EnCORTOCIRCUITO_N18(Agosto09)

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> ÍNDICE<

Contenidos Página

Del editor al lector ………... 3

Implementación de elementos pasivos de Microondas sobre PBC ………..4

Diseño, simulación e implementación de elementos activos para Microondas ……….10

Análisis y diseño de una antena yagi ………...17

Gamma-Match ………...………23

Laboratorios Remotos a través de la Web ……….30

Control de una cámara Web usando Python ………35

Construcción e un Brazo Robótico …….………..37

Implementación y configuración de un servidor PODCAST ………..42

Método de control para un display gráfico (GLCD) con microcontrolador AVR ….….48

Desarrollo y verificación de un modelo matemático para la proyección de imágenes

estroboscópicas basadas en tecnología led …………...………56

Diseño de un Sistema para Reconocimiento de Patrones de Audio utilizando Redes

Neuronales a través del entorno Matlab 7.7 ……….62

Robot Hexápodo ………..69

Diseño y Funcionamiento de un Ascensor a Escala ………73

Control de Variables en un Invernadero ………...77

Medidor de Longitud Óptico ………..…………86

Tacómetro ……….90

Academia Siemens: Control de Puertas ………….………...96

Eventos: IEEE – UTPL ………..110

Eventos: EET – UTPL ………...110

Eventos: Seminario ……….112

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EDITORIAL

> Del Editor al Lector<

Página 3

Del Editor al Lector

En esta nueva edición de En CORTOCIRCUITO

se recopiló los trabajos desarrollados en el semestre,

con el ánimo de difundir nuestro trabajo como

Es-cuela y el avance de la misma, además se ha

busca-do una mayor circulación de la revista, por ello se

ha creado un blog para poder descargarla,

visuali-zarla en línea o chequear las novedades de cada

edi-ción, les invito a revisarlo, la dirección es

blogs.utpl.edu.ec/cortocircuito.

Esperamos sea de su agrado y ayude a descubrir e

incentivar la creatividad de todos quienes

disfruta-mos de los artículos de la revista.

Siempre con el ánimo de innovar y mejorar cada día

esperamos sus comentarios, sugerencias y aportes

para brindar un trabajo de calidad y renombre.

Andrea Castillo Carrión

Editora de En CORTOCIRCUITO

“Dadme un punto de apoyo y moveré la

tierra y el cielo”

ARQUÍMEDES

Edición N° 18

Julio 2009

DIRECCIÓN

Ing. Jorge Luis Jaramillo

EDITORIAL

Andrea Castillo Carrión

REVISIÓN TÉCNICA

Ing. Patricio Puchaicela

―En CORTOCIRCUITO es una publicación

de la Escuela de Electrónica

y Telecomunicaciones de la

Universidad Técnica Particular de Loja‖

Loja - Ecuador

En-Cortocircuito Nº 18 by Escuela de Electrónica y Tele-comunicaciones is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-No comercial-Sin obras derivadas 3.0

Ecuador License.

Permissions beyond the scope of this license may be avai-lable at http://www.utpl.edu.ec/blog/eetblog/.

(4)

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

Página 4

Resumen—El presente artículo muestra consideraciones

generales que implica el diseño, la simulación y la implementación de circuitos pasivos para microondas, enfocados principalmente sobre tres elementos que son el híbrido de cuadratura, el acoplador de anillo y un filtro pasa banda, pero antes de ello se describe brevemente como es el modelo básico que rigen a las líneas de microcinta, y por ser un tema bastante amplio de enfocar, nos remitimos únicamente a un resumen del trabajo realizado, para su posterior simulación e implementación.

Índice de Términos—elemento pasivo, hibrido, microwave

office, PCB.

I. INTRODUCCIÓN

E

l incremento de servicios y aplicaciones que operen en el orden de frecuencias de microondas hace necesario la implementación de elementos cuya producción e inserción en el área de trabajo sea mucho más fácil, con una estructura más compacta y ligera; es así que las líneas de transmisión en circuito impreso o conocida como tecnología microstrip, es una alternativa para la implementación de dichas aplicaciones, con el ahorro económico que involucra la elaboración de las mismas. La tecnología microstrip se ha usado desde tiempo atrás y de manera amplia debido a que tiene un ancho de banda extenso y además proporciona circuitos muy compactos y ligeros, son económicos de producir, fácilmente adaptables a las tecnologías de producción de circuitos integrados híbridos y monolíticos a frecuencias de radio frecuencia y microondas.

Las líneas de microcinta presentan características propias de impedancia, capacitancia e inductancia, que dentro de una determinada geometría hacen posible el equivalente a un determinado circuito, que posteriormente serán implementadas sobre una PCB, que dentro de las mejores posibilidades se encuentran centradas en la placa de bakelita y de fibra de vidrio.

Para reducir los esfuerzos y comprobar los resultados previo a la implementación, es necesario un sistema de simulación por computadora, que en este caso se hará uso de microwave office, un potente sistema, el cual posee un amplio rango de trabajo sobre líneas de microcinta, y por su versatilidad a la hora de mostrar resultados se hace necesario su utilización.

II. LINEAS DE MICROCINTA

Una línea de microcinta creada sobre una placa para circuito impreso consiste en dibujar e implementar las pistas correspondientes al sistema sobre el cobre que conforma la placa, en su parte inferior se encuentra un material dieléctrico de sustrato que posee sus características de permeabilidad eléctrica, así como magnética, y el plano de tierra de la placa se constituye en un segundo conductor por debajo de el sustrato dieléctrico.

El espesor del sustrato, su permitividad dieléctrica y es ancho que posee las líneas son los parámetros más importantes y que se deben tomar en cuenta a la hora del diseño de los sistemas.

El modo de propagación dominante en una línea de microcinta en un solo medio es el modo transversal electromagnético (TEM), en este modo de propagación, las líneas de campo eléctrico y magnético caen en planos perpendiculares a la dirección de propagación y la distribución de campos puede obtenerse mediante una solución para campos estáticos en el plano transverso [1].

Fig1. Esquema de línea microcinta.

Mediante el uso de secciones de líneas microcintas, puede producirse una amplia gama de componentes. Las secciones de microcintas pueden ser tratadas como elementos distribuidos, cuando sus dimensiones son del orden de la longitud de onda, y, como elementos concentrados cuando sus dimensiones son mucho más pequeñas que la longitud de onda. Las secciones de microcintas, principalmente pueden ser utilizadas dentro de estos componentes:

IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS

PASIVOS DE MICROODAS SOBRE PCB

*Edwin F. Quichimbo; Ing. Marco V. Morocho Y.+

(5)

RADIOCOMUNICACIONES

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

 Filtros pasa bajas, pasa altas.

 Filtros pasa banda y rechaza banda.  Acopladores direccionales  Divisores de potencia  Circuladores, aisladores.  Atenuadores  Resonadores  Transformadores  Combinadores  Líneas de retardo  Antenas

La constante dieléctrica efectiva para una línea de microcinta viene expresada por la ecuación [2]:

(1)

Fig2. Parámetros de una línea microcinta (Microstrip

Filters for RF, JIA-SHENG HONG)

Si conocemos las dimensiones de la línea de microcinta, la impedancia característica está dada por la siguiente ecuación

: (2)

El uso de circuitos de microcinta permite reducir el tamaño, peso y costo de componentes y sistemas de microondas, reemplazando a la mayoría de componentes de guías de onda y otros ensambles.

Las discontinuidades se presentan debido a que nunca se tiene una línea totalmente uniforme, siempre existen acopladores, atenuadores, empalmes, entre otros, que ocasionan dicha discontinuidad. Cada discontinuidad se puede modelar con un circuito equivalente que presenta diferentes características de capacitancia e inductancia [3].

