CAMPOS Y ONDAS EN TELECOMUNICACIÓN

(1)

CAMPOS Y ONDAS EN TELECOMUNICACIÓN

Guía de Aprendizaje – Información al estudiante

1. Datos Descriptivos

Asignatura Campos y Ondas en Telecomunicación Materia M7. Sistemas de transmisión

Departamento

responsable Electromagnetismo y Teoría de Circuitos Créditos ECTS 4.5

Carácter Obligatoria

Titulación Graduado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación

Curso Segundo

Especialidad N/A

Curso académico 2013-2014 Semestre en que se

imparte Segundo semestre (Febrero a Junio) Idioma en que se

imparte Español

Página Web http://www.etc.upm.es/new/data/docencia/asignatura.php?id=COTE

(2)

2. Profesorado

NOMBRE Y APELLIDO DESPACHO Correo electrónico Jaime Esteban Marzo B-420 [email protected] Miguel Ángel González de Aza

(Coord.) B-421 Der [email protected]

Manuel Lambea Olgado B-419 [email protected]

Jesús Mª Rebollar Machain B-411 [email protected]

3. Conocimientos previos requeridos para poder seguir con normalidad la asignatura

Asignaturas

superadas N/A

Otros resultados de aprendizaje

necesarios

Conceptos de Circuitos Eléctricos.

Operaciones Básicas con expresiones complejas tanto escalares como vectoriales.

Sistemas Lineales y Funciones y Transformadas relacionadas.

Conceptos básicos de modulaciones.

Conocimiento y capacidad de razonar y resolver problemas de campo eléctrico estático y de campo magnético estacionario a partir de las leyes básicas del electromagnetismo.

Comprensión y dominio de los conceptos básicos circuitales obtenidos desde las ecuaciones de Maxwell: Resistencia, Conductancia, Capacidad, Inductancia, e Inducción mutua.

(3)

4. Objetivos de Aprendizaje

COMPETENCIAS ASIGNADAS A LA ASIGNATURA Y SU NIVEL DE ADQUISICIÓN

Código Competencia Nivel

CG2 CG4 CG5 CG9 CG12

Todas las asignaturas del Plan de Estudios contribuyen en mayor o menor medida a la consecución de las

Competencias Generales del perfil de egreso. No obstante se considera que COTE contribuye de forma específica a:

- CG2 Saber aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y poseer las

competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio.

- CG4. Transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado.

- CG5. Desarrollo de habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía.

- CG9. Uso de Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones.

- CG12. Organización y planificación.

1

CECT4 Capacidad de analizar y especificar los parámetros

fundamentales de un sistema de comunicaciones. 2

CECT5

Capacidad para evaluar las ventajas e inconvenientes de diferentes alternativas tecnológicas de despliegue o implementación de sistemas de comunicaciones, desde el punto de vista del espacio de la señal, las perturbaciones y el ruido y los sistemas de modulación analógica y digital.

2

CECT8

Conocimiento cualitativo y cuantitativo de los mecanismos básicos del fenómeno de propagación de ondas electromagnéticas y su interacción con obstáculos, tanto en el espacio libre con en los sistemas de guiado más simples.

3

LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Básico Nivel de adquisición 2: Medio Nivel de adquisición 3: Avanzado

(4)

RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA

Código Resultado de aprendizaje

Competen- cias asociadas

Nivel de adquisi-

ción

RA1

Conocer la descripción matemática del modelo macroscópico de los medios materiales. Conocer y manejar las expresiones que gobiernan la energía electromagnética y su transferencia:

transmisión y pérdidas.

CECT8

CG2 CG5 3

RA2

Conocer las propiedades de la Onda Plana Homogénea (OPH) y sus características transmitiendo energía.

Comprender el fenómeno de la Polarización de las ondas y su importancia en Telecomunicación.

Comprender los conceptos físicos asociados a las distintas velocidades de propagación y sus consecuencias en la transmisión de señales: distorsión y retardo.

CECT5 CECT8 CG2 CG5

3

RA3

Comprender los conceptos asociados a la reflexión y transmisión (coeficiente de reflexión ( ) y transmisión (τ), impedancia de onda (Z) y diagrama de onda estacionaria (DOE)). Comprender los fenómenos de transmisión de energía.

CECT8

CG2 CG5 3

RA4

Manejar los conceptos anteriores para la resolución de problemas de medios estratificados. Asimilar el concepto de adaptación.

