
Be
γzPero, veamos ahora lo que vale la
constante
γ
.
γ
2= −ω
2µǫ ; γ =
j
ω
√
µǫ
ǫ = ǫ
′−
j
ǫ
′′= ǫ
′1
−
j
ǫ
′′ǫ
′= ǫ
′(
1
−
j tan
δ)
γ =
j
ωpµǫ
′(
1
−
j tan
δ)
=
j
ωpµǫ
′√
1
−
tan
δ
Línea de transmisión con pérdidas
Línea con pérdidas
Se asumenpequeñas pérdidas tanδ <<1. Veamos el desarrollo de Taylor:
√ 1+x=1+1 2x− 1 2·4x 2 + . . .
La expresión anterior es válida para x<<1 (para pequeñas pérdidas, x= −j tanδ).
p 1−j tanδ =1−j tan2 δ γ =jωpµǫ′ 1−j tanδ 2 =ω 2pµǫ′tanδ +jωpµǫ′ Luego obtenemosγ = α +jβ. α → Constante de atenuación. β → Constante de fase.
Línea con pérdidas
Para unalínea infinita sabemos que no hay onda reflejaday que B=0.
V(z) =Ae−γz=Ae−αze−jβz
El término e−γzes una exponencial real que atenúa la onda según se propaga. Por esto
ǫ = ǫ′−jǫ′′. El signo debe ser negativo pa-ra que la exponencial real sea decreciente. Ahora hallamos laonda de corriente:
dV(z) dz = −jωµI(z) = −Aγe −γz+ Bγeγz = −γ Ae−γz−Beγz I(z) = γ jωµ Ae−γz−Beγz
Líneas de transmisión con pérdidas
Impedancia característica
Definimos ahora laimpedancia característicaZc=jωµγ .
I(z) = 1 Zc
Ae−γz−Beγz Parabajas pérdidastenemos:
Zc= jωµ jω√µǫ′ 1−jtanδ 2 = r µ ǫ′ 1+jtanδ 2 1+tan2δ 4 El términotan2δ
4 es despreciable para tanδ <<1. De esta forma resulta:
Zc=r µ ǫ′ 1+jtanδ 2
En la expresión anteriorla impedancia característica puede ser compleja cuando existen pérdidas. Aún así en muchos casos pondremos Zcreal si las pérdidas son bajas. Al igual
que antes podemos usar elcoeficiente de reflexión. V(z) =A e−γz+ ρLeγz I(Z) = A Zc e−γz− ρLeγz
Potencia en líneas de transmisión con pérdidas
Potencia transmitida en la línea
Pv(z) =1 2V(z)I ∗(z) =1 2A h e−αze−jβz+ ρ Leαzejβz i ·A ∗ Zc h e−αzejβz − ρ∗Le αze−jβzi =1 2 |A|2 Zc h e−2αz − |ρL|2e2αz+ ρLej2βz− ρ∗Le−j2 βzi
Lapotencia media o activaserá:
Pm(z) =1 2 |A|2 Zc h e−2αz− |ρL|2e2αz i =1 2 |A|2 Zce −2αzh 1− |ρ(z)|2i
Lapotencia incidenteserá:
Pi(z) =1
2
|A|2 Zc e
−2αz
Por otra parte, lapotencia reflejadaes:
Pr(z) =1 2 |A|2 Zc|ρL| 2 e2αz
Lapotencia incidente se atenúa debido al término e−2αz. Ahora hay
que tener cuidado porque si tomo una línea muy grande me quedo sin potencia.
z= −l z=0 z ZL
Figura:Atenuación en una línea cargada con ZL.
Coeficiente de reflexión al alejarme de la carga
ρ(
z
=
0
) = ρ
L=
Z
L−
Z
cZ
L+
Z
cρ(
z
= −
l
) =
Be
−γlAe
γl=
B
A
e
−2γl=
B
A
e
−2αle
−2jβl= ρ
Le
−2αle
−2jβl|ρ(
z
= −
l
)| = |ρ
L|
e
−2αl ρFigura:
Atenuación del coeficiente de
reflexión
ρ
a lo largo de la línea. Las
flechas indican el sentido de giro.