Las discontinuidades más comunes se presentan en la siguiente figura:

Fig3. Discontinuidades en microcintas. (Líneas de

microcinta, Luis Miguel Capacho) A. Características de diseño

Para el trazado de las líneas dentro del circuito impreso es necesario tomar en cuenta que los segmentos curvados que se efectúen. Por los requerimientos estos deberán cumplir ciertas normas para no producir efectos que sean negativos o afecten el desempeño de nuestro sistema, es así que se menciona los siguientes casos [4].

Una terminación se puede modelar como un circuito de una red conformada por elementos capacitivos e inductivos como se muestra en la siguiente figura:

Fig4. Doblés y circuito equivalente (Microwave

Egineering using Microstrip Circuits, E.H. FOOKS)

Según normas establecidas para el diseño de estas pistas no es correcto dejar curvaturas con un ángulo de 90º, ya que como en el modelo anterior es necesario tomar en cuenta que se incrementa los efectos tanto inductivo como capacitivo y según sean los requerimientos se procede de la siguiente manera para tener un control de los mismos de acuerdo a las configuraciones siguientes:

Wd r r r ₁₂

1

2

1

2

1 









1 444 . 1 ln 667 . 0 393 . 1 120 1 4 8 ln 60 0 0                           b W Para b W b W Z b W Para d W W d Z r r   

Página 5

(6)

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

Fig5. Incremento inductivo y disminución capacitiva y

circuito equivalente (Microwave Egineering using Microstrip

Circuits, E.H. FOOKS)

La gráfica anterior muestra la forma de incrementar el efecto inductivo, dentro de la línea sobre una esquina de la misma, mientras que la figura derecha nos muestra cómo es que se logra disminuir la capacitancia existente en la misma.

III. SIMULACIONES

Las simulaciones que se efectúen estarán basas en la plataforma de microwave office, software de alto poder computacional enfocado al diseño de circuitos de microondas con líneas microstrip, además, las variables con las que se tiene una mayor familiaridad son los parámetro S, por ende, este software nos permite hacer uso y obtener resultados en base a estos, además, una completa visualización en los diferentes diagramas facilitan nuestro entendimiento sobre los resultados esperados.

Otra de las características de este software es el hecho de que podemos ir variando manualmente los parámetros característicos de las microcintas e ir visualizando los resultados, hasta obtener una respuesta óptima, que se acople a nuestros requerimientos.

En el diseño de los elementos pasivos de microondas que nos hemos propuesto llevar a cabo, usamos los siguientes parámetros:

Frecuencia de operación: 2.4 GHz Impedancias de entrada y salida: 50 Ohm

A. Híbrido de cuadratura

Este es un elemento con características de divisor de potencia, y las de un acoplador direccional, conocido también como “rat race”. Este acoplador presenta cuatro puertos con una impedancia característica de 50 ohm con un desfase de 90º entre los puertos de salida y el de entrada.

Las características de este elemento se muestran a continuación, en donde también se indica la matriz de dispersión que identifica a este elemento:

Fig6. a) Matriz de impedancia característica b) Hibrido de

cuadratura

En la gráfica anterior también se muestra las características de impedancia necesarias para nuestra aplicación. Basándonos en esta figura, deducimos que si una señal se aplicada al puerto 1, esta se dividirá en forma equilibrada sobre los puertos 2 y 3, mientras que el 4 quedará aislado.

Para un análisis más detallado, se hace uso de bases matemáticas, como son el análisis par e impar, pero para resumir y abreviar el diseño hacemos usos de herramientas como son la calculadora que incorpora Microwave Office. Además el software Mathematica que nos ayuda en los cálculos necesarios, y luego de emplear las ecuaciones mencionadas en el inicio obtenemos parámetros como la constate de permitividad del dieléctrico.

Implementado dichas características en la plataforma de simulación, obtenemos los siguientes resultados, sobre los puertos que caracterizan a este circuito:

Fig7. Resultados hibrido de cuadratura

(7)

RADIOCOMUNICACIONES

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

Página 7

Luego de la simulación y de estar conformes con los resultados procedemos a la implementación de esta microcinta, y para obtener resultados precisos realizamos el diseño con las dimensiones exactas en Autocad y para tener una idea de cómo debería quedar nuestro diseño final, partiendo del diseño propuesto en Autocad, usamos Rhinoceros para obtener un imagen en 3D con características de renderizado precisas.

Fig9. Resultados hibrido de cuadratura CAD

Para la implementación de dicho complemento, hacemos uso de fibra de vidrio, y nuestro diseño final quedaría de la siguiente manera.

Fig. Hibrido implementado

B. Hibrido en anillo

El acoplador en anillo, igualmente es un componente usado para obtener dos señales de la misma potencia y un desfase de 180º, tiene características de divisor balanceado, y en función de sus características de diseño procedemos a realizar sus simulación con el siguiente esquemático que se muestra a continuación, previo a su desarrollo en una placa PCB para la comprobación de resultados:

Resultados:

(8)

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

Fig12. Resultados acoplador de anillo

La implementación de este acoplador sobre el PCB, usando como sustrato la fibra de vidrio tiene el siguiente resultado:

Fig13. Implementación acoplador de anillo

C. Filtro pasa banda

El diseño de filtros en microondas se remite a la teoría de circuitos, para obtener valores de elementos característicos, como son los inductores y capacitores, obteniendo una respuesta adecuada, para posterior a ello realizar aproximaciones de impedancia para obtener una acercamiento al comportamiento de dichos elementos y con ello conformar un filtro que no brinde las características adecuadas a nuestros requerimientos.

Como ya se ha dicho, el objetivo es la elaboración de un filtro cuya respuesta sea pasa banda, haremos uso de stubs radiales que nos proporciones un gran ancho de banda, además de las líneas que nos permitirán obtener una aproximación de los elementos que conforman el filtro.

Fig14. Resultados Filtro pasa Banda

1 2 3 4 Frequency (GHz) Respuesta -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 DB(|S[1,3]|) hibrido DB(|S[1,2]|) hibrido DB(|S[4,1]|) hibrido

Página 8

(9)

RADIOCOMUNICACIONES

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

Página 9

La placa final, con la implementación debida se muestra a continuación:

Fig16. Implementación filtro pasa banda

IV. CONCLUSIONES.

 En esta informe se ha descrito brevemente los rasgos concernientes al el diseño, simulación e implementación de circuitos pasivos de microondas como la iniciación al diseño de sistemas de alta frecuencia.

 El diseño asistido por computadora, nos facilita la obtención de resultados esperados para la simulación y fabricación de elementos que respondan a altas frecuencias.

 En el diseño de filtros para microondas, se realiza primero una aproximación con elementos concentrados, de resistencias, inductores y condensadores, para posteriormente obtener una respuesta en frecuencia deseada, y proceder a una aproximación mediante transformaciones adecuadas de impedancias equivalentes a los elementos antes mencionados, y comparar la respuesta obtenida a la que se debería tener, respuesta óptima.

 En la implementación real de los circuitos pasivos de microondas, es necesario tomar en cuenta que las dimensiones obtenidas en etapa de diseño, deben ser lo más cercanas posibles, para de esta manera obtener resultados verídicos que concuerdan con los esperados, para ello se recomienda hacer uso de software dedicados al dibujo técnico, en este caso

hemos hecho uso de Autocad y Rhinoceros, con resultados altamente favorables.

 Se debe tomar en cuenta todas las normas de diseño para líneas de microcinta, para no tener resultados erróneos en todas las etapas que implica el diseño del elemento pasivo que deseemos.

REFERENCIAS

[1] RUEDA H. JOSE ABEL, “Algoritmo para el análisis

de circuitos de microcinta empleando el método de momentos”, Instituto Politécnico Nacional. Oct 1997.

[2] Pozar M. David ―Microwave Engineering”, 3nd. ed., Wiley, NJ, pp. 143-145, 2007.

[3] Microodas. Disponible en: http://www.scrib.com. [4] E.H. FOOKS ―Microwave Engineering using Microstrip

Circuits”, 3nd. ed., Prectice Hall, NJ, pp. 143-145,

2007.

