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MYCRO
Sin las ondas microondas, no podríamos transmitir muchas cosas…
Introducción a los circuitos
Por supuesto, de las microondas
Función de las Guías Onda
También tienen sus límites
Voltajes y Corrientes
Equivalentes en Guías de Onda
Circuitos de N accesos
Explicados de manera sencilla
Ángel J. Agüero M. Ángel R. Agüero M Pastor J. Melendez V Gary L. Ruiz N
Y más…
Matriz de impedancias y admitancias Matriz de Transmisión
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Circuitos de Microondas
Fotografía cortesía de http://www.google.com
Las microondas surgen por la necesidad de dar un tratamiento sencillo a los sistemas en guía de ondas y cavidades resonantes. Las microondas son ondas que se encuentran en una parte del espectro electromagnético donde la frecuencia de estas va desde los 300MHz hasta los 300GHz, siendo este último límite el comienzo de la parte óptica del espectro conocido. Estas ondas tienen una longitud desde 1m hasta 1 mm, también llamado longitud de onda que viene siendo la distancia mínima entre dos puntos en fase de la onda electromagnética. Por supuesto, se propagan la velocidad de la luz (unos 300.000Km/s). Estas ondas han ido evolucionando, siendo usadas primero para fines militares, y luego con fines industriales.
Fotografía cortesía de http://pedroalberto.mex.tl
Los circuitos de microondas, son capaces de generar ondas que, en este caso, serán utilizadas a través de medios como las guías de onda.
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Las guías de onda son tubos conductores usados para transmitir energía, para transmitir ondas electromagnéticas. Este tubo actúa como contenedor que confina las ondas en un espacio cerrado. En la imagen de abajo se puede observar todo el espectro electromagnético y la ubicación en el mismo de las microondas.
.............................................................. Las guías de onda están formadas por láminas conductoras puestas de tal manera que el interior se encuentra sellado, permitiendo el transporte de la energía mediante reflexiones internas continuas y no por medio de corrientes superficiales como en el caso de las líneas de transmisión.
Las guías de onda pueden propagar un número infinito de tipos distintos de onda electromagnética (en teoría). Cada uno de estos tipos o modos, presenta una configuración distinta de campos eléctrico y magnético. El uso de Guías de onda, es conveniente para aquellas frecuencias que se encuentran dentro del rango de 3 a 100GHz, siendo no recomendado el uso de estos instrumentos cuando se necesita tratar con ondas de frecuencias fuera de este rango.
Una de las ventajas de las guías de onda: Debido a que están formadas por elementos conductores, la forma en la que están puestas las paredes produce un blindaje total, eliminando las pérdidas por radiación. Otra ventaja: No tienen perdidas en el dieléctrico, pues no hay aisladores dentro. Una última: Mayor capacidad en el manejo de potencia.
Las guías de onda son usadas para transmitir señales debido a sus bajas pérdidas, es por esto que se usan en microondas a pesar de que tienen un ancho de banda limitado, al igual que el volumen mayor que el de líneas impresas para la misma frecuencia. También son útiles para transportar información de banda ancha, sustituyendo los cables coaxiales.
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Voltajes y corrientes equivalentes en Guías de Ondas: Las ondas de voltaje y corriente en líneas constituidoras por un solo conductor hueco, no pueden definirse de forma única debido a que los campos que se propagan por estas líneas no son conservativos. Como consecuencia de ello, tampoco puede definirse la impedancia característica de forma única. Sin embargo, los modelos basados en circuitos equivalentes son especialmente útiles para comprender el comportamiento de las discontinuidades e incluso para caracterizarlas cuantitativamente. Uno de los criterios comúnmente utilizados, se basa en las siguientes hipótesis:
El voltaje es proporcional al campo eléctrico transversal y la corriente es proporcional al campo magnético transversal. La impedancia característica es igual a la unidad
Circuitos de N accesos: La red posee un plano de simetría que no corta ninguno de los accesos. Por ello, se enumeran los accesos de forma que a un lado del plano se encuentren los acceso 1 a N y en el otro lado, los accesos N+1 a 2N.