+
ρl
ρ(z= −l)
Zl
Figura:
La
potencia que no se refleja es
porque se pierde en la línea. No hay
reflexión a la entrada, ya que toda la
potencia que entra se atenúa antes de
llegar a la carga. La
energía se disipa en
la línea de transmisión.
Línea de transmisión con generador y carga
Resolución circuito total
+ Vg Zg V0 I0 (d−z) z γ,Zc ρ0 ρL VL ZL Zin 0 d d z z
Figura:Problema de generador y una carga
En el punto de generadorρo=BA=ZZin−Zc in+Zc. V(z) =Ae−γz+Beγz I(z) = 1 Zc Ae−γz−Beγz En lacarga, ρL= ZL−Zc ZL+Zc
Resolución circuito total
Si muevo este coeficientehacia el generador ob-tengo: ρ(z) = ρLe−j2β(d−z) para z = 0 obtenemos ρ(z = 0) = ρ0 = ρLe−j2βd. En el generador, V(z=0)=V0=A 1+B A =A(1+ ρ0) =A 2Zin Zin+Zc I(z=0)=I0= A Zc 1−B A = A Zc (1− ρ0) En elgeneradortenemos: + 0 + − Vg Zg V0 I0 Zin
Figura:Problema equivalente
Vo=A 2Zin Zin+Zc =Vg Zin Zin+Zg ⇒ A=Vg 2 Zin+Zc Zin+Zg
Línea de transmisión con generador y carga
Resolución circuito total
Vg=I0Zg+V0
Introduzco los valores de V0y de I0en la ecuación.
Vg=ZgA Zc (1− ρ0) +A(1+ ρ0) =A[1+ ρ0+ Zg Zc (1− ρ0)] = A Zc (Zc+Zcρ0+Zg−Zgρ0) = A Zc [Zc+Zg− ρ0(Zg−Zc)] =AZg+Zc Zc 1− ρ0 Zg−Zc Zg+Zc
Defino uncoeficiente de reflexiónque mira hacia el generador:
+ Vg Zg ρg ρ0 Zc
Figura:Coeficiente de reflexión hacia el generadorρg
Resolución circuito total
ρg= Zg−Zc Zg+Zc Vg=AZg +Zc Zc (1− ρ0ρg) A=Vg Zc Zg+Zc 1 1− ρ0ρg 1− ρg=1−Zg−Zc Zg+Zc = 2Zc Zg+Zc A=Vg 2 1− ρg 1− ρ0ρg Si Zg=Zcentoncesρg=0 y entonces A=Vg 2 que es lo que obtuvimos antes.
Línea de transmisión con generador y carga
Atenuación
Sedefine la atenuación de un cable en neperiosde la siguiente forma:
At|nep=ln s
Potencia que entrega en la línea Potencia en un punto a una distancia Z =ln
s
P(z=0)
P(z)
Suponemos unalínea sin reflexión|ρl| =0.
P(z) =1 2
|A|2
Zc e −2αz
Lapotencia que entra en la línea z=0.
P(z=0) =1 2
|A|2
Zc
Paralíneas adaptadas,
P(z) =P(z=0)e−2αz At|nep=ln s 1/2|A|2/Z c 1/2|A|2/Zce 2αz=ln eαz= αz Atenuación
De la expresión anterior resulta que: α =At|nep
z (nep/m)
Luegoαes laatenuación en neperios de la línea por unidad de longitud. La atenuacióntambién puede medirse en dB.
At|dB=20 log10 s P(z=0) P(z) =10 log10[ P(z=0) P(z) ] =10 log10(e 2αz) = 20αz(log10e) = αz 8,686 At|dB=At|nep8,686
La expresión anterior es la forma deconvertir la atenua-ción en neperios en atenuaatenua-ción en dBs. Es un parámetro importante a la hora de planificar sistemas de transmisión. Llamando, α(nep/m) =At|nep z α(dB/m) =At|dB z α(dB/m) = α(nep/m)8,686
En las ecuaciones que hemos visto hay que operar en (nep/m)paraα.