[5] www.edaboard.com

[6] Matthew M. Radmanesh ‖RF & Microwave Design

Essentials: Engineering Design and Analysis from DC·

El esquemático se muestra a continuación:

(10)

> ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Página 10

DISEÑO, SIMULACIÓN E IMPLEMENTACIÓN

DE ELEMENTOS ACTIVOS PARA

MICROONDAS

*Francisco Hidalgo; Ing. Marco Morocho+

[email protected]

Resumen

—

El presente trabajo describe el diseño,

simula-ción e implementasimula-ción de tres elementos activos para wire-less: hibrido de cuadratura, divisor de potencia y filtro, cada uno de los cuales está diseñado en microcinta sobre un sus-trato de fibra de vidrio para la frecuencia de 2.4GHz.

Índice de Términos—Matriz de dispersión,, sustrato. I. INTRODUCCIÓN

U

n hibrido de cuadratura o hibrido branch-line es un circuito plano de 4 puertos, cuya característica princi-pal es dividir la señal de entrada(puerto 1) en dos partes iguales con una fase de 90º y 3dB menos de potencia(puerto

2 y 3) además de mantener aisladas a sus dos entradas como

a sus dos salidas respectivamente.

Fig1. Híbrido de cuadratura. Tomado de: http://

www.rfcafe.com

Los 4 puertos que se pueden observar en la figura1 pose-en una impedancia igual a Zo (impedancia característica) es decir 50Ω, mientras que las líneas más robustas poseen una impedancia de Zo/(2)1/2 _.

Éste hibrido es simétrico por lo que sus puertos de entrada

(1 ó 4) pueden ser usados como puertos de salida (2 ó 3) sin

tener cambio alguno en su modo de operación.

Un divisor de potencia es una red que permite el reparto de potencia de la señal incidente en una de sus puertas entre el resto siguiendo una determinada proporción.

Según la teoría de microondas, una red de tres puertas pasiva, recíproca y sin pérdidas no puede estar completa-mente adaptada. En un divisor con líneas además las puertas de salida no están aisladas entre si. Wilkinson desarrolló un

divisor de potencia capaz de dividir la potencia que incide por la puerta de entrada en N fracciones que saldrán por las puertas de salida, proporcionando un aislamiento entre estas puertas. El principal distintivo del divisor Wilkinson es el uso de resistencias conectadas entre las puertas de salida.

Fig2. Divisor Wilkinson. Tomado de: http://

www.rfcafe.com

Y finalmente un filtro pasa banda es un circuito plano de dos puertos, cuya característica principal es permitir el paso de la señal de entrada (puerto 1), que tenga una frecuencia similar a la de resonancia, al mismo tiempo que rechaza las señales con frecuencias diferentes

Luego de haber hecho una breve descripción de los ele-mentos que se va a diseñar vamos a señalar los puntos que se han utilizado para su diseño, los cuales forman parte de las secciones de este paper.

Cálculos Diseño Simulación Implementación

II. PARÁMETROS DE DISEÑO

Antes de calcular el ancho y largo de las microcintas pri-mero debemos escoger el sustrato con el cual se va a traba-jar, existen en el mercado una gran variedad de éstos mate-riales como berilio, teflón polietileno, parafina, fibra de vidrio, etc.(Ver tabla 1), como se indico en la sección ante-rior nuestro hibrido se ha diseñado en fibra de vidrio, al definir el tipo de sustrato obtenemos dos parámetros clave para el calculo de las microcintas, éstos son el Ɛr y d (Permitividad relativa y grosor).

(11)

RADIOCOMUNICACIONES

> ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Página 11

Fig8. Esquema del filtro

Utilizando los parámetros de la matriz de dispersión para evaluar el comportamiento del las salidas con respecto a la entrada [PORT 1] se obtuvo los resultados mostrados en la figura 9.

Fig9. Resultados del filtro

V. IMPLEMENTACIÓN

A continuación se muestra cada una de las placas de los dispositivos implementadas:

Híbrido de cuadratura:

Fig10. Hibrido de cuadratura a 2.4GHz en Fibra de vidrio

Divisor de potencia:

Fig11. Divisor de potencia a 2.4GHz en Fibra de vidrio

Filtro pasa banda:

Fig12. Filtro pasa banda a 2.4GHz en Fibra de vidrio

VI. CONCLUSIONES

 En el híbrido el puerto 4 se encuentra aislado por tener un desfase de 180 grados.

 Para implementaciones se requiere de sustratos que so-porten altas frecuencias.

Si se sitúa en cada puerta de este híbrido dos secciones de adaptación de longitud λ/4 en cascada, la respuesta del híbrido resultante presenta un mínimo de reflexión y un máximo de aislamiento.

 Se debe poner un especial énfasis en las dimensiones de los dispositivos ya que pueden llegarse a obtener resul-tados muy buenos para cada uno de los elementos pero, las dimensiones de los mismos pueden ser físicamente difíciles de implementar.

(12)

> ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Página 12

Fig3. Línea de transmisión microcinta. Tomado de: http://

www.rfcafe.com

Los conectores que se utilizan para este tipo de trabajos son los BNC o SMA de montaje para placa.

Un hibrido branch-line está compuesto de 8 microcintas, 6 de las cuales tienen la misma impedancia (Zo) y las dos restantes poseen una diferente (Zo/(2)1/2_{) lo cual las hace} diferir en ancho mientras que la longitud de las 4 microcin-t a s c e n t r a l e s e s t á d e t e r m i n a d a p o r λ/4 (Figura 1) y las de salida de acuerdo a los cálculos de Ɛe (ecuación).

Un divisor de potencia esta compuesto de 7 segmentos de microcinta, las cuales tienen diferente impedancia, lo cual las hace diferir en ancho y largo de la microcinta. Para reali-zar un cálculo menos tedioso de las dimensiones de las mi-crocintas, se ha optado por utilizar la calculadora de MWO.

El filtro desarrollado está compuesto por once tramos de líneas microcinta, las cuales tienen diferente impedancia, lo cual las hace diferir en ancho y largo de la microcinta. Igual-mente se ha optado por utilizar la calculadora de MWO para determinar cada una de las dimensiones de las microcintas.

El cálculo óptimo del ancho y largo de la microcinta evi-tara el desbalance entre las salidas tanto en la amplitud co-mo en fase.

Tabla 1. Constantes dieléctricas de algunos materiales

CÁLCULOS

A. Híbrido de cuadratura

Como el sustrato a utilizarse es la fibra de vidrio entonces

se tiene que el valor de Ɛr =4,4 y d=1.5mm, se procede a

calcular la relación W/d para determinar el ancho de la

microcinta se utiliza la ecuación [1] para determinar la

constante B y posteriormente se utiliza la ecuación [2]: [1]

[2]

Hay que recalcar que es necesario calcular dos constantes B; la primera con la impedancia Zo=50Ω y la segunda con impedancia Zo=Zo/1.414.

Luego de obtener el ancho se calcula la longitud de las cintas, para lo cual se utiliza ecuación [3]:

[3]

Pero para el cálculo se requiere de dos valores ko y Ɛe,

para encontrar estas variables se hace uso de las ecuaciones [4] y [5]:

[4]

[5]

Una vez realizados los cálculos se obtienen los siguientes datos:

Tabla2. Valores de elementos para el diseño del híbrido de cuadratura

B. Divisor de potencia

Si se quiere que la potencia que incide en la puerta 1, P1, se divida de modo que P3 = K2·P2, siendo P3 y P2 las po-tencias que salen por las puertas 3 y 2, respectivamente se ha de cumplir que:

Material



_r Aluminio(99.5% 9.5-10 Berilio 6.4 Ceramica 5.60 Vidrio(Pirex) 4.82 Fibra de vidrio 4.4 Parafina 2.24 Polietileno 2.25 Silicon 11.9 Teflón 2.08 Valores 2.4GHz W1(mm) 2.8697 W2(mm) 4.8177 L1(mm) 17.11 L2(mm) 14.65 r

Z

B





0

2

377 





































r r r

_B

B

d

W





61 .0

39 .0

)

1 ln(..

