Anillo Resonador

8/13/2019 Anillo Resonador

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LABORATORIO DE MICROONDAS Y FIBRA OPTICAANILLO RESONADOR

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DISEO DE UN RESONADOR ANILLO PARAESTIMAR LA PERMITIVIDAD RELATIVA DEL

DIELECTRICO

I. ObjetivosEl principal objetivo de este laboratorio es poder estimar la constante dielctrica de una

placa doble cara con un sencillo modelamiento experimental a travs de lascaractersticas de resonancia de los anillos circulares en tecnologa Microstrip ademstambin servir para afirmar los conceptos del software ANSOFT Designer para diseode circuitos en microondas

II. Marco Terico1. Estructuras ResonantesUn sistema es resonante cuando presenta un comportamiento selectivo para algunasfrecuencias. En electrnica los sistemas resonantes ms utilizados son los circuitos LC,en los cuales la impedancia equivalente del circuito se vuelve cero o infinita para algunafrecuencia en particular.

En realidad todo sistema presenta perdidas de energa lo que provoca un comportamientoun tanto distinto del esperado idealmente. Para medir la calidad de un resonador se utilizael factor de calidad Q, definido como la razn entre la energa promedio almacenada porel resonador y la energa disipada por unidad de tiempo; cuando el resonador se encuentratrabajando en su frecuencia natural.

BW

Wo

WoRCR

WoL

Ploss

WmWcQ

12

Claramente este tipo de estructuras tienen mucha utilidad en electrnica, ya que puedenser utilizados para construir filtros y osciladores.Una muestra de los circuitos resonadores son los cristales dielctricos, los anillos deMicrostrip, o la utilizacin de lneas abiertas.

)2()( RXX VV


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2

Esta condicin impone que:nR 2

Y por lo tanto la frecuencia central de este resonador viene dada por:

reff

oR

ncf

2

Las ondas que no cumplan con esta condicin sern atenuadas. El caso crtico correspondea aquellas seales par a las cuales:

Rn )12(

Pues la seal se sumara en fase de 180, producindose entonces una atenuacin total. Engeneral, las estructuras presentan resonancia para una frecuencia fo y para todos los mltiplosde esa frecuencia. Esto genera problemas con el manejo de las armnicas por parte de losfiltros.

2. Tipos de modos de propagacin en una lnea MicrostripPara lograr que se propague una onda plana TEM, se debe tomar en cuenta que:

La Impedancia de Onda, la velocidad de propagacin, son independientes de lafrecuencia, por lo tanto no hay dispersin durante la propagacin.

En una lnea MICROSTRIP el modo de propagacin fundamental es una onda Hibrida concomponentes del campo elctrico del campo magntico en la direccin de propagacin loscuales se denominan:

Onda o Modo Hen, donde n es el nmero de veces que la densidad de corriente en ladireccin y, cambia de sentido.

El modo fundamental es la onda HE0, o modo Pseudo-TEM el cual tiende aconvertirse en una Onda Plana TEM para las bajas frecuencias, donde el Grosor deldielctrico h se hace muy pequeo respecto a la longitud de Onda.


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3. Distribucin del campo del modo fundamentalEl sistema MICROSTRIP est formado por:

Un conductor de ida Un conductor de vuelta

La frecuencia de corte est dada por:

fg0=0

Se puede tomar para la frecuencia de corte del primer modo superior: HE1 la aproximacinde la Gua de Onda Rectangular TE1,0 como:

El sistema MICROSTRIP la onda hbrida se propaga:

Una parte por el aire Otra parte por el sustrato

A diferentes Velocidades de propagacin.

Cs dentro del sustrato. Ca en el aire

La densidad de corriente (componente Jz) se distribuye de la siguiente manera:

La cara superior de la pista para x=h+t. En la cara inferior de la pista para x=h En la pista de masa para x=0. En la direccin y no presenta cambio de sentido, por lo tanto se trata del MODO

HE0


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Distribucin de las lneas de campo de una MICROSTRIP con blindaje metlico en uncorte transversal con z=contante.