Línea acabada en cortocircuito
Línea acabada en cortocircuito
ρ = −1 Zin
l
β,Zc
Figura:
Línea de transmisión de
longitud l acabada en cortocircuito
Z
in=
Z
cZ
L+
jZ
ctan
(β
l
)
Z
c+
jZ
Ltan
(β
l
)
Si Z
L=
0 se tiene que:
Z
in=
Z
cjZ
ctan
(β
l
)
Z
c=
jZ
ctan
(β
l
)
Si l
=
λ 4,
β =
2π λ λ 4=
π 4, tan
(
π 4) → ∞
Impedancia y admitancia
Esto es lo que ocurre en un circuito LC
paralelo en resonancia:
Y
in=
j
ω
C
+
1
j
ω
L
=
j
ω
C
−
1
ω
L
=
j
ω
2LC
−
1
ω
L
De la ecuación resulta que:
Z
in=
ω
L
(ω
2LC
−
1
)
1
j
en
ω =
√1 LCtenemos que Z
in→ ∞
. La
condición l
= λ/
4
sólo ocurre a una
fre-cuencia, alrededor de esa frecuencia la
línea se comporta como un
circuito
reso-nante paralelo.
Línea acabada en circuito abierto
Línea en circuito abierto
ρ =
1
Z
inl
β,
Z
cFigura:
Línea de transmisión de
longitud l acabada en circuito abierto
Z
in=
Z
cZ
L+
jZ
ctan
(β
l
)
Z
c+
jZ
Ltan
(β
l
)
Impedancia y admitancia
Si Z
L→ ∞
resulta:
Z
in=
Z
cZ
LjZ
Ltan
(β
l
)
=
Z
cj tan
(β
l
)
De la ecuación tenemos que:
Y
in=
jY
ctan
(β
l
)
Para
l
= λ/
4 se comporta como un
circui-to resonante serie. Para l
= λ/
4, Y
in→
∞
, Z
in=
0. Luego la línea alrededor de
la frecuencia en la que
l
≃ λ/
4 se
com-porta como un resonador en serie.
Línea adaptada
Características
ρ
L=
Z
c−
Z
cZ
c+
Z
cNo hay reflexión
ρ
L=
ZZc−Zc c+Zc=
0
Z
in=
Z
cl
β,
Z
cZ
cFigura:
Línea adaptada.
Z
in=
Z
cZ
c+
jZ
ctan
(β
l
)
Z
c+
jZ
ctan
(β
l
)
=
Z
cCondición de adaptación
Esta situación Z
L=
Z
ces la
misma que en una línea infinita al no existir reflexión.
Fernando D. Quesada (UPCT, Dpto. TIC) Ondas Electromagnéticas 21 de octubre de 2013 29 / 44Línea transformadora en
λ/
4
Transformador en
λ/
4
λ/
4
β,
Z
c
Z
c
Figura:
Línea en
λ/4
Z
in=
Z
cZ
L+
jZ
0tan
(β
l
)
Z
c+
jZ
Ltan
(β
l
)
Adaptación de impedancias
Se cumple que
β
l
=
2π λ λ 4= π/
2 y
tan
(π/
2
) → ∞
.
Z
in=
Z
cjZ
ctan
(β
l
)
jZ
Ltan
(β
l
)
=
Z
2 cZ
LZ
in=
Z
c2Z
LTransformador de impedancias
en
λ/
4. Podemos
usar este
transformador para adaptar
impedancias
.
Línea transformadora en
λ/
4
Adaptación de impedancias
+ λ/4 Zg Zin=Zg Vg β,Zc ZLFigura:
Transformador de
impedancias con línea en
λ/4.
Z
in=
Z
gQueremos esto para que la
potencia
en-tregada sea máxima. Por tanto:
Z
in=
Z
gZ
c=
p
Z
in·
Z
L=
p
Z
g·
Z
LAdaptación de impedancias
Escogiendo una línea de la impedancia
característica anterior adaptamos el
cir-cuito. Se tiene un
circuito equivalente
co-mo el representado en la figura.
+ Zg
Zin=Zg Vg
Figura:
Circuito equivalente del
transformador en
λ/4
Luego vemos la importancia del
adapta-dor de impedancias para evitar
reflexio-nes.
Introducción
Para ayudarnos en este proceso de adaptación podemos utilizar la llamada Carta de
Smith. La carta de Smith es simplemente la
representación en el plano complejo del
coeficiente de reflexión
ρ
, donde además
se representan la parte real e imaginaria de
impedancias, con el fin de adaptar en los problemas de adaptación de impedancias.