Fotografía cortesía de http://www.google.com
Se termina el acceso 0 (por el que pasa el plano de simetría) con >0, la matriz S de la red de 2N accesos resultante coincide con la original suprimiendo la primera fila y la primera columna, es decir, S0i y Si0. Los elementos S0i y Si0 se calculan directamente sobre la red y no se les puede aplicar la simetría física.
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............................................................. Matriz de impedancia y admitancia: La matriz de admitancia de un sistema de potencia es muy esparcida con elementos que tienen principalmente un valor cero.
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Ondas de potencia:
Los elementos de la matriz de los coeficientes de esta ecuación son dimensionalmente admitancias, pero en realidad son admitancias en cortocircuito.
Toda onda transporta energía de un lugar a otro en el espacio, pero conviene recordar que cada una de las partículas del medio donde se propaga se encuentra oscilando en torno a su posición de equilibrio.
Resulta más simple invertir la matriz Ybarra para encontrar la matriz de impedancias de barra Zbarra pero la inversión directa de la matriz se emplea en raras ocasiones cuando los sistemas son de gran escala.
La potencia “p” en mecánica se define en
La matriz de impedancia de buses (m) es:
La potencia de la onda no es ms que la rapidez con la que transmite energía, esta es la razón entre la energía “E” que es la que transporta la onda en un cierto intervalo de tiempo y el intervalo de tiempo “t”.
Esta puede construirse directamente mediante algoritmos simples para incorporar un elemento a la vez dentro de la representación del sistema. Como en el caso de la matriz de admitancia Yi, se puede demostrar que la suma de los elementos de cada fila y de los elementos de cada columna son nulos. El trabajo que se emplea para la construcción de una matriz de impedancia es mucho mayor que el requerido para construir una matriz de admitancia, pero el contenido de información que se obtiene de la matriz de impedancia es mucho mayor que al de admitancia.
ondas por la siguiente ecuación:
La energía de toda onda armónica es directamente proporcional al cuadrado de la frecuencia y al cuadrado de la amplitud
Matriz de transmisión ABCD
Son utilizados para la caracterización de cuadripolos. Representan la razón de voltajes en circuito abierto (A), la impedancia de transferencia negativa en cortocircuito (B), la admitancia de transferencia en circuito abierto (C) y la razón de corriente negativa en cortocircuito (D).
Cuando un número de circuitos de microondas se conectan en cascada es más conveniente representar cada unión o circuito por una matriz de transmisión que da las características de salida en términos de las de la entrada. Con tal representación, la matriz que describe la cascada completa se puede obtener simplemente por la multiplicación de las matrices que describan cada juntura. Los variables independientes se pueden escoger como los voltajes o corrientes de entrada, , , las amplitudes de las ondas incidentes y reflejadas en la entrada, , , o cualquier otra entidad independiente lineal.
El diagrama representa una juntura de dos puertas con voltajes y corrientes de entrada y salida como , respectivamente. Si se escogen , como las variables independientes y la juntura es lineal, las variables dependientes , están relacionados linealmente a , . Entonces se puede escribir lo siguiente:
A, B, C, D son constantes que caracterizan la juntura. Nótese que la dirección positiva de corriente es siempre a la derecha. Esto se hace de manera que la corriente de salida de una juntura sea la corriente de entrada de la juntura que sigue etc. en una cascada. La matriz es:
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La ingeniería de microondas tiene que ver con todos aquéllos dispositivos, componentes y sistemas que trabajen en el rango frecuencial de 300 MHz a 300 GHz. La tecnología de semiconductores, que proporciona dispositivos activos que operan en el rango de las microondas, junto con la invención de líneas de transmisión planares; ha permitido la realización de tales funciones por circuitos híbridos de microondas y dichos elementos activos son (transistores: transistores de efecto campo (FET), transistores de unión bipolar (BJT) / diodos: diodos Gunn y diodos IMPATT) se han desarrollado versiones especializadas de transistores estándar para altas velocidades que se usan comúnmente en aplicaciones de microondas, las cuales son posteriormente incorporados al circuito mediante el uso de pastas adhesivas y técnicas de soldadura.
