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MICROSTRIP LINES
ACOPLADOR HIBRIDO DE 180
ENDARA ESTEVEZ DIEGO JAVIER
24-02-2015 QUITO-ECUADOR
[email protected]
ABSTRACT: The design is presented
below is a hybrid coupler 180 , its
theoretical performance indicated,
practical fabrication of the coupler will be
made to further characterize it by
FieldFox computer for transmission
parameters and reflection, and simulated
by ADS software.
RESUMEN: El diseo que se presentara
a continuacin se trata de un acoplador
hibrido de 180, se indicara su
funcionamiento terico, practico se
realizara la fabricacin del acoplador
para posteriormente caracterizarlo
mediante el equipo Fieldfox para obtener
los parmetros de transmisin y
reflexin, y simulado mediante el
software ADS.
PALABRAS CLAVE: Conectores SMA,
Microstrip lines, FieldFox, FR4, ADS.
OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERAL
Disear un acoplador hibrido de
180 con la tecnologa de
microcintas para posteriormente
caracterizarlo en el Firefox y
comparar los datos obtenidos con
la simulacin en ADS.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Utilizar el equipo de FieldFox para obtener la frecuencia a la
cual trabaja el acoplador hibrido de 180.
Observar las grficas de transmisin y reflexin del acoplador en
el FieldFox.
Fabricar un acoplador hibrido de 180 con los diferentes pasos
que esto conlleva en el laboratorio de fabricacin.
2. MARCO TERICO
El acoplador hbrido de 180 es un
dispositivo 4 puertos sin prdidas con
funcin global de equilibrado y
transmisin simtrica. Este acoplador de
anillo puede ser usado para divisin
equilibrada de la potencia (acoplamiento
de 3 dB) y desplazamiento de fase de
180 adems de circuitos acumulativo y
diferencial. [1]
Fig. 1 Hbrido de 180 (los puntos
marcados con rojo representan los
puertos 1, 2, 3 y 4 en el sentido del
reloj) [1]
Las 4 lneas de alimentacin cortas tienen una impedancia
caracterstica ZL, el anillo en su totalidad tiene una impedancia
caracterstica Zl*2 o aproximadamente 70 . [1]
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La matriz de dispersin es:
(1)
La matriz indica claramente que dos
seales en fase provenientes de los
puertos 1 y 3 se superponen en forma
constructiva en el puerto 2. De manera
similar, una seal alimentada al puerto 2
se distribuye en fase entre los puertos 1
y 3 y su potencia sufre una reduccin de
3 dB. [1]
Fig.2 seales en fase provenientes de
los puertos 1 y 3 [1]
La potencia que se alimenta en el puerto
1 es distribuida entre los puertos 2 y 4,
las seales en estos puertos sufren un
desplazamiento de fase de 180. De
manera similar, las seales con
desplazamiento de fase de 180 pueden
ser combinadas en forma constructiva en
el puerto 1. Esto tambin se demuestra
en la animacin. [1]
Los resultados esperados se indican en
la figura 3.
Fig.3 grafica de parmetros de
reflexin y transmisin segn Lucas
Null (LN) [1]
Los hbridos 180 se emplean en
diversas aplicaciones en circuitos
integrados de microondas, por ejemplo
en circuitos donde resulta imprescindible
dividir la potencia de entrada entre varias
ramas, o bien combinar potencias
procedentes de distintos orgenes, ya
sea en fase o contra fase de forma
equilibrada entre sus ramas, es decir
para sumar y restar seales. El
acoplador hbrido 3 dB 180 en su
configuracin ms tpica se muestra en la
Fig. 1, la cual consiste en una red de
cuatro accesos compuesta por tres
lneas de longitud /4, y una de longitud
3/4, todas ellas de impedancia Z02.
Un hbrido 180 usado en funcin de divisor de potencia, tiene dos
posibles configuraciones, dependiendo de la entrada que se emplee.