En el
plano de
ρ
es interesante ver impedancias.
ρ = −
1
ρ =1Cortocircuito
(mínimo de tensión)
Adaptación
(máximo de tensión)Circuito abiertoρ =
0
|ρ| =
1
|ρ|
θ
Re
Im
Representación de impedancias en el plano complejo
Representación de impedancias
Para representar impedancias en este plano to-mo la ecuación que liga el coeficiente de refle-xión con las impedancias.
ρL= ZL−Zc ZL+Zc
Si trabajamos con impedancias normalizadas (Z¯L) respecto al de la impedancia característica
de la línea tenemos:
ρ =Z¯¯L−1 ZL+1
A partir de esta expresión obtenemos las si-guientes relaciones: ρ ¯ZL+ ρ = ¯ZL−1 ρ +1= ¯ZL(1− ρ) ¯ ZL= 1+ ρ 1− ρ
Representación de impedancias
Ahora consideramosZ¯Lyρcomplejos:
¯ ZL=x+jy ρ = µ +jv x+jy=1+ µ +jv 1− µ −jv= (1+ µ +jv)(1− µ +jv) (1− µ)2+v2 =(1+ µ)(1− µ) −v 2 +jv[(1− µ) + (1+ µ)] (1− µ)2+v2 =1− µ 2 −v2 +jv 2 (1− µ)2+v2
A partir de la relación anterior, igualando parte real e imaginaria tenemos:
x=1− (µ 2 +v2 ) (1− µ)2+v2 y= 2v (1− µ)2+v2
Parte real
Curva parte real
Vamos a suponer x=cte, y vemos que curva resulta:
(1− µ)2x +xv2 =1− (µ2 +v2 ) (1+ µ2 −2µ)x+xv2 =1− µ2 −v2 x+xµ2 −2µx+xv2 =1− µ2 −v2 (x+1)µ2 −2µx+ (x+1)v2 =1−x µ2 −2µ x (x+1)+v 2 =1−x 1+x
En vista de este resultados vamos a calcular: µ −xx +1 2 = µ2 −2µ x x+1+ x2 (x+1)2 µ −x+x1 2 − x 2 (x+1)2= µ 2 −2µ x x+1 µ −xx +1 2 +v2=1−x 1+x+ x2 (x+1)2 1−x 1+x+ x2 x2+2x+1= (1−x)(1+x) +x2 (x+1)2 =1−x 2 +x2 (x+1)2 = 1 (x+1)2 Parte real µ −x+x1 2 +v2 = 1 (x+1)2
ρ = −
1
ρ =
1
u
v
x=0 x=1 r=1/2 1/2Figura:Carta de Smith, parte real.
En el plano complejo deρ = µ +jv esto es un círculo de
centro x x+1,0
y radio r= 1
(x+1). Luego valores de
impe-dancia de parte real constante se transforman en estos círculos.
Parte Imaginaria
Obtención de la curva
y(1− µ)2+yv2=2v
Tomamos y=cte, parte imaginaria de la impe-dancia constante y vemos la curva en el plano (µ,v):
(µ −1)2+
v2−2vy =0 En virtud de esto calculamos:
v−1y 2 =v2−2v y+ 1 y2 v−1y 2 −y12 =v 2 −2v y (µ −1)2+ v−1y 2 = 1 y2
Obtención de la curva
Tenemos un círculo con centro(1,1/y)y con ra-dio r= 1 y2. −1 1 u v r=1/2 r=1 y=1 Parte Positiva Parte Negativa
Figura:Carta de Smith, parte imaginaria
Laparte imaginaria de una impedancia puede ser negativa.
Ejemplo de línea de transmisión
Utlización de la carta de Smith
ρ0;Zin
l=2,5 mm
β,Zc Z
l
Figura:Línea cargada como ejemplo de utilización de la carta de Smith.
➳ Utilizaremos la siguienteconfiguración para la línea:
ZL=65+j37,5, Zc=50Ω, f=10 GHz,λ =f(GHz30) (cm),λ =30
10=3 cm,l= λ/12=30/12=2,5 mm.
➳ En primer lugar normalizamos laimpedancia de cargaZ¯L=Z50L=1,3+j0,75. Vamos a situar esta
impedancia en la carta de Smith.