CECT8 CG4 CG9

CG12

3

(5)

RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA

RA5

Asimilar el concepto de reflexión total en la incidencia normal sobre un conductor ideal.

Asimilar el concepto de la incidencia normal sobre un conductor real.

Asimilar la aproximación de Leontovich y el concepto de impedancia superficial en un conductor real.

Asimilar la definición de impedancia de cuadro.

Entender la generalización y uso del concepto de impedancia de cuadro en conductores con otras geometrías.

CECT8

CG5 3

RA6

Conocer la existencia de las líneas de transmisión y comprender y asimilar el concepto de modo TEM.

Comprender los conceptos de onda de tensión y corriente a partir del campo electromagnético. Manejar la línea de transmisión y su descripción mediante diferentes parámetros.

Comprender la representación mediante circuito equivalente para la línea corta y sus limitaciones. Adquirir capacidad para estimar las pérdidas en los conductores.

Asimilar el concepto de cuasi TEM (q- TEM) y sus limitaciones.

Aplicar los conceptos de: , τ , Z, DOE, y adaptación de impedancias en el análisis de la conexión de líneas de transmisión.

Comprender los efectos de las reflexiones producidas por las desadaptaciones de impedancia en la transmisión de señales.

CECT4 CECT5 CECT8 CG4 CG9

CG12

3

LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Conocimiento

Nivel de adquisición 2: Comprensión/Aplicación

Nivel de adquisición 3: Análisis/Síntesis/Implementación

(6)

5. Sistema de evaluación de la asignatura

INDICADORES DE LOGRO

Ref Indicador

Relaciona- do con RA

I1

Capacidad de describir física y matemáticamente las características electromagnéticas de los diferentes tipos de medios materiales a nivel macroscópico: permitividad, permeabilidad, conductividad.

Comprender las características de los medios lineales sin/con dispersión temporal y su relación con las pérdidas en dichos medios.

RA1

I2

Manejar diferentes situaciones/geometrías en las que se calculen valores/expresiones de energía electromagnética almacenada y perdida, así como la determinación de los flujos de energía electromagnética.

RA1

I3

Capacidad de escribir, reconocer y manipular las expresiones que describen la Onda Plana Homogénea (OPH) y calcular sus características de propagación y transmisión de energía.

RA1, RA2

I4

Conocer y comprender el fenómeno de la Polarización de las ondas. Describir y manipular las expresiones que definen las diferentes polarizaciones: lineal, circular y elíptica, y su sentido de giro.

Comprender el significado de las distintas velocidades de propagación y conocer sus expresiones.

RA2

I5

Capacidad para describir y calcular los fenómenos asociados a la incidencia normal de OPH: Ondas reflejada y transmitida, onda estacionaria, coeficientes de reflexión y transmisión, impedancia de onda y diagrama de onda estacionaria.

Comprender y calcular la transmisión de energía electromagnética en estas situaciones.

RA1, RA2, RA3

I6

Capacidad para calcular la distribución del campo electromagnético y la transmisión de potencia en situaciones con diversos medios dieléctricos estratificados.

Manejar el concepto de adaptación mediante láminas dieléctricas.

RA1, RA2, RA3,RA4

(7)

INDICADORES DE LOGRO

Ref Indicador

Relaciona- do con RA

I7

Conocer el cálculo de la reflexión total en la incidencia normal sobre un conductor ideal.

Conocer el cálculo la incidencia normal sobre un conductor real.

RA3, RA5

I8

Conocer y asimilar la aproximación de Leontovich para describir el comportamiento del campo electromagnético. en los conductores, sea cual fuere su forma.

Comprender y manejar el concepto de impedancia superficial en un conductor real y el de impedancia de cuadro.

Conocer y manejar el concepto de impedancia de cuadro en conductores con otras geometrías, y en particular en el hilo cilíndrico.

RA3, RA5

I9

Asimilar el concepto de modo TEM y la línea de transmisión y saber de la existencia de otras familias modales.

Comprender los conceptos de onda de tensión y corriente a partir del campo electromagnético. Manejar la línea de transmisión y su descripción mediante diferentes parámetros.

RA6

I10

Comprender la representación mediante circuito equivalente para la línea corta y sus limitaciones. Ser capaz de estimar las

pérdidas en los conductores. RA5,RA6

I11 Asimilar el concepto de modo q-TEM y sus limitaciones. RA6

I12

Aplicar los conceptos de: , Z, DOE, en el análisis de la conexión de líneas de transmisión de diferentes impedancias características y realizar la adaptación de impedancias.