2

1 )

1

2 ln(..

1

2

0 0 0

₍

₁₈₀

₎

90 k

l

e







W

d

r r e

12

1

1 *

2

1

2

1 









c

f

k

₀



2 

(13)

RADIOCOMUNICACIONES

> ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Página 13

[6] [7]

[8]

Además las resistencias de carga para el puerto de entrada y el puerto de salida deben cumplir la siguiente condición:

[9] [10]

[11]

Del resultado de aplicar estas fórmulas y utilizando la calculadora de MWO se obtiene los siguientes datos:

Tabla3. Valores de elementos para el diseño del divisor

C. Filtro

Para obtener los valores de los elementos para un filtro Butterworth, tenemos la siguiente ecuación:

[12]

De donde k=1, 2,3….n

De esta ecuación sale la tabla 4, como forma de resumir y revisar los valores de los elementos más rápidamente se ha procedido a resumirlos hasta n=10, debido principalmente a que se va a implementar 10 etapas para el filtro.

Ahora se procede a realizar el cálculo de la constante Ωe, mediante la siguiente ecuación:

[13]

Esta constante es de gran importancia ya que sirve para realizar el cálculo de las inductancias. Se las calcula me-diante las siguientes ecuaciones:

[14] De donde se obtiene:

[15]

Mientras que las admitancias se las calcula mediante la siguiente ecuación:

[16]

De donde se obtiene:

[17]

Después de estas respectivas transformaciones tenemos como resultados los siguientes valores:

Tabla4. Valores de elementos para el diseño del filtro

Utilizando el software Microwave Office simulamos los tres elementos diseñados utilizando microcintas con los parámetros calculados. El circuito general de el hibrido es el de la Figura 4.

IV. SIMULACIÓN

Utilizando los parámetros de la matriz de dispersión para evaluar el comportamiento del las salidas con respecto a la entrada [PORT1] se obtuvo los resultados mostrados en la figura 5.

)

1 (

)

1 (

1

2 0 03 02 3 2 03

K

Z

R

K

Z

KZ

Z

K

Z

O O













K

Z

R

K

Z

R

Z

R

O O O

/

3 2 1



Valores

Z

03

Z

02

Z

0 Impedancia 51,49Ω 102,98Ω 50Ω W(mm) 2,8038 0,61657 2,9456 L(mm) 16,897 17,809 16,858













n

k

sen

g

_k

2 )

1

2 (

2 

45 .

1

2 tan

_

















r c c

f



Zo

g

G

_k



_k c k k

G

L





o k k

Z

g

G 

c k k

G

C





Elemento Activo Valor L1 46.32 H C2 0.03906 F L3 49.32 H C4 0.04207 F L5 51.24 H C6 0.04609 F L7 53.65 H C8 0.05312 F L9 57.36 H C10 0.05634 F

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> ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

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Fig4. Esquema de híbrido de cuadratura

El circuito general del divisor de potencia es el de la

Fig6.

Utilizando los parámetros de la matriz de dispersión para evaluar el comportamiento del las salidas con

respec-to a la entrada [PORT 1] se obtuvo los resultados mostra-dos en la figura 7.

(15)

RADIOCOMUNICACIONES

> ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

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Fig6. Esquema del divisor de potencia

Fig7. Resultados del divisor de potencia

El circuito general del divisor de potencia es el de la

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> ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Página 16

REFERENCIAS

[1] Pozar David, ―Microwaves Engineering 2ª edi-ton‖, Editorial Wiley, pp. 160-164, 363-364 y 379 -382. [2] www.taconic-add.com/pdf/rf35.pdf [3] www.rfcafe.com [4] www.fnrf.science.cmu.ac.th/theory/rf/Scattering% 20parameters.html [5] www.pue.udlap.mx/~tesis/lem/loranca_r_ya/cap itulo2.pdf

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RADIOCOMUNICACIONES

> DISEÑO DE ANTENAS<

Página 17

ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA ANTENA YAGI

*Pablo Bastidas, Jasmine Chuncho, Roddy Correa, Alexandra Erreyes, Vanessa Poma

[email protected]

Ing. Marco V. Morocho Y.+

[email protected]

Resumen—En el presente documento se proporciona

información acerca del análisis y diseño de una antena Yagi y la comparación entre los software Puma-Em (paralelo uni-ficado multipolo algoritmo para electromagnética) y FEKO.

Abstract—Presently document is provided information

about the analysis and design of an antenna Yagi and the comparison among the software Puma-Em (parallel unified multipolo algorithm for electromagnetic) and FEKO.

Índice de Términos—FEKO, Puma-Em, Linux, Gmsh,

matplotlib, Antena Yagi.

I. INTRODUCCIÓN

E

l uso de los programas de simulación permite obtener resultados preliminares de la distribución de campo y corriente sin tener que fabricar prototipos. Esto es muy con-veniente en la parte conceptual de los diseños ya que las estructuras de antenas se pueden diseñar usando una interfaz grafica o el uso de código. La metodología de simulación para estos diseños es el método de momentos (mallas de elementos finitos

Los desarrollos analíticos permiten entender mejor el comportamiento físico de las antenas, especialmente cuando éstas tienen formas complejas que requieren de altos tiem-pos de cálculo. En este paper se ha desarrollo una completa formulación para el análisis de la antena yagi.

II. ANTENA YAGI

La antena Yagi es una antena direccional, es decir, a dife-rencia de las antenas omnidireccional es una antena capaz de concentrar la mayor parte de la energía radiada1_{de manera}

localizada, aumentando así la potencia emitida hacia el re-ceptor o desde la fuente deseados y evitando interferencias introducidas por fuentes no deseadas). Las antenas Yagi, proporcionan un mejor rendimiento que la antena de dipolo2

cuando se desea concentrar gran parte de radiación en una dirección deseada.

A. Elementos de una antena yagi

Fig1. Esquema de una antena Yagi simple [1] Elemento conductor: es el elemento que capta o emite

las señales.

Reflectores: reflejan las ondas en la dirección del

ele-mento conductor, con lo que reduce la señal que está en su dirección e incrementa la que está en dirección opuesta.

Directores: son elementos parásitos (elementos

inacti-vos), que hacen que la onda siga el camino correcto hasta llegar al elemento conductor.

B. Campos electromagnéticos.

Cuando se aplica corriente eléctrica directa (cd) a un alambre (conductor), el flujo de corriente o el movimiento de cargas eléctricas, crea un campo electromagnético (que es un tipo de energía como: luz solar, luz ultravioleta, rayos x , ondas de radio, entre otros.) alrededor del alambre, pro-pagando una onda en las tres dimensiones hacia el exterior de este conductor.

1_{Energía radiada: Suma de las emisiones en todos los}

ran-gos de frecuencia

2_{Dipolo: es una antena con alimentación central empleada}

(18)

> DISEÑO DE ANTENAS<

Página 18

III. SOFTWARE

A. Puma-EM

El objetivo de Puma-EM es resolver ecuaciones integrales de superficie que se plantean en computación

electro-magnética, mediante el uso de métodos de elementos de

frontera, como el método de momentos. El método se ve reforzada por el uso de el método rápido multinivel multipo-lares que es un solucionador de ecuación integral rápido lo que agiliza la matriz-vector multiplicación exigida por el algoritmo iterativo.