➳ Elcoeficiente de reflexiónρLlo podemos calcular
midiendo la longitud y la fase. Las longitudes se escriben enfracciones de longitud de ondaλ.
Ejemplo de línea
Ejemplo de línea de transmisión
Utilización de la carta de Smith
Ahora debo desplazarme hasta el generador y sabemos que el coeficiente de
reflexión
ρ
lo que hace es girar (suponiendo que no hay pérdidas). El giro es en el
sentido de las agujas del reloj. Vemos que distancia debo moverme. Las longitudes
son
λ =
30
/
10
=
3 cm y
λ =
30 mm, hay que
expresarlas en fracciones de la longitud
de onda
resultando l
/λ =
2,530
=
1 12y l
=
λ
12
=
0
,
0833
λ
. Luego debo girar hasta el
punto:
0
,
18
λ +
0
,
0833
λ =
0
,
2633
λ
Luego
Z
¯
in=
1
,
95
−
j 0
,
25, Z
in=
97
,
5
−
j 12
,
5. El
coeficiente de reflexión
ρ
se
obtiene midiendo el nuevo vector que da Z
in. Vamos a calcular el coeficiente de
reflexión en la entrada. El módulo es el mismo y vale la longitud del vector (no hay
pérdidas). La fase en fracciones de
λ
es: 0
,
2633
λ −
0
,
25
λ =
0
,
0133
λ
. Veamos
cuanto es el ángulo: 2
β
l
=
2
2λπ0
,
0133
λ =
0
,
052
π ≃ −
9
,
6
o, es una fase negativa.
Se ve que si l
= λ/
2, 2
β
l
=
2
2πλ λ
2
=
2
π
, se tiene un
giro completo en la carta de
Smith.
Onda Estacionaria
0,2 1 2
Figura: Impedancias reales carta de Smith
ZL
ZC
z
Figura: Onda estacionaria en una línea con una carga ZL
Cuando existedesadaptación de impedancias se produce una onda estacionaria. Nosotros hemos calculado los puntos máximos y mínimos. Sabemos que en unmáximo de tensión, la tensión vale: Vmáx=A(1+ |ρ|)y además en este punto hay unmínimo de corrienteque vale:
Imín= A Zc(1− |ρ|).
La impedancia en este punto vale:
Zin=Vmáx
Imín =
1+ |ρ|
1− |ρ|Zc Obtenemos una impedancia real
¯
Zin=1+ |ρ|
1− |ρ|=S Precisamente, el coeficiente de onda estacionaria La impedancia es real y mayor que uno. Luego, laimpedancia es un máximo de tensión.
Onda Estacionaria
1
¯
Zin=S
Figura: Tramo donde se encuentran los puntosmáximos de tensión, además del coeficiente de onda estacionaria
1
¯
Zin=1 S
Figura: Tramo en el que se encuentran las impedancias en losmínimos de tensión Se encontrará en esta región. En este tramo se encuentran las impedancias en los puntos máximos de tensión. Además da elcoeficiente de onda estacionaria. Vemos en un punto mínimo de tensión: Vmín= |A|(1− |ρ|) ;Imáx= |A| Zc (1+ |ρ|) Zin=Vmín Imáx =Zc 1− |ρ| 1+ |ρ|; ¯Zin= 1− |ρ| 1+ |ρ|= 1 S
Vemos que laimpedancia en un mínimo es real y menor que uno, luego estará la impedancia en (ver la figura). En este tramo se encuentran lasimpedancias en los mínimos de tensión.
Ejemplo de utilización de la carta de Smith
Ejemplo
Se mide un coeficiente de onda estacionaria S = |Vmáx|
|Vmín| =2,5. Además se mide un mínimo que se encuentra a 0,5833λde la carga. Para medir el valor de la impedancia, debo despla-zarme 0,5833λdesde el mínimo hasta llegar a la carga. Como 0,5833λes mayor que 0,5λ, su-poniendo 0,5λdar una vuelta entera, lo que ha-remos es dar una vuelta entera 0,5λmás lo que quede hasta completar la distancia de 0,5833λ hasta llegar a la carga.