Utilizando como referencia la numeracin de puertos de la Fig. 1: Si
tomamos como entrada el acceso 1, la seal se dividir por igual en
dos seales que saldrn por los accesos 3 y 4 desfasados 180 o en
oposicin de fase, mientras que el acceso 2 queda aislado:
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Entrando por el acceso 2 la seal se
dividir por igual en dos seales que
saldrn por los accesos 3 y 4 con
idntica fase, con el acceso 1 aislado:
Mientras que usado en funcin de
combinador de seales, si entramos por
los accesos 3 y 4, en el acceso 1
tendremos la resta de las seales y en el
acceso 2 la suma:
Existen varias tecnologas para la
fabricacin de hbridos 180. En el caso
de la tecnologa sobre substrato, se
puede emplear la tecnologa uniplanar,
donde las lneas de transmisin ms
comnmente utilizadas son las lneas en gua de onda coplanar
(Coplanar
Waveguide, CPW), lneas coplanares
(Coplanar Slotline, CPS) y Slotline, o en
tecnologa microstrip. Uno de los inconvenientes que presenta
la estructura tpica rat-race es su ancho
de banda de funcionamiento. Para
aplicaciones de banda ancha, como en
nuestro caso particular superiores al
30%, se deben emplear tcnicas para
mejorar su respuesta. La concatenacin
de dos anillos como en [3] nos permite
aumentar sensiblemente el ancho de
respuesta del circuito, y a la vez de
manera sencilla la obtencin de las
seales suma y diferencia para la
correlacin de las seales de entrada.
En este caso la tecnologa empleada es
una tcnica de fcil fabricacin y bajo
coste como la microstrip. Otras muchas
opciones se encuentran, pero el diseo y
fabricacin ms compleja. La principal
restriccin de estos circuitos en esta
tecnologa planar era su limitacin en
banda a frecuencias elevadas, debido a
la dependencia de los parmetros fsicos
del substrato con respecto a la
frecuencia, lo que hace que la
impedancia de las lneas no sea
constante con la misma. Puesto que su
ancho de banda se encontraba entre el
20-25%, se consideraban circuitos de
banda estrecha. Pero la principal ventaja
de emplear lneas microstrip es su fcil
diseo, puesto que la estructura puede
ser optimizada con un bajo coste
computacional. En este artculo se
presenta una estructura microstrip, con
un ancho de banda de1 GHz. [2] Advanced Design System (ADS)
Advanced Design System es un software de automatizacin lder en
el mundo del diseo electrnico de RF, microondas y aplicaciones
digitales de alta velocidad. En una interfaz potente y fcil de
usar, ADS pioneros de las tecnologas ms innovadoras y de xito
comercial, como X-parmetros * y simuladores 3D EM, utilizados por
empresas lderes en la comunicacin inalmbrica y redes y la industria
aeroespacial y de defensa. Por WiMAX, LTE, multi-gigabit por
segundo, enlaces de datos radar, y aplicaciones de los satlites,
ADS ofrece diseo completo, basado en estndares y verificacin con
Bibliotecas inalmbricos y circuito-sistema-EM co-simulacin en una
plataforma integrada[4]
CONECTORES SMA:
Los conectores SMA son una alternativa
relativamente econmica a los
conectores APC-3.5 (3,5 mm). Tienen
una impedancia caracterstica de 50 ,
llegando a una relacin de onda
estacionaria (VSWR) tan baja como 1:1.5
El conector SMA utiliza un dielctrico
de politetrafluoretileno (PTFE) que centra
la parte interior a lo largo del plano de
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acoplamiento. La variabilidad en este
acoplamiento y la propia construccin de
los conectores limita la repetibilidad de la
impedancia tpica. Por este motivo y el
hecho de que est garantizado para tan
solo un nmero limitado de ciclos de
conexin, un conector SMA no suele ser
una buena opcin para los aplicaciones
metrolgicas.
Aunque es habitual que lleven un
acabado en oro para evitar la oxidacin
tambin es conveniente la inspeccin y
limpieza.[5]
EQUIPO DE MEDICION
FIELDFOX
[2]FieldFox est equipado para manejar
el mantenimiento de rutina, la solucin de
problemas en profundidad y de cualquier
otra cosa. FieldFox proporciona
mediciones Keysight calidad - cualquier
lugar donde necesite ir. Aadir FieldFox
a su equipo, y llevar a la precisin con
usted.
Funcin de base La combinacin de
microondas del analizador es un
analizador de cable y antena. Se puede
configurar con los
siguientes opcionalescapacidades:
analizador de espectro, analizador de
redes, medidor de potencia, vector
voltmetro, analizador de interferencias,
fuente continua variable, construido en el
receptor GPS y el control remoto a travs
de un iPad o iPhone.