Forma tridimensional el Campo Magntico


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Forma tridimensional el Campo Elctrico y Magntico

4. Distribucin del campo de los modos superiores

En la altas frecuencias, se agregan MODOS HBRIDOS, los cuales presentan unaCONSTANTE DE FASE altamente dependiente de la frecuencia.

La regin rayada se representa, la cantidad de la RADIACIN, que incrementa laATENUACIN DE POTENCIA en la lnea MICROSTRIP ABIERTA.

El Modo Superior TM0 como el MODO FUNDAMENTAL HE0 del MICROSTRIPno presenta una FRECUENCIA DE CORTE, lo que genera radiacin e incrementa laAtenuacin.


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Densidad de corriente normada longitudinal y transversal del Modo FundamentalHE0 y de los Modos Superiores HE1 y HE2 de una lnea MICROSTRIP para lefrecuencia f=12GHz (fg1=5,27GHz)

La densidad de corriente longitudinal del Modo Fundamental sobre la pista, esaproximadamenteconstante a todo lo ancho de la pista.

Slo hacia los cantos se incrementa debido al EFECTO PIEL que produce una altaconcentracin del campo en esta regin slo fluyen mnimas corrientes transversales,lo que comprueba su comportamiento de Pseudo Modo TEM.

Los Modos Super iores muestran ceros y cambio de sentido de las densidades decorrientes longitudinales.

En estructuras abiertas y sustratos de gran espesor, deben tomarse en cuenta ModosSuperiores, los cuales se generan por defectos y discontinuidades.


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Distribucin de campo del Modo SuperiorTM0.

La frecuencia de corte del Modo Superior mas cercano la: TE0 se obtiene de larelacin

Para los Modos Superiores ms altos TMn o bien TE0 es vlida la relacin generalcon n=0,1,2

III.Procedimiento1. Simulacin

Para la simulacin de los anillos resonantes, tomamos como medida general 1.35mm delgrosor del sustrato, la frecuencia que se uso fue 1.6GHz, una constante Dielectric LossTangent igual a 0.008, un grosor del Cu de 50 um para ambas caras y un Angulo de 90.

Los pasos a seguir son los siguientes:

En la ventana edicin ubicar 2 puerto s de interfaz, luego se da doble clic y se losconvierte en Microwave port, despus se editan las impedancias a 50 ohms. Ubique 2lineas de transmisin donde se conectaran los conectores SMA, de preferencia use unalongitud de lambda, despus ubique 2 MSTEEC eb Conponents, Microstrip, General

Components, MSTEEC, tambin ubique 2 MSSTEP ubicados en Components,Microstrip, general Components, MSSTEP, y finalmente ubique 4 MSBENDRenComponents, Microstrip, Bends, MSBENDR, calcule con la ayuda de Line Calc, lasdiferentes dimensiones de cada lnea, esta se encuentra en Circuits, TRL, Microstrip.Una vez encontrados todos los valores para una impedancia igual a Zo = 50 ohms

Se hicieron pruebas para las constantes de permitividad de:

Er = 3.6 Er = 3.8 Er = 4.0 Er = 4.2

Er = 4.4 Er = 4.6


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Laboratorio jueves 14:30 a 16:00

Configuramos las medidas del sustrato con el que se trabajara

Ahora pasamos el calcular las dimensiones de los elementos. Dando doble clicken la lnea de transmisin emerger una ventana de properties de ah vamos ala opcin TRL donde podremos disear la lnea de transmisin de acuerdo a

nuestras necesidades.


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En esta caso trabajaremos a una frecuencia de 1.3Ghz, un lamda de 180=E unimpedancia de Zo=50 luego le damos a la opcin de Synthesis, y obtenemos unW = 2.70997mm y un P = 53.5587mm.

Ahora el valor de P = 53.5587mm lo utilizaremos para calcular el radio del anilloREntonces utilizamos la relacin, dada en la prctica de laboratorio nmero dos.