RA4,RA6

I13 Comprender los efectos de las reflexiones producidas por las

desadaptaciones de impedancia en la transmisión de señales. RA4,RA6

(8)

EVALUACION SUMATIVA Breve descripción de las

actividades evaluables Momento Lugar

Peso en la calif.

Entrega de ejercicios resueltos y/o

realización de test en Moodle Entregas/test Aulas/Moodle 50%

Examen Final Fecha oficial Aulas 50%

Total: 100%

(9)

CRITERIOS DE CALIFICACIÓN

En convocatoria ordinaria los alumnos serán evaluados, en principio, mediante evaluación continua. En cumplimiento de la Normativa de Evaluación de la Universidad Politécnica de Madrid, los alumnos que lo deseen serán evaluados mediante una única prueba final, siempre y cuando lo comuniquen al Director del Departamento de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos mediante solicitud presentada en el registro de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación antes del día 30 de abril de 2014. La presentación de este escrito supondrá la renuncia a la evaluación continua.

En convocatoria extraordinaria los alumnos serán evaluados mediante una única prueba.

La asignatura se aprobará cuando se obtenga una calificación mayor o igual a 5 puntos (50%) sobre un total de 10 puntos (100%).

La evaluación continua se realizará de la siguiente manera:

• La nota final se obtendrá mediante la suma de las calificaciones correspondientes a los dos bloques de actividades de evaluación, con los siguientes pesos:

– Entrega periódica, y en las sesiones en grupo, de ejercicios y test: 50%.

– Examen final: 50%.

• La nota resultado de los ejercicios de evaluación continua será:

– Directamente proporcional a la fracción de ejercicios realizados y entregados, en tiempo y forma, sobre el número total de ejercicios propuestos, siempre y cuando se hayan entregado, en tiempo y forma, al menos el 75% de los ejercicios propuestos.

– 0 puntos cuando se hayan entregado, en tiempo y forma, menos del 75% de los ejercicios propuestos.

Los ejercicios de evaluación continua incluirán problemas a resolver, redacción y esquematización de contenidos, así como test a realizar sobre la plataforma Moodle. Las entregas se presentarán manuscritas, en un mismo cuaderno de hojas no separables que se devolverá al alumno tras su visado.

El contenido de los ejercicios de los exámenes (final en evaluación continua, o prueba única en convocatoria extraordinaria) será fundamentalmente práctico (resolución de ejercicios), aunque puede incluir algunas cuestiones cortas, de carácter más teórico, referidas a conceptos básicos.

Todos los ejercicios que se realicen deben ser fruto del trabajo personal del alumno, aunque en evaluación continua no se penalizará la discusión y el trabajo en grupo, si eso ayuda a entender mejor los problemas que se intentan resolver. El plagio total o parcial de entregas, o de ejercicios en el examen final, supondrá el suspenso en la asignatura.

(10)

6. Contenidos y Actividades de Aprendizaje

CONTENIDOS ESPECÍFICOS Bloque / Tema / Ca-

pítulo Apartado Indicadores

Relacionados

Tema 1: Introducción a la Electrodinámica.

Transferencia de Energía

Electromagnética

1.1 Modelo matemático de la electrodinámica

en el tiempo y la frecuencia. I1

1.2 Relaciones constitutivas. I1

1.3 Teorema de Conservación de la Energía.

Vector de Poynting. Energía en Electrodinámica. I2 1.4 Régimen Monocromático. Valores medios. I2

Tema 2: Ondas Planas Homogéneas.

Polarización.

2.1 Solución de la ecuación de onda. Onda

Plana Homogénea (OPH). I3

2.2 Características de los campos de la Onda Plana Homogénea: variación con z, relación entre campo eléctrico y campo magnético.

Impedancia de la OPH, Constante de propagación.

I3

2.3 Ondas Planas Homogéneas

Monocromáticas (OPHM): Potencia transmitida, atenuación, longitud de onda, velocidad de fase, dispersión.

I3

2.4 Polarización de la OPHM: Lineal, Circular, Elíptica. Relación Axial. Polarización Positiva y

Negativa I3-I4

2.5 Velocidad de grupo. Retardo. Distorsión. I4

Tema 3: Incidencia Normal de Ondas Planas Homogéneas.