Los siguientes accesorios se incluyen
con cada FieldFox: Adaptador AC / DC,
batera, estuche blando, cable LAN, Gua
de referencia rpida y la Gua del
usuario.
Aplicaciones
Las comunicaciones por satlite,
red de retorno de microondas
Comunicaciones militares,
sistemas de radar
Prueba del dispositivo activa y
pasiva
Precisin
Obtener mediciones precisas que
estn de acuerdo con los
resultados de sobremesa
CalReady, QuickCal y
ECal proporcionan prdida de
retorno exacto, los parmetros S-
distancia a fallo y
InstAlign - Sin precedentes
precisin de amplitud absoluta en
toda la banda al completo, sin
necesidad de calentamiento
Fig. 4 FieldFox[2]
3. MATERIALES Y EQUIPO
1. Conectore SMA para chasis
Componentes utilizados para
conectar terminales de entrada y
salida estos pueden ser
generadores de ondas o
receptores.
Fig. 5 Conectore SMA para
chasis [3]
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2. Cloruro Frrico
Compuesto qumico que se utiliza
para cortar al cobre en forma
vertical.
Fig. 6 Cloruro frrico [3]
3. Soldadura en pasta
Pasta de estao que al momento
de aplicar calor une los
componentes a soldar.
Fig. 7 Soldadura de estao
en pasta. [3]
4. Cautn
Herramienta utilizada como
generador de calor para el estao
en pasta.
Fig. 8 cautn [3]
5. Masking
Adhesivo para cubrir las partes
que no se desea cortar con el
cloruro frrico.
Fig. 9 Masking [3]
6. FieldFox
Equipo utilizado para obtener el
rango de trabajo de frecuencia de la
microstrip line.
Fig. 10 FieldFox [2]
7. FR4
Baquelitas de doble lado de cobre.
Fig.11 FR4 [3]
8. Sierra
Cortadora para dar dimensiones al
FR4.
Fig. 12 Sierra [3]
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9. Impedancias de 50 ohm
Se colocan al momento de
caracterizar en los puertos que
quedan sin conexin.
Fig. 13 Impedancias de 50 ohm
3. DESARROLLO Y PROCEDIMIENTO
1.- Primero se procede al diseo del
acoplador hibrido de 180 mediante el
software ADS, acoplando este mismo a
una frecuencia de trabajo de 1 Ghz,
obteniendo las mediadas de largo y
ancho de cada segmento de dicho
acoplador esto se puede observar en la
figura 14 que es el diagrama
esquemtico diseado en ADS.
Fig. 14 Diagrama esquemtico del
acoplador hibrido de 180
2.- Se procede a obtener el layout del diagrama esquemtico, esta
misma entrega el diseo en pistas para el circuito impreso.
Fig. 15 Diseo del acoplador hibrido
de 180
3.- Para obtener una mejor apreciacin real del diseo realizado
se procede a tomar una vista en 3D como se puede apreciar en la
figura 16.
Fig. 16 Vista en 3D del acoplador
hibrido de 180
3.- Se procede a la simulacin en el ADS para la obtencin de los
parmetros de transmisin y reflexin como indica la figura 17.
Fig. 17 representaciones grfica en
forma log de los parmetros S33, S31, S32, S34
Fig. 18 representaciones grficas en forma de Smith de los
parmetros
S33, S31, S32, S34
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5.- Se procede a imprimir el diseo realizado con una impresora
lser y en papel fotogrfico para posteriormente su estampado en el
FR4.
Fig. 19 impresin para el estampado
en el FR4
6.- Se coloca los equipos de proteccin necesaria y se procede a
cortar el FR4 con la sierra.
Fig. 20 FR4 cortado.
7.- Se limpia el FR4 con alcohol y agua y lijamos un poco la
superficie para luego proceder a colocar el diseo de del aoplador
hibrido de 180 realizado en el ADS.
Fig. 21 diseo colocado en el FR4.
8.- Se debe aplicar calor y presin para que el estampado se
quede en el FR4 esto se obtuvo mediante una plancha.
Fig. 22 estampado del diseo en el
FR4.
9.- Mediante el cloruro frrico se corta la baquelita en forma
horizontal y se obtiene la figura deseada como se observa en la
figura 23.