Para instalar Puma-Em se necesita los siguientes requeri-mientos:

Hardware: memoria, procesador 32 bits,

almacenamien-to

Software: Linux CentOS (The Community Enterprise

Operating System) 5.23

Las librerías utilizadas son:  python-devel-2.4.3-24  gcc-c++ - 4.1.2-44  libgfortran-4.1.2-44  gcc-gfortran-4.1.2-44  Libstdc++-devel-4.1.2-44  compat-gcc-34-g77-3.4.6-4  compat-libstdc++-33-3.2.3-61  mesa-libGLU-6.5.1-7.7

Antes de ejecutar Puma-EM, hay una serie de bibliote-cas / programas que necesitan ser instalados. Todas estas bibliotecas / programas son liberados bajo licencias de códi-go abierto. Antes de la compilación de ellos, en primer lugar mirar si es que existe como un paquete para su distribución.

B. Gmsh-2.3.1

Gmsh 3D es un sistema automático del generador de ma-llas de elementos finitos con construir-en pre - y después de las instalaciones de procesamiento.

Gmsh es automático tridimensional de elementos finitos

de malla generador con built-in pre-y post-procesamiento de las instalaciones. Su objetivo es el diseño para proporcionar un simple instrumento de mallado con problemas académicos paramétrico de entrada y capacidades de visualización avan-zada.

Gmsh se articula en torno a cuatro módulos: la geometr-ía, la malla, y solucionador post-procesamiento.

Gmsh se utilizará para la generación de los triángulos que Puma-EM utiliza para los cálculos.

Para más información acerca de esta plataforma puede consultar a http://www.mesa3d.org.

Para Instalar los binarios, la forma más fácil es descar-gando el más reciente paquete binario disponible en http:// www.geuz.org/gmsh/bin/Linux/gmsh-2.3.1-Linux.tgz., luego extraer y copiar el "gmsh" en el ejecutable "/ usr / bin" o "/ usr / local / bin" directorio de la máquina.

La forma de correr el programa es sencilla una vez insta-lado el programa, pues se lo deberá ejecutar desde la termi-nal con el comando ―Gmsh‖.

Fig2. Interfaz grafica Gmsh.

A continuación algunas capturas de pantalla de lo que es capaz de realizar esta librería.

Fig3 [3] Fig.4 [4]

Fig.5 [5]

IV. COMPILADORES

A. gcc <4.3.0: g + + y g77

3_{CentOS 5.2: Es un clon a nivel binario de Red Hat}

Enter-prise Linux. esta distribución esta armada directamente des-de las fuentes liberadas des-de Red Hat.

(19)

RADIOCOMUNICACIONES

> DISEÑO DE ANTENAS<

Página 19

Puma-EM utiliza g + + y g77 compiladores. No funciona con los compiladores Intel.

B. g + +- 4.1.2

Puede ser instalado a través del gestor de paquetes.

C. g77 -4.1.2

Sobre OpenSUSE y Fedora / RedHat, busque "compat-g77" e instalar los archivos relacionados.

D. Blitz++ -0.9

C + + rápido gama biblioteca, proporcionando cerca de las actuaciones de fortran. Usted tiene que compilar la bi-blioteca. En primer lugar, vaya descargar la fuente, dispo-nible en http://www.oonumerics.org/blitz/ luego, ejecute los comandos:

 [yo @ machine0: ~] $. / configure  [yo @ machine0: ~] $ make libs

 [yo @ machine0: ~] $ su - c ‗make install‘.

El comando de instalación debe hacerse como root.

E. Python-2.4.3-24

El intérprete de Python (disponible en http:// www.python.org/, instalado por defecto en muchas distri-buciones de Linux

F. NumPy-1.2.0-1.2 y SciPy-0.6.0-2.1

Son bibliotecas científicas para python, que permite el uso eficiente de matrices en python ambos disponibles en http://www.scipy.org/.

Scipy tiene que ser compilado sobre Numpy para la ins-talación ejecute los comandos:

 [root @ localhost: ~] $ python setup.py build  [root @ localhost: ~] $ su –c ‗python setup.py

install‘

G. Matplotlib-0-91.2-1

Matplotlib es una biblioteca para la generación de gráfi-cos a partir de datos contenidos en listas o arrays en el len-guaje de programación Python y su extensión matemática NumPy. Proporciona una API, pylab, diseñada para recor-dar a la de MATLAB [6].

Comando de instalación:

 [root @ localhost: ~] $ python setup.py build  [root @ localhost: ~] $ su –c ‗python setup.py

in-stall

H. mpi4py-1.0.0

MPI para Python (mpi4py) proporciona enlaces de la Message Passing Interface (MPI) para el lenguaje de pro-gramación Python, permitiendo que cualquier programa de Python pueda aprovechar múltiples procesadores [7].

Comandos para la ejecución:

 [root @ localhost: ~] $ python setup.py build  [root @ localhost: ~] $ su –c ‗python setup.py

in-stall‘

I. Open-mpi-1.2.5-5

MPI es una API normalizada usan típicamente para pa-ralelo y / o computación distribuida.

MPI significa la Message Passing Interface. Escrito por el MPI Forum (un gran comité de una sección transversal entre los representantes de la industria y la investigación).

Para la instalación ejecute el siguiente comando:  [root @ localhost: ~] $. / configure  [root @ localhost: ~] $ su –c ‗make install‘

V. FEKO

FEKO es un software que pueden solucionar una amplia gama de problemas electromagnéticos, se encuentra basa-do en el Métobasa-do de Momentos (MoM) para obtener los parámetros de entrada y radiación de las antenas.

Permite simular un sin número de estructuras de ante-nas y de igual forma evaluar la distribución de campo y corriente. Estas estructuras se pueden diseñar tanto en in-terfaz gráfica como por medio de código. Permite procesa-miento en paralelo; es un programa muy completo para estos fines.

En la interfaz de usuario encontramos el cadfeko y post-feko.

A. Cadfeko

 Crear geometría CAD canónica utilizando estructu-ras y realizar operaciones sobre los booleanos.  Importar y modificar los modelos CAD de malla y

(20)

> DISEÑO DE ANTENAS<

Página 20

 Crear la malla de superficie y volumen mallas.

 Establecer parámetros del material por ejemplo, constante dieléctrica, revestimiento, conductividad.  Establecer excitaciones conjunto y los parámetros de

la solución como: la frecuencia, la carga.  Establecer parámetros de cálculo del campo.

 Establecer los parámetros de optimización de fun-ciones objetivo y crear por ejemplo, la optimización de enjambre de partículas impedancia de entrada.

B. Postfeko

 POSTFEKO soporta múltiples puntos de vista con múltiples geometrías.

 Presentación de resultados en 2D y 3D

 Exportar a formatos populares de la imagen de las imágenes y animaciones.

 Avanzada tasa de absorción específica (SAR) de visualización.

 UTD de rayos de colores indican su relativa ampli-tud.

 Superficie eléctrica y las corrientes de densidad de carga eléctrica.

C. Métodos que utiliza

 Se basa en el Método de Momentos (MOM) y fue el primer código de comercio para utilizar los múltiples niveles multipolo método rápido (MLFMM) para la solución de los grandes problemas de la electricidad.  En FEKO, la principal es la hibridación con las si-guientes técnicas de solución:- Método de Elemen-tos FiniElemen-tos (FEM)

- Óptica Física (PO) - Óptica Geométrica (GO)

- Teoría de la difracción uniforme (UTD)

Esta hibridación implica que estas técnicas de solución se pueden aplicar a diferentes partes de un mismo modelo de solución para optimizar el tiempo y los resultados.

D. Características computacionales

 Frecuencia de muestreo adaptativo  No red de análisis de emisión.  Optimización.

 Fuera del núcleo de soluciones.  Procesamiento paralelo.  Opciones de simetría.

 Cable de acoplamiento simple análisis.  Análisis de dominio de tiempo.  Condiciones periódico frontera.

VI. DIFERENCIAS Y SEMEJANZAS ENTRE LAS HERRAMIENTAS DE FEKO Y PUMA-EM

Las diferencias que existen entre las herramientas de si-mulación de Feko y Puma-em son las siguientes:

Feko utiliza las siguientes herramientas:

» CAD.- Interfaz grafica, ( interactivo de geometría

y mallado)

» EDIT.- Solución de control.