|V|
0,5833λ
Figura:
Desplazamiento de 0
,
5833
λ
hasta
llegar a la carga
Representación Carta de Smith
Figura:
Resolución del problema encontrando la impedancia de entrada con la carta de SmithEjemplo de utilización de la carta de Smith
Análisis carta de Smith
0,5λ +xλ =0,5833λ x= (0,5833−0,5)λ =0,0833λ
¯
ZL=0,51−j 0,46 para Zc=50 ZL= (25,5−j 23)Ω Impedancia capacitiva
En la carta de Smithtambién podemos usar admitancias: ρ =ZL−Zc ZL+Zc = 1/YL−1/Yc 1/YL+1/Yc =Yc−YL Yc+YL= − YL−Yc YL+Yc
Podemos reemplazar impedancias por admitancias, pero entonces hay quecambiar el signo al coeficiente de reflexiónρlo que supone añadir 180o.
Representación
YL
ZL
Figura:
Resolución del problema con admitancias. Se añaden 180oal coeficiente dereflexión
Carta de Smith con elementos concentrados
Impedancia de entrada
Zin ZA l=0,02λ β,Zc ZL XLFigura:Línea cargada con inductancia concentrada a la entrada XL
El valor de la inductancia concentrada es XL =
70, que normalizada esXL¯ =1,4Ω. Por otra par-te, la impedancia de carga normalizada esZL¯ =
0,5+j0,4. Ahora me muevo una longitud 0,02λ.
(0,073+0,02)λ =0,093λhay que moverse hacia el generador.ZA¯ =0,62+j0,55, Zin=jXL+0,62+ j0,55=0,62+j(0,55+XL). Misma parte real y la parte imaginaria varía Zin=0,62+j1,95Ω. La
reso-lución se obtiene manejando la carta de Smith como se muestra en la figura.
Carta de Smith
Carta de Smith para adaptación de impedancias
Adaptación de impedancias
La carta de Smith también sirve
para adaptar impedancias.
Zin=50 YA l=0,02λ Zc=75Ω Z L=50+j 80 Xc Vg Z0=50Ω
Figura:
Línea cargada con una
capacitancia concentrada a la
entrada X
cAdaptación de impedancias
Los datos de configuración de la línea
son f
=
1 GHz, Z
c=
jω1C= −
jX
c,Y
c=
−
1−jXc
=
jB
c. Hay que
normalizar
con
res-pecto de la impedancia característica de
la línea.
¯
Z
L=
50
+
j80
75
=
0
,
67
+
j1
,
07
Queremos llegar a una impedancia de
entrada normalizada de
Z
¯
in=
50
/
75
=
0
,
67. En primer lugar vemos que es
más
sencillo trabajar con admitancias
ya que
Y
in=
jB
c+
Y
A. ¿Cómo se podría hacer
un condensador en RF?, con una línea
terminada en circuito abierto. Tenemos
¯
Y
in=
1
,
5
=
Z¯1in, luego
¯
Y
in=
j
B
¯
c+ ¯
Y
A=
1
,
5,
Y
¯
A=
1
,
5
−
j
B
¯
c.
Carta de Smith para adaptación de impedancias
Adaptación de impedancias
LuegoY¯Adebe tener parte real 1,5, ademásY¯A
se obtiene moviendo YLuna longitud
determinada por la línea. Moveré YLhasta
encontrar el círculo de parte real 1,5. Tengo dos posibilidades, sin embargo, vemos queY¯Adebe
tener parte imaginaria negativa, luego debemos tomar la segunda posibilidad. Sale
¯
YA=1,5−j1,7, entonces vemos queB¯c=1,7, Zcom=jω1c, Ycom=jωC,Y¯com=jB¯c.
¯ Z= Z Zc = 1/Y 1/Yc =1/ ¯Y , 1/ ¯Y= Yc Y. Vemos que ¯ Y= Y
Yc también se normaliza con admitancia. Luego,B¯c=BYc
c, Bc= ¯Bc·Yc, Bc=1,7/75. Finalente se tiene: Ycond=jωC=jBc, Bc= ωC, 1,7 75 =2πfC, C= 1,7 75·2πf = 1,7 75·2πf =3,6 pF. Se
puede ver elmovimiento reflejado en la carta de Smith.
Adaptación de impedancias
Figura: Adaptación de impedancias con carta de Smith