Fig. 23 FR4 sometido al cloruro frrico
10.- A continuacin se procede a sacar el FR4 del cloruro ferico
y se retira el masking seguido esto se limpia con abundante agua
para retirar el cloruro frrico y se procede a secar con papel y
alcohol obteniendo as el diseo del acoplador hibrido en el FR4.
Fig. 24 diseo obtenido en el FR4
11.- Se aplica la soldadura entre el par de conectores SMA y los
extremos de nuestra placa, tomar en cuenta el pin que une la lnea
de cobre y el pin que se conecta a tierra dependiendo del tipo de
conector que se disponga como se muestra en la figura 25.
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Fig. 25 Acoplador hibrido de 180
soldada con estao en pasta.
12.- Siguiendo estos pasos luego se pasa a la caracterizacin del
acoplador mediante el equipo fieldfox. 13.- Se conecta los
adaptadores a los SMA de la placa y encendemos el equipo. 14.- Se
procede a calibrar el equipo para visualizar los coeficientes de
transmisin y recepcin en escala logartmica y diagrama de Smith.
Fig. 26 Mediciones en FieldFox
15.- se colocan las impedancias de 50 ohms en los puertos sin
conexin como se muestra en la figura 27.
Fig. 27 Conexin de las impedancias
de 50 ohms
16.- Se realiza las capturas correspondientes con una conexin
del
FieldFox y una Pc para verificar los resultados obtenidos. 4.
ANALISIS Y RESULTADOS
En la figura 28 se muestra el coeficiente
de transmisin S12 el cual indica la
marca 3 est ubicada 1.01 Ghz a 3 db lo
cual nos indica que a esa frecuencia est
transmitiendo sin ningn problema
concordando con los resultados
obtenidos en el ADS que se puede
observar en la figura17.
Fig. 28 diagrama logartmico de
transmisin S12.
La figura 29 muestra el coeficiente de
trasmisin S21 en formato de Smith se
puede observar que existe una eficiente
transmisin a la frecuencia desde 1.01
Ghz.
Fig. 29 diagrama de Smith transmisin
S21
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En la figura 30 se puede observar los
diagramas en formato logartmico de los
parmetros S11, S22, S12 y S21 esto se
obtiene conectando el puerto 1 con el
puerto 2 del acoplador hibrido
respectivamente.
Fig. 30 diagrama logartmico de los
parmetros S11, S22, S12 y S21
En la figura 31 se puede observar los
diagramas en formato Smith de los
parmetros S11, S22, S12 y S21.
Fig. 31 diagrama de Smith de los
parmetros S11, S22, S12 y S21 en
formato de Smith.
En la figura 32 se puede observar los
diagramas en formato logartmico de los
parmetros S11, S33, S13 y S31 esto se
obtiene conectando el puerto 1 con el
puerto 3 del acoplador hibrido
respectivamente.
Fig. 32 parmetros S11, S33, S13 y
S31
En la figura 33 se puede observar los
diagramas en formato Smith de los
parmetros S11, S33, S13 y S31.
Fig. 33 diagrama de Smith de los
parmetros S11, S33, S13 y S31 en
formato de Smith.
En la figura 34 se puede observar los
diagramas en formato logartmico de los
parmetros S11, S44, S14 y S41 esto se
obtiene conectando el puerto 1 con el
puerto 4 del acoplador hibrido
respectivamente.
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Fig. 34 parmetros S11, S44, S14 y
S41
En la figura 35 se puede observar los
diagramas en formato Smith de los
parmetros S11, S44, S14 y S41.
Fig. 35 diagrama de Smith de los
parmetros S11, S33, S13 y S31 en
formato de Smith.
En la figura 36 se puede observar los
diagramas en formato logartmico de los
parmetros S22, S33, S23 y S32 esto se
obtiene conectando el puerto 2 con el
puerto 3 del acoplador hibrido
respectivamente.
Fig. 36 parmetros S22, S33, S23 y
S32
En la figura 37 se puede observar los
diagramas en formato Smith de los
parmetros S22, S33, S23 y S32.
Fig. 37 diagrama de Smith de los
parmetros S22, S33, S23 y S32 en
formato de Smith.
En la figura 38 se puede observar los
diagramas en formato logartmico de los
parmetros S22, S44, S24 y S42 esto se
obtiene conectando el puerto 2 con el
puerto 4 del acoplador hibrido
respectivamente.