El radio R del anillo resonador se obtiene de la formula

2

PR

Donde 53.5587P Entonces:2

53.5587R

mmR 65.15 y ANG = 90Este ancho W se copia para los MSTEEC, MSSTEP y los MSBENDRDe donde finalmente obtendremos lo siguiente:


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Al simular se obtuvieron los siguientes resultados:

Para Er = 4.2

1.60 GHz -49.56 dB

IZ=0Ohm

PNUM=1

RZ=50Ohm Port1

IZ=0Ohm

PNUM=2

RZ=50Ohm Port2

1

23

W1=2.6

1316mm

W2=2.6

1316mm

W3=2.6

1316mm

1

2

3

W1=2.6

1316mm

W2=2.6

1316mm

W3=2.6

1316mm

1 2

W1=2.61316mm

W2=2.61316mm

1 2

W1=2.61316mm

W2=2.61316mm

1 2

W1=2.61316mm

W2=2.61316mm

12

W1=2.61316mm

W2=2.61316mm

ANG=90de

g

R=15.4

1mm

W=2.6

1316mm

ANG=90degR=15.41mm

W=2.61316mm

ANG

=90deg

R=15

.41mm

W=2.6

1316mmP=12mm

W=2.61316mm

P=12mm

W=2.61316mm

ANG=90degR=15.41mm

W=2.61316mm


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2. ImplementacinSimulamos los anillos, luego creamos un documento en pdf en donde estn losanillos para luego imprimir, seguidamente el anillo impreso lo quemamos en larespectiva placa, con las dimensiones requeridas.

Esto se har para cada anillo requerido en el presente laboratorio.Finalmente quedara:

Se muestra el anillo listo para ser planchado y quemado en la respectivaplaca:

Aqu se puede ver la placa despus de planchar el circuito impreso en laplaca:

Este paso de planchado se tuvo que realizar con mucho cuidado para obtener unanillo circular casi perfecto

Implementacin y montaje para la medicin de los respectivos anillos:Este paso se tuvo que realizar para cada anillo que se realizo, para esto lorealizamos con mucho cuidado, y as obtener una buena medida adems


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Para cada anillo tuvimos que realizar de dos a tres medidas


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IV.Resultados Er = 3.6 -------------------------------------------1.441GHz

La grafica nos muestra una frecuencia de resonancia que es mucho menor que

nuestra frecuencia que es 1.6GHz

Er=3.8---------------------------------------------1.452GHzLa frecuencia de resonancia ha aumentado y se aproxima a 1.6GHz


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Er = 4.0 -------------------------------------------1.568GHz

Er = 4.2 -------------------------------------------1.602GHz


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Er = 4.4 -------------------------------------------1.629GHz

Er = 4.6 -------------------------------------------1.649GHz


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V. Conclusiones Si no conocemos el valor de Er, se puede conocer dando un rango de valores,

en este caso se considero:3.6, 3.8, 4.0, 4.2, 4.4, 4.6 y usando un instrumentode medicin se podr establecer con seguridad el valor de Er del sustrato.

La simulacin por el mtodo electromagntico en ansoft es mas fiable y masexacto, a diferencia del mtodo circuital que se realiza por aproximaciones.

A la hora de la simulacin, obtuvimos que nuestro valor promedio deberaestar cercano a un valor de 1.6 GHz, pero a la hora de la experimentacin sevio que el valor debera de estar cercano a 1.6GHz, lo cual nos conlleva a dosrespuestas, dado la tabla hecha con los valores obtenidos en laexperimentacin.

1.602 GHz es el ms cercano a 1.6GHz el cual tiene una Er = 4.2

Por lo tanto como los valores obtenidos y los valores simulados se concluyeque la permitividad del dielctrico (Er) de nuestra placa es :

La permitividad del dielctrico es: Er = 4.2

OBSERVAVIONES

El radio del anillo resonador aumenta con la disminucin del Er.

Al disminuir el valor de Er aumentar el valor del radio ya que P dependedeR en forma directamente proporcional.

2

PR

Al aumentar Er disminuye el ancho W del conductor del anillo y viceversa.

Er Resultados3.6 1.441 GHz

3.8 1.452 GHz4.0 1.568 GHz4.2 1.602 GHz4.4 1.629 GHz

4.6 1.649 GHz

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