» POST FEKO.- Procesamiento de datos.

» Puma-Em utiliza la siguiente herramienta: » GMSH.- es una red de elementos finitos y

post-procesador, se articula en torno a cuatro módulos: 1. Geometría.

2. Malla. 3. Solucionador. 4. post procesamiento.

A. Ejemplo.

Para evaluar se hizo un diseño en FEKO tomado de la primera revista en corto circuito de la UTPL, los datos son los siguientes:

Modelo.- Diseño de una antena Yagi-Uda para la

fre-cuencia de la operación del canal uno en la ciudad de Lo-ja.

Valores a utilizar en el diseño de la antena luego de reemplazar los valores de la frecuencia y longitud de on-da:

(21)

RADIOCOMUNICACIONES

> DISEÑO DE ANTENAS<

Página 21

Fig6. Gráfico de distribución de corriente.

VII. DISEÑO DE LA ANTENA EN EL CADFEKO Luego de haber diseñado la antena, se envía a ejecutar los datos, y luego en el postfeko se pueda mostrar:

Como se le dio un intervalo de frecuencia, se puede ver la radiación par cada frecuencia, y así comparar con tres frecuencias puntuales:

Diagramas de máxima ganancia en una frecuencia de:

» 520 MHz

» 545MHz

» 580MHz

Fig7. Diagramas de radiación a) 520MHz b) 545 MHz

c) 580MHz

Fig8. Diagramas de campo en las frecuencias de:

a) 520MHz b) 555MHz c) 570MHz c) 580 MHz También podemos sacar los gráficos de corriente, impe-dancia, ganancia, potencia, etc.

Fig9. Gráficos de corriente, impedancia, ganancia y

potencia respectivamente Elemento Longitud(m) Separación con el elemento anterior (cm) Reflector 0.275 -Dipolo 0.261 8.81 1° Director 0.253 5.50 2° Director 0.238 5.50 3° Director 0.230 8.26 4° Director 0.220 11.01 Impedancia: 75 Ohmios. Frecuencia: 545 MHz Intervalo a evaluar: 520-580Mhz

(22)

> DISEÑO DE ANTENAS<

Página 22

VIII. CONCLUSIONES

» El software Puma-Em en comparación con Feko es me-jor para el análisis de campos electromagnéticos.

» Las comparaciones entre los dos software se puede hacer en base a las herramientas y no entre los elemen-tos de análisis de la antena.

» Para la visualización del diseño de la antena en el Puma-Em es necesario abrir un software aparte que es el GMSH.

» El diseño de la antena en Feko y Puma-em no es la mis-ma, en el primero se construye por líneas, cilindros, elipses u otras, mientras que el segundo sólo admite puntos y líneas.

» El Puma-Em. sirve para el diseño y análisis electro-magnético de antenas y no para antenas de superficies planas como las de microcinta.

IX. RECOMENDACIONES

» Cuando se realiza el diseño de la antena se debe tener muy encuentra las dimensiones de cada elemento que lo compone puesto que de estos depende mucho el tipo de antena.

» Para instalar Puma-Em se recomienda utilizar los scrips de su distribución de linux ya que es más fácil la instala-ción del mismo.

» Para instalar el Puma-Em se debe seguir un orden ins-talando primero las librerías que falten, y luego de esto las dependencias. REFERENCIAS [1] wikipedia.org/wiki/Campo_electromagn%CAtico [2] www.wikipedia.org/wiki/Archivo:Esquema_anten a_yagi.GIF [3] www.geuz.org/gmsh/gallery/bike.png. [4] www.geuz.org/gmsh/gallery/linkrods3Db.png [5] www.geuz.org/gmsh/gallery/pump.png [6] www.wikipedia.org/wiki/Matplotlib [7] www.scipy.org/

[8] www.mesa3d.org. (Manual de instalación)

[9] www.geuz.org/gmsh/doc/texinfo/gmsh.html (Información)

[10] www.geuz.org/gmsh/screencasts/tutorialdemanejo [11] A.C. Azner, L.J Roca, J.M. Ríos, J.R.Robert, S.Blanh,

M.F. Batallar. Antenas. 2da_{edición. Alfaomega,}

Méxi-co, 2004.

[12] W.L. Weeks. Antenna Engineering. McGraw- Hill, Nueva York, 1968.

[13] M.L. Borrows, Elf. Comunications Antennas, Peter Peregrinus, Londres, 1978.

[14] KRAUS John D, Fleisch Daniel A. Electromagnetis-mo con aplicaciones Quinta edición. Parámetros bási-cos de una antena.

[15] MILEAF Harry, Limusa Noriega editores, México octubre de 1993. Electrónica impedancia de antena, longitud de antena.

[16] MARSHALL Stanley V, DUBROFF Richard E, SKI-TEK Gabriel G. Concepto de ganancia y apertura de haz dipolo elemental.

[17] Revista En Cortocircuito. Edición N°1. 11-07-2009. Escuela de Electrónica Y Telecomunicaciones. UTPL.

(23)

RADIOCOMUNICACIONES

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Pá

Gamma-Match

*Gianella P. Saetama; Ing. Marco V. Morocho+

[email protected]

Resumen—El presente informe es el resumen del trabajo

realizado sobre el acoplador de impedancias para antenas Gamma-Match, mostrando la forma de construcción para una frecuencia de 150.15MHz, y un análisis hecho en base a los experimentos realizados con el acoplador.

Índice de Términos— Acoplador, Dipolo,

Gamma-Match, ROE.

I. INTRODUCCIÓN

E

l Gamma-Match es un sistema de adaptación de impedancias asimétrico entre el cable y el elemento excitado, formado por una sección de línea y una capaci-dad en serie [1].

Fig1. Adaptador Gamma Match [2]

Este acoplador de impedancia es el más utilizado por su eficiencia y facilidad de construcción como se puede apreciar en la Fig1, el mismo se lo construye con los mis-mos materiales que se construye la antena.

Su concepto nace del fabricar un condensador variable (Fig2(b)) aprovechando los tubos de aluminio que confor-man la antena y las propiedades de capacitancia que pre-sentan los tubos huecos.

Al insertarse un tubo dentro del otro, se logran capaci-dades prácticas para poder acoplar antenas que presentan reactancias inductivas, es decir, se utilizan para cancelar la reactancia que exhibe toda antena y con ello, lograr sinton-ía a la frecuencia de trabajo y un bajo valor del ROE [2].

(a)

(b)

Fig2. (a) Esquema Dipolo simple con adaptador Gamma Match, (b)

Represen-tación del Adaptador como capacitor variable [5] La variación de impedancia produce al variar la distancia entre el dipolo y el tubo de adaptación; y la relación entre los diámetros de los tubos y del sistema de adaptación.

II. ESTRUCTURA Y FORMA DE CONSTRUCCIÓN La estructura del Gamma-Match se muestra en la Fig-3, la longitud del acoplador es de 0.1λ .

Fig3. Dimensiones del dipolo simple y del

Gamma-Match.

Se lo construye con el mismo tubo del cual está hecha la antena (dipolo simple), es decir con un tubo de aluminio de 3/8"; dentro de este tubo que tiene una longitud de se introducirá un pedazo de coaxial RG8 de la misma longi-tud como se observa en la Fig-4.

a) b) c)

Fig4. (a) Cable coaxial sin forro y malla

(b) tubo de aluminio para el Gamma Match (c) tubo de aluminio con el cable coaxial insertado

(24)

> ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

Página 24

Como se observa en la Fig-4(a) al cable coaxial se le eliminará el forro y la malla quedando únicamente el forro que protege al conductor central, el forro produce un aisla-miento entre el tubo de aluminio y el cable que va soldado al conector previamente fijado en el boom de la antena.