3.1 Incidencia normal sobre obstáculo plano de la OPH: Onda incidente, reflejada y transmitida.

Onda Estacionaria. I5

3.2 Coeficientes de reflexión ( ) y transmisión

(τ). Campos en función de ambos coeficientes. I5 3.3 Diagrama de onda estacionaria (DOE);

coeficiente de onda estacionaria (COE).

Impedancia de onda (Z). Continuidad de Z en las discontinuidades.

I5

3.4 Balance energético del problema. I5

(11)

Relacionados 3.5 Incidencia normal sobre el problema de los

tres medios. Fórmula del traslado de impedancias. Propiedades de las láminas dieléctricas en /2 y en /4.

I6

3.6 Eliminación de la reflexión: Adaptación. I6 3.7 Incidencia normal sobre N medios

estratificados. Utilización de la fórmula de

traslado de impedancias. I6

3.8 Incidencia normal de OPH sobre un medio

conductor perfecto. I7

Tema 4: Campos en Conductores. Efecto Pelicular.

4.1 Incidencia normal de OPH sobre un medio conductor real. Balance energético: Potencia disipada en el conductor. Definición del elemento de unidad de longitud y anchura:

Diferencia de potencial y corriente de dicho elemento. Impedancia de cuadro.

I7

4.2 Campos en el conductor: Efecto Pelicular, Condiciones de Leontovich: Concepto de

Impedancia superficial. I8

4.3 Impedancia interna del hilo conductor de

sección arbitraria. Ejemplo: Hilo cilíndrico I8

Tema 5:

Comunicación por soporte físico: Líneas de Transmisión.

5.1 Introducción: Modo TEM y existencia de otros modos. Líneas de transmisión básicas.

Soluciones TEM guiadas. Modos q-TEM.

Definición de las ondas de tensión y corriente.

Impedancia Característica. Constante de propagación. Comentarios a q-TEM

I9

5.2 Potencia transmitida. Circuito equivalente:

realización en T. Aproximación de línea corta.

Energías almacenadas y pérdidas en dieléctricos y en conductores.

I10

5.3 Ejemplos de líneas de transmisión: Cable

coaxial y Línea bifilar. I10

5.4 Los circuitos impresos: líneas planares.

Línea microstrip y otras. Modelo simple de I11

(12)

Relacionados dispersión.

5.5 Reflexiones en TEM Uso de los conceptos de coeficiente de reflexión e impedancia característica en líneas de transmisión. Líneas en /2 y en /4. Adaptación.

I12-I13

(13)

Breve descripción de las modalidades organizativas utilizadas y de los métodos de enseñanza empleados

CLASES DE TEORIA Lección Magistral para la exposición verbal de los contenidos, apoyándose en recursos audiovisuales y multimedia.

CLASES DE PROBLEMAS

Se resolverán en clase problemas tipo de cada tema que servirán para aplicar los conocimientos adquiridos en las clases de teoría.

El profesor propondrá ejercicios que el estudiante deberá realizar individualmente y posteriormente se resolverán en clase.

PRÁCTICAS No se aplica

TRABAJOS AUTONOMOS

Los alumnos deberán realizar (individualmente) ejercicios y problemas para practicar y afianzar los conocimientos aprendidos. Los profesores podrán corregir estos trabajos para evaluar el esfuerzo de cada estudiante.

TRABAJOS EN GRUPO

Los alumnos deberán realizar (en grupo) ejercicios y problemas para practicar y afianzar los conocimientos aprendidos.

TUTORÍAS Los alumnos podrán hacer uso de tutorías personalizadas y en grupo, cuando lo soliciten al profesor y dentro de horarios previamente establecidos.

(14)

14

7. Recursos didácticos

BIBLIOGRAFÍA

V.V. Nikolski, "Electrodinámica y propagación de ondas de radio", http://www.urss.ru. Editorial URSS, 1973.

S. Ramo, J.R. Whinnery, T. Van Duzer, "Fields and waves in communication electronics", John Wiley & Sons , Third Edition, 1994.

C.T.A. Johnk, "Teoría Electromagnética", Limusa, 1981.

J.D. Kraus, "Electromagnetismo", McGraw-Hill, 1986

C.R. Paul, "Transmission Lines in Digital and Analog Electronic Systems: Signal Integrity and Crosstalk", John Wiley and Sons, Inc., 2010.

C.W. Davidson, “Transmission lines for communications”, MacMillan, 1989.