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Fig. 38 parmetros S22, S44, S24 y
S42
En la figura 39 se puede observar los
diagramas en formato Smith de los
parmetros S22, S44, S24 y S42.
Fig. 39 diagrama de Smith de los
parmetros S22, S44, S24 y S42 en
formato de Smith.
En la figura 40 se puede observar los
diagramas en formato logartmico de los
parmetros S33, S44, S34 y S43 esto se
obtiene conectando el puerto 3 con el
puerto 4 del acoplador hibrido
respectivamente.
Fig. 40 parmetros S33, S44, S34 y
S43
En la figura 41 se puede observar los
diagramas en formato Smith de los
parmetros S33, S44, S34 y S43.
Fig. 41 diagrama de Smith de los
parmetros S33, S44, S34 y S43 en
formato de Smith.
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Con las grficas obtenidas de la
caracterizacin en ADS podemos
obtener la matriz de Scattering
Matriz de Scattering obtenida del
software ADS a 1 Ghz
5. CONCLUSIONES
La figura 28 muestra el parmetro S12 que nos indica
transmisin
este mismo se encuentra ubicado
a una frecuencia de trabajo de
1.02 Ghz lo cual coincidira con el
diseo previo en el ADS.
Se tom como referencia -3 db para poder decir que el
acoplador
esta trabajado correctamente ya
que por ser este mismo un hibrido
no debe tener demasiadas
perdidas en su transmisin.
El espectro de frecuencia en el que el hibrido trabajara a
una
frecuencia poco eficiente seria
desde los 677.88 Mhz hasta los
1.33Ghz se dice poco eficiente ya
que en este rango se est
superando los -3db llegando a un
mximo de -10db.
Para las mediciones con el fiel fox se tom los puertos de dos
en
dos por las limitaciones del
hardware de medicin ya que el
mismo solo tiene para conectar
dos puertos.
Al momento que se tom en la caracterizacin los puertos 2 y 4
se pudo observar en los
parmetros de transmisin que el
acoplador se empez a comportar
como un filtro como se puede
observar claramente en la figura
38.
En la figura 32 se estara comportando como un filtro esto
se lo puede observar con los
parmetros de transmisin.
El diseo se bas en el acoplador hibrido de lucas null en el cual
se
observa que la frecuencia de
trabajo de dicho acoplador es de
1 Ghz, permitiendo observar con
el diseo realizado que se
aproxima mucho a esta
frecuencia de trabajo, las
limitaciones fueron los materiales
con los que se trabaj como el
FR4 y los conectores SMA que
impidieron que el circuito salga
idntico al de referencia esto se lo
puede comprobar observando las
figuras 3 y 17.
Para las figuras 31 a 41 los parmetros S se tomaron con el
nombre de cada puerto en las
imgenes se observa que estn
solo puestas el 1 y 2 eso se debe
al hardware empleado ya que
solo permite tomar dos puertos
para la respectiva caracterizacin.
6. RECOMENDACIONES
Al adquirir los conectores SMA se
debe tener presente que sean de
buena calidad.
En el proceso de fabricacin se
debe protegerse del cloruro
frrico ya que mancha y es txico.
Al desechar los residuos de
cloruro frrico se debe tener
presente que es un contaminante
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para el medio ambiente as que
hay que deshacerlo con
responsabilidad.
El diseo terico vara en cuanto
al practico por los diferentes
materiales empleados.
7. REFERENCIAS
[1]LUCAS NULLE, L@b soft, software
2008, tecnologa de alta frecuencia,
acoplador hibrido de 180.
[2]Keysight, FieldFox Handheld RF and
Microwave Analyzer, [online] IEEE trans.
Disponible
en:http://www.keysight.com/en/pc-
1297113/advanced-design-system-
ads?cc=US&lc=eng.
[3]Decsa, dispositivos electrnicos de
control [online] Disponible en :
http://www.decsamexico.com/
[4] Keysight , Advanced Design System
(ADS), [online] disponible en :
http://www.keysight.com/en/pc-
1297113/advanced-design-system-
ads?cc=US&lc=eng
[5] Seguridad Wireless Galera de
conectores, [online] disponible en :
http://www.seguridadwireless.net/hwa
gm/galeria-conectores.html