El shunt (Fig-5) es la pieza de aluminio que une el ele-mento excitado (antena) y el Gamma-Match, para poder realizar el análisis del acoplador se variara el tamaño del shunt con el fin de saber cuál es su mejor tamaño en fun-ción del ROE. En la parte inferior de la siguiente figura (Fig-4) se puede ver los shunts de diferentes tamaños utili-zados.

Fig5. Shunt de 3-4-5-6 cm y aislante

Además en la parte superior de la Fig-4 se puede ver el aislante, que sirve sólo para ayudar a sostener y mantener fijo el Gamma-Match; este debe ser de la misma longitud del shunt.

El efecto de capacitor variable que se desea para acoplar la antena, se lo obtiene al variar la posición del shunt hasta encontrar su posición optima, es decir el punto en el cual el valor del ROE es lo más cercano a 1. Todo el sistema del Gamma-Match se lo puede apreciar en la Fig-6.

Fig6. Gamma-Match

III. CÁLCULOS DEL DIPOLO SIMPLE

Como ya se menciono anteriormente la frecuencia de trabajo establecida es de 150 MHz en base a esta frecuencia se calcula la longitud del dipolo:

La longitud de onda (λ) es (1): (1) donde: (2) (3) Pero la longitud del dipolo es la longitud de onda menos el 5% dividida para 2, es decir:

(4) (5)

Otra forma es utilizar la ecuación (6):

(6)

(7)

IV. CÁLCULOS DEL GAMMA-MATCH

La longitud l del Gamma-Match, es del 10% de la longi-tud de onda [3], expresada en la ecuación (8):

(8)

(9)

V. CÁLCULOS DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN Para la línea de transmisión se utilizo el cable coaxial RG -58 y su factor de velocidad es 0.66, entonces:

(10)

(11)

(12)

Una vez obtenido el valor de Єr en (12), podemos

calcu-lar la longitud de onda (lambda) en el medio utilizando la siguiente ecuación: (13)

f

c





m

998 .

1

15 .

150 300 





m

2 



r p

V





1

66 .

0

1 



_r

29 .

2 



_r



*

10 

l

m

l



0 .

1 *

1 .

90 cm

l 19



r o







(25)

RADIOCOMUNICACIONES

> ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

Página 25

(14)

(15)

VI. CÁLCULOS DEL DIRECTOR

(16)`

(17)

VII. GRÁFICAS Y TABLAS DE LAS MEDICIONES

A. ROE con Shunt de 3 cm (Tabla1)

Tabla 1: Medición del ROE con Shunt de 3cm

Fig7.Gráfica de la Tabla 1

B. ROE con Shunt de 4 cm

Fig8. Gráfica de la Tabla 2

C. ROE con Shunt de 5cm

ROE Distancia ( cm) 1ra Medición 2da Medición 3ra Medición 1 9,1 8,8 8,7 2 8,4 8,2 8,2 3 5,7 7,8 7,8 4 5,6 6,9 4,4 5 5,5 6 4,1 6 5,4 5,2 3,5 7 3,9 4 3,5 8 3,5 3,7 2,9 9 2,8 2,4 2,6 10 2,7 2,3 2,5 11 2,1 2,3 2,2 12 2,6 1,8 2,2 13 2,8 2,5 2,7 14 3,7 3,8 3,7 15 4,7 4,6 4,8 16 4,7 4,9 4,8 17 4,8 4,8 4,8 18 4,9 4,9 4,9 19 5 4,8 5 ROE Distancia cm. 1ra Medición 2da Medición 3ra Medición 1 6,1 7,3 7,7 2 4,9 7,2 7,2 3 4,7 6,1 5,3 4 4,5 4,6 4,2 5 4,3 4 3,5 6 4,2 3,4 2,9 7 3,3 2,6 2,3 8 2,8 1,9 2,2 9 2,5 1,7 2,1 10 2 2,3 2,2 11 2,3 2,5 2,5 12 3,3 2,5 2,7 13 4,1 2,6 3 14 4,3 2,8 3,2 15 4,3 2,8 3,2

m

998 .

1

0





m

31 .

1

29 .

2

998 .

1 





45 .

0 

D

I

)

190 (

45 .

0 cm

I

D



cm

I

_D



85 .

5

(26)

> ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

Página 26

Tabla 3: Medición del ROE con Shunt de 5cm

D. ROE con Shunt de 6 cm

E. Dipolo con director

ROE Distancia cm. 1ra Medición 2da Medición 3ra Medición 1 5,5 5,7 6,9 2 5,4 5,7 6,7 3 5,1 5,5 6,6 4 4,8 5,5 5,2 5 4,7 5,2 4,3 6 4,5 5,2 3,9 7 4,5 4,8 3,7 8 4,4 4,8 3,5 9 4,4 4,8 3,3 10 4,3 4,5 3,3 11 4,2 4,2 3,2 12 4,2 3,9 3,2 13 3,7 3,7 2,7 14 3,6 3,7 2,1 15 1,4 2,2 1,8 16 3,9 1,7 3,9 17 4,1 3,4 4,5 18 4,3 4,8 4,7 19 4,3 4,8 5,3 ROE Distancia cm. 1ra Medi-ción 2da Medi-ción 3ra Me-dición 1 4,9 6,1 5,3 2 4,9 5,7 5,2 3 4,7 5,2 4,7 4 4,3 4,3 4,3 5 4,3 4 3,5 6 3,9 2,7 3,2 7 3,3 2,6 2,4 8 2,1 2,6 2,4 9 1,6 1,9 2,1 10 2,3 1,8 1,5 11 2,6 2,5 2,5 12 3,5 2,5 2,9 13 4,1 2,6 3 14 4,3 2,7 3,1 15 4,3 2,8 3,2 16 4,4 3,1 3,5 17 4,7 3,4 3,8 18 5,7 3,9 4 19 5,9 4,1 4,7

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Tabla 5: Medición del ROE en la antena con directo

VIII. PROMEDIO DE LOS DATOS

A.

Shunt de 3, 4, 5 y 6cm (Promedio)

Tabla 6: Tabla de valores promedio a diferentes distancias

del Shunt

B. Valores Promedio del ROE (Roe en función de la

longitud del Shunt)

Tabla 7: Medición del ROE en la antena con director

Separación del Director cm ROE 1,4 1,5 1,5 1,3 1,6 2,5 2,2 2,5 2,0 2,9 3,5 2,9 2,9 3,5 3,6 3,6 ROE PROMEDIO Distancia cm 3cm 4 cm 5cm 6cm 1 8,86 7,03 6,03 5,43 2 8,26 6,43 5,93 5,26 3 7,1 5,36 5,73 4,86 4 5,63 4,43 5,16 4,3 5 5,2 3,93 4,73 3,93 6 4,7 3,5 4,53 3,26 7 3,8 2,73 4,33 2,76 8 3,36 2,3 4,23 2,36 9 2,6 2,1 4,16 1,86 10 2,5 2,16 4,03 1,86 11 2,2 2,43 3,86 2,53 12 2,2 2,83 3,76 2,96 13 2,66 3,23 3,36 3,23 14 3,73 3,43 3,13 3,36 15 4,7 3,43 1,8 3,43 16 4,8 3,56 3,16 3,66 17 4,8 3,96 4 3,96 18 4,9 4,23 4,6 4,53 19 4,93 4,9 4,8 4,9

(28)

> ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

Página 28

IX. ANÁLISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS En base a los datos de las tablas expuestas anteriormente se pudo realizar el siguiente análisis partiendo de que:

Entonces, tomando como punto de referencia u origen el punto de alimentación de la antena:

SHUNT 3cm (Tabla 1)

Si el shunt es de 3cm la mejor posición para colocar el shunt a lo largo del tubo del acoplador Gamma-Match es a 6.31%λ.