David K. Cheng, “Fundamentos de electromagnetismo para ingeniería”, Addison-Wesley Iberoamericana, 1997.

L.Solymar, "Lectures on electromagnetic theory", Oxford University Press, 1984.

H.A. Haus, J.R. Melcher, "Electromagnetic fields and energy", Prentice-Hall, 1989.

C. Camacho Peñalosa, J.E. Page de la Vega, "Ecuaciones y relaciones energéticas de la electrodinámica", "Ondas Planas",

"Ondas Guiadas".

"Problemas de Campos Electromagnéticos", Servicio de Publicaciones, E.T.S.I. de Telecomunicación, Universidad Politécnica de Madrid.

Formato electrónico puesto a disposición de los estudiantes.

"Problemas de Campos y Ondas en Telecomunicación", Departamento de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos.

E.T.S.I. de Telecomunicación, Universidad Politécnica de Madrid. Formato electrónico puesto a disposición de los estudiantes.

(15)

15 RECURSOS WEB

Página web del departamento de ETC:

http://www.etc.upm.es Moodle de la asignatura en http://wad.etc.upm.es

EQUIPAMIENTO Aulas: designadas por Jefatura de Estudios con cañón de proyección

(16)

16

8. Cronograma de trabajo de la asignatura

Semana Actividades en Aula Actividades en Laboratorio

Trabajo Individual Trabajo en Grupo Actividades de Evaluación

Otros

Semana 1 (7 horas)

Presentación de la Asignatura

Tema 1. Introducción a la Electrodinámica.

Transferencia de Energía Electromagnética ( 3 horas)

Estudio, ejercicios y problemas ( 3 horas) Preparación 1ª entrega ( 1 hora)

Semana 2 (7 horas)

Tema 1. Introducción a la Electrodinámica.

Transferencia de Energía Electromagnética ( 3 horas)

Estudio, ejercicios y problemas (3 horas) Preparación 1ª entrega ( 1 hora)

Semana 3 (7 horas)

Tema 1. Introducción a la Electrodinámica.Transferen cia de Energía

Electromagnética ( 3 horas)

Estudio, ejercicios y problemas ( 3 horas) Preparación 1ª entrega (1 hora)

Semana 4 (7 horas)

Tema 2. Ondas Planas Homogéneas. Polarización.

( 3 horas)

Estudio, ejercicios y problemas (3 horas) Preparación 2ª entrega (1 hora)

Semana 5 (8 h 30')

Tema 2. Ondas Planas Homogéneas. Polarización.

( 3 horas)

Actividad

programada: ( 1h 30 „)

(3 de marzo)

(17)

17 Semana Actividades en Aula Actividades

en Laboratorio

Otros

Semana 6 (7 horas‟)

Tema 2. Ondas Planas Homogéneas.

Polarización. ( 2 horas) Tema 3.Incidencia Normal

de Ondas Planas Homogéneas ( 1 hora)

Semana 7 (7 horas)

Tema 3.Incidencia Normal de Ondas Planas

Homogéneas ( 3 horas)

Semana 8 (7 horas)

Semana 9 (7 horas)

Semana 10 (7 horas)

Homogéneas ( 1 hora) Tema 4. Campos en

Conductores. Efecto Pelicular. ( 2 horas)

(18)

18 Semana Actividades en Aula Actividades

en Laboratorio

Otros

Semana 11 (7 horas)

Tema 4. Campos en Conductores. Efecto Pelicular. ( 3 horas)

Semana 12 (7 horas)

Tema 5. Comunicación por soporte físico: Líneas de Transmisión. ( 3 horas)

Semana 13 (8h 30')

Actividad

programada: ( 1h 30 „)

(5 de mayo)

Semana 14 (7 horas)

Estudio, ejercicios y problemas ( 3 horas Preparación 5ª entrega (1 hora)

Semana 15 (7 horas)

PREPARACIÓN Y

REALIZACIÓN DE EXAMEN FINAL (14 horas)

(19)

19 Observaciones:

1: Para cada actividad se especifica la dedicación en horas que implica para el alumno.

2: Las semanas reseñadas lo son de docencia efectiva (no las semanas de calendario).

3: Para cada actividad se especifica la dedicación en horas que implica para el alumno. Se estiman 27 horas de dedicación del alumno por ECTS.

4: La resolución de problemas en grupo presupone una parte de trabajo individual de cada uno de los miembros del mismo.