Configuraciones que componen un sistema de comunicación por microondas
La radiocomunicación por microondas se refiere a la transmisión de datos o voz a través de radiofrecuencias con longitudes de onda en la región de frecuencias de microondas, teniendo en cuenta que las frecuencias de microondas están comprendidas en el rango de los 300 MHz A 300 GHz así que debido al amplio rango que poseen las comunicaciones por microondas sus configuraciones son muchas, más sin embargo ese rango de frecuencia se puede dividir y clasificar, La banda de frecuencia comprendida entre los 300 MHz y 3000 MHz se conoce como UHF (Ultra high frecuency ó Ultra alta frecuencia) es una banda muy comercial, y se utiliza en: La televisión, Hornos microondas, Radioastronomía, Telefonía móvil, Redes inalámbricas, GPS, Otro rango de frecuencia, comprendida entre los 3 GHz y 30 GHz se conoce como SHF (Super high frecuency ó Super alta frecuencia) y su uso es un poco más exclusivo, entre sus aplicaciones se encuentran los radares modernos, comunicación por satélite, televisión por satélite y DBS (satélite de transmisión directa) Y por último tenemos el rango de frecuencia comprendido entre los 30 GHz y 300 GHz el cual se conoce como EHF (extremely high frequency ó Frecuencia extremadamente alta) y sus aplicaciones se encuentran comprendidas por: Teledetección, Escaner de ondas milimétricas, armas de microondas.
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Componentes activos básicos en un sistema de microondas
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............................................................. Técnicas de acceso en los radio enlace de banda ancha en microondas, así como también transmisión de voz, video y datos por enlaces de microonda La modalidad de operación que se emplea en los satélites es de acceso múltiple, que permita a varias estaciones terrenas transmitir sus portadoras de forma simultánea a un mismo transpondedor, y ser recibidas por cualquier estación terrena ubicada en el rango de cobertura del satélite. Se distinguen dos modalidades:
Acceso múltiple con asignación fija PAMA (Pre-Assigned Multiple Access), en la cual los canales necesarios para la comunicación entre dos estaciones están asignados en forma permanente y exclusiva.
Acceso múltiple con asignación por demanda DAMA (Demand Asigned Multiple Access), en el cual la asignación de los canales se realiza en forma automática de acuerdo a la demanda, manteniéndose la conexión sólo mientras exista comunicación.
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Técnicas utilizadas en Acceso múltiple con asignación fija (PAMA): Acceso múltiple por división de código (CDMA): En esta técnica de acceso todas las estaciones terrenas pueden transmitir al mismo tiempo y utilizar todo el ancho de banda asignado al canal del sistema de comunicación. Las transmisiones de cada estación terrena se codifican con una palabra binaria única llamada código de chip, cada estación tiene un único código de chip Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA): En esta técnica de acceso, la transmisión del tráfico se realiza mediante el uso compartido por los usuarios de todo el ancho de banda del transpondedor, de manera secuencial en el tiempo. La técnica TDMA es ventajosa frente a FDMA Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA): Esta técnica asigna frecuencias distintas a cada estación terrena que requiera acceder a un transpondedor común. Su desventaja es el ruido de intermodulación generado en el paso simultáneo de muchas portadoras a través del transpondedor cuya característica no es perfectamente lineal, los satélites proporcionan enlaces punto-a-punto entre centrales telefónicas en las redes públicas de telefonía. Cabe destacar que en un sistema de comunicación digital por microondas, los canales de voz, vídeo o datos se combinan mediante multiplexión TDM para formar una señal de banda base (BB) la cual modula y se transmite a través de la atmósfera. En el receptor, ocurre el proceso inverso, ya que la transmisión de datos es por microondas se utiliza el espacio aéreo como medio físico de transmisión, ósea que la información se transmite de forma digital a través de las ondas de radio de muy corta longitud, y en cuánto a solo transmisión de voz los satélites proporcionan un enlace de punto a punto, entre centrales telefónicas, es el medio óptimo y el más explotado en la actualidad.