Los valores del ROE más bajos medidos con cada uno de los diferentes tamaños del shunt se muestra en la si-guiente tabla (Tabla 8), estos valores han sido tomados de las tablas 1 hasta la 4:

Tabla 8: Valores más bajos de ROE tomados a las

dife-rentes distancias del shunt

Todos los datos fueron medidos con el analizador de onda estacionarias en la Fig13 se puede ver la antena co-nectada al analizador de ondas estacionarias, mientras que en la Fig14 se puede ver una imagen tomada del valor más bajo del ROE obtenido antes de colocar el director, así como la frecuencia a la cual está trabajando la antena.

Fig13. Antena conectada al analizador de ondas

estacionarias

VALORES MAS BAJOS DEL ROE

3cm shunt 1,8

4cm shunt 1,7

5cm shunt 1,4

(29)

RADIOCOMUNICACIONES

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Fig14. Valor más bajo del ROE medido en la antena sin

director

Las mediciones en la antena con director (Fig-15) se realizaron a partir del valor más bajo obtenido del ROE en la antena sin director, el cual lo muestra la Fig-13 y la Ta-bla 8, el cual es 1.4, cuando el shunt está situado a 15cm en el tubo como indica la Tabla 3; a partir de este valor, se fue variando la distancia de separación desde la antena al direc-tor entre un rango de 0.1λ a 0.25λ, estos datos se muestran en la Tabla 5.

Fig15. Antena con director

Fig16. Valor más bajo del ROE medido en la antena con

director

El valor más bajo del ROE obtenido en la antena con el director es de 1.3 situando en director a 0.13λ del dipolo (Fig-16).

X. CONCLUSIONES

» El acoplador de impedancias entre antenas y cable co-axial Gamma-Match, permite anular la reactancia

in-ductiva que presenta la antena, permitiendo así obtener un bajo nivel de ondas estacionarias (próximo a 1).

» Para acoplar un dipolo simple (antena) con un gamma match, se debe usar un shunt de 5cm (2.63%λ) de lon-gitud y situarlo a 7.89%λ del punto de alimentación (Tabla 3), estos datos fueron calculados en base a una frecuencia de 150.15MHz.

» Para acoplar un dipolo simple con un director utilizan-do el Gamma-Match se debe usar un shunt de 5cm de longitud y situarlo a 7.89%λ del punto de alimentación y el director a 0.13λ, estos datos fueron calculados en base a una frecuencia de 150.15MHz.

» El colocar elementos parásitos a la antena en este caso un director, da mayor estabilidad y un mejor nivel de ondas estacionarias (ROE) a la antena (Tabla 5 y Fig-15).

» El ROE en función de la longitud del shunt se muestra en la Fig-12, a partir de lo cual podemos concluir que la longitud mas optima para el shunt es de 5cm (2.63% λ); es decir si el dipolo es de λ/2 se debe utilizar un shunt de 5cm y variar su posición en base a la frecuen-cia de trabajo.

REFERENCIAS [1] Parámetros de antenas. Disponible en:

www.proteccioncivil.es/es/DGPCE/

Informacion_y_documentacion/catalogo/carpeta02/ carpeta24/vademecum/vdm0251.htm#G

[2] Radio Afición. Disponible en: http://www.qsl.net/ xe3rn/10mts.htm

[3] Revista en Corto Circuito (Numeral #1). Disponible en: http://blogs.utpl.edu.ec/cortocircuito

[4] ANTENAS DE TELEVISIÓN, Santano D. y León, Tercera Edición.

[5] LAS ANTENAS, Brault R. y Piat R., Segunda Edición (1993).

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> LABORATORIOS REMOTOS<

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Laboratorios Remotos a través de la Web

*Edwin Fabián Maza, Ruth Hidalgo, Pedro Arboleda, Pablo Torres; Ing. Patricio Puchaicela+

Resumen—El proyecto de ``Laboratorios Remotos'' se ha

pensado con el objetivo de manipular hardware en tiempo real desde cualquier lugar donde se encuentre el usuario a través de internet. La arquitectura integra un servidor web donde se alojan un conjunto de servlets[8], un conjunto de scripts[8] desarrollados en python los mismos que controlan los movimientos de un robot electrónico, y una base de da-tos para el control y administración del sitio y de los usua-rios que van a desarrollar las prácticas.

En el desarrollo de esta plataforma tecnológica se ha utili-zado herramientas ``Open Source'' (código abierto), con el objeto de optimizar recursos de hardware como software y estos a su vez permitirán contribuir a la comunidad científi-ca con licencias GPL.

Índice de Términos—Internet, laboratorio remoto,

hard-ware, softhard-ware, código abierto, Open Source, servlet, apache -tomcat, python, sitio, script.

I. INTRODUCCIÓN

E

n la búsqueda de estrategias de enseñanza en el campo de la electrónica se ha propuesto un proyecto que per-mita al estudiante manipular hardware de manera remota, la finalidad es que el estudiante y docentes aprovechen los recursos tecnológicos para el desarrollo de una asignatura específica. Las características de la implementación de soft-ware tiene como características: multiplataforma, ―open source‖, multi-servicios, componentes de WEB2.0, entre otros. El prototipo incluye un servidor para la aplicación del laboratorio de electrónica y una interfaz web desde donde los estudiantes tengan el control del componente de hardwa-re.

Las ventajas de usar esta plataforma están en la posibili-dad de integrar las herramientas de última generación sobre internet más los componentes de control sobre hardware específico.

Criterio #: Limitada disponibilidad de los equipos en el laboratorio [6]

Criterio #: Los estudiantes sólo tienen acceso a estos en horarios poco flexibles y con limitado tiempo de uso. A esto se puede agregar que no todos los estudiantes tienen la mis-ma capacidad de asimilar, por lo que algunos requieren de más tiempo para afianzar los conocimientos con la experi-mentación; por lo tanto, el estudiante no puede practicar libremente y analizar los aspectos que considere necesarios

dar mayor énfasis a aspectos débiles de su aprendizaje. II. CONCEPTOS

Laboratorio remoto

Definición 1: Se accede a través de Internet a un sistema

físico real para su manipulación directa. El software utilizado para el control remoto puede ser un navegador Web o una aplicación que necesita ser descargada del servidor del labo-ratorio. En algunas ocasiones puede que sea posible su visua-lización e incluso audición en tiempo real [5]

Laboratorio virtual monolítico

Definición 2: Utilizando un navegador se descarga un

applet, un ActiveX o una aplicación que opera localmente con un recurso simulado. Es decir, la interfaz y el núcleo de simulación constituyen un único objeto. No se necesita la instalación de ningún entorno de simulación, salvo los co-rrespondientes plug-ins o run-time de Java, Labview, EJS o Sysquake. También se incluyen las aplicaciones ejecutables independientes [5]

Laboratorio virtual distribuido

Definición 3: El cliente utiliza una página HTML, un

ap-plet, un ActiveX o una aplicación para conectarse con un servidor en el que se encuentra todo el software de simula-ción. El cliente ejecuta exclusivamente la interfaz en su orde-nador, estableciéndose un diálogo a través de la red entre la interfaz y el servidor de simulaciones [5]

Laboratorio virtual híbrido

Definición 4: Es análogo al monolítico pero necesita

obli-gatoriamente que el cliente tenga instalado en su ordenador el entorno de modelado y simulación, como, por ejemplo, podría ser MATLAB o SIMULINK [5]

En la actualidad, estos paradigmas se están instaurando como complemento a la docencia tradicional, aportando in-numerables ventajas, entre las cuales se pueden citar: el acce-so directo a materiales e información de los curacce-sos, la no necesidad de desplazarse al centro y la flexibilidad de hora-rios, la posibilidad de disponer de sistemas de autoevalua-ción, el acceso a material de laboratorio limitado con opera-ción remota (en asignaturas tecnológicas), la atracopera-ción de alumnos a distancia, etc…

III. OBJETIVOS

El proyecto del servidor de aplicaciones de ―Laboratorios Remotos" tiene como objetivos: