FACULTAD DE INGENIERIA UNIDAD ACADEMICA SANTA CRUZ Facultad de Ciencias y Tecnología. Ingeniería de Telecomunicaciones SEXTO SEMESTRE SYLLABUS DE LA ASIGNATURA MICROONDAS Elaborado por: Ing. Edison Coimbra Gutierrez. Gestión Académica II/2007 U N I V E R S I D A D D E 1 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA UNIDAD ACADEMICA SANTA CRUZ VISION DE LA UNIVERSIDAD Ser la Universidad líder en calidad educativa. MISION DE LA UNIVERSIDAD Desarrollar la Educación Superior Universitaria con calidad y competitividad al servicio de la sociedad. Estimado (a) estudiante: El Syllabus que ponemos en tus manos es el fruto del trabajo intelectual de tus docentes, quienes han puesto sus mejores empeños en la planificación de los procesos de enseñanza para brindarte una educación de la más alta calidad. Este documento te servirá de guía para que organices mejor tus procesos de aprendizaje y los hagas mucho más productivos. Esperamos que sepas apreciarlo y cuidarlo. U N I V E R S I D A D D E 2 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA UNIDAD II: DISPOSITIVOS PASIVOS DE MICROONDAS. SYLLABUS Asignatura: Código: Requisito: Carga horaria: Horas teóricas: Horas prácticas: Créditos: Microondas. ITT – 417. ITT – 327. 80 horas. 60. 20. 8. TEMA 3. Líneas de transmisión de microcinta. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. Propagación de ondas en líneas de transmisión de microcinta. Impedancia de entrada de una línea. Circuitos sintonizados con microcinta. Transferencia de potencia en líneas de transmisión. Acoplamiento de impedancias. Carta de Smith. I. OBJETIVOS GENERALES DE LA ASIGNATURA. 3.5. 3.6. Reconocer los diferentes elementos que componen un sistema de comunicación por microondas. TEMA 4. Guías de ondas. Ponderar el uso de los sistemas de microondas y evaluar las capacidades y ventajas de los diferentes tipos. 4.2. 4.3. 4.4. Hacer cálculos de diseño para enlaces de microondas mediante el conocimiento de los perfiles y el comportamiento de las microondas. II. PROGRAMA ASIGNATURA. ANALÍTICO DE LA 4.1. Propagación de ondas en guías de onda. Accesorios y herrajes. Resonadores de cavidad. Circuladotes y aisladores. TEMA 5. Antenas de microondas. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. Antenas de bocina. Antenas parabólicas. Antenas de parche. Antenas de ranuras. UNIDAD III: APLICACIONES DE LAS MICROONDAS. UNIDAD I: DISPOSITIVOS ACTIVOS DE MICROONDAS. TEMA 6. El radar. TEMA 1. Dispositivos de estado sólido para microondas. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. Efectos de las frecuencias altas. Transistores para microondas. Dispositivos de Gunn. Diodos IMPATT. Diodos PIN. Diodos varactores. Técnicas de construcción de circuitos para microondas. 6. 1 6. 2 6. 3 Ecuación del radar. Radar de impulsos. Radar Doppler. TEMA 7. Sistemas de comunicación terrestre por microondas. 7. 1 7. 2 7. 3 Cálculo de trayectorias. Enlaces fijos por microondas. Sistemas locales de distribución por microondas. Tecnología WiMAX. TEMA 2. Tubos de microondas. 7. 4 2.1. 2.2. 2.3. III. BRIGADAS UDABOL. Magnetrón. Klistrón. Tubo de onda viajera. U N I V E R S Las Brigadas están destinadas a incidir de manera significativa en la formación I D A D D E 3 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA profesional integral de nuestros estudiantes y revelan las enormes potencialidades que presenta esta modalidad de la educación superior no solamente para que conozcan a fondo la realidad del país y se formen de manera integral, sino, además, para que incorporen a su preparación académica los problemas de la vida real a los que resulta imperativo encontrar soluciones desde el campo profesional en el que cada uno se desempeñará. El trabajo de las Brigadas permite que nuestros estudiantes se conviertan a mediano plazo en verdaderos investigadores, capaces de elaborar y acometer proyectos de desarrollo comunitario a la vez que se acostumbren a trabajar en equipos interdisciplinarios o multidisciplinarios como corresponde al desarrollo alcanzado por la ciencia y la tecnología en los tiempos actuales. La ejecución de diferentes programas de interacción social y la elaboración e implementación de proyectos de desarrollo comunitario derivados de dichos programas confiere a los estudiantes, quienes son, sin - . U N I V E R S I D A D D E 4 dudas, los más beneficiados iniciativa, la posibilidad de: con esta - Desarrollar sus prácticas preprofesionales en condiciones reales y tutorados por sus docentes con procesos académicos de enseñanza y aprendizaje de verdadera “aula abierta”- - Trabajar en equipos, habituándose a ser parte integral de un todo que funciona como unidad, desarrollando un lenguaje común, criterios y opiniones comunes y planteándose metas y objetivos comunes para dar soluciones en común a los problemas. - Realizar investigaciones multidisciplinarias en un momento histórico en que la ciencia atraviesa una etapa de diferenciación y en que los avances tecnológicos conllevan la aparición de nuevas y más delimitadas especialidades. - Desarrollar una mentalidad, crítica y solidaria, con plena conciencia de nuestra realidad nacional. A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA Nombre del proyecto: Radiación electromagnética. Trabajos a realizar por los estudiantes. 1.Hacer un resumen de normativas, estándares y recomendaciones, nacionales e internacionales, que se refieren a la exposición electromagnética en la región de radiofrecuencias. 2.- Visitar empresas de telefonía celular para verificar el cumplimiento de normativas que se refieren a la exposición electromagnética en la región de radiofrecuencias. Con base a esta información, Elaborar recomendaciones dirigidas a los usuarios de telefonía celular. Localidad, aula o laboratorio- Incidencia social Aula. Fecha Semana 3 Empresas de telecomunicaciones. Prevención sanitaria. Semana 3 Aunque no se ha constatado que la radiación electromagnética produce efectos perjudiciales para la salud, para proteger a las personas, se han fijado una serie de niveles de exposición frente a las radiaciones electromagnéticas, en especial las de frecuencias de microondas. Por debajo de estos niveles se garantiza la ausencia de efectos nocivos para la salud. Las actividades a realizarse con relación a este tema son las siguientes: sistemas de telefonía celular. Con base a esta información, se deben elaborar recomendaciones dirigidas a los usuarios del servicio de telefonía celular. 1.- Hacer un resumen de normativas, estándares y recomendaciones, nacionales e internacionales, que se refieren a la exposición electromagnética en la región de radiofrecuencias. Los límites suelen ser muy similares y se basan en las recomendaciones de la Organización Mundial de la Salud (OMS), dependiente de la ONU, y la Asociación internacional para la protección de radiaciones (IRPA). Las primeras serán de aula, que consisten en clases teóricas, exposiciones, ejercicios sobre casos y trabajos grupales (Work Paper’s y DIF’s). IV. EVALUACIÓN DE LA ASIGNATURA. PROCESUAL O FORMATIVA. Durante el semestre se realizarán dos tipos de actividades: Las segundas serán fuera de aula, que consisten en la realización de proyectos de dispositivos que serán probados en laboratorio, y las Brigadas que consistirán en la investigación sobre la existencia y cumplimiento de normativas para la protección humana frente a la radiación electromagnética de los sistemas de telefonía celular. 2.- Visitar a las empresas de telefonía celular ENTEL Móvil, Telecel y Nuevatel, para verificar el cumplimiento de normativas relacionadas con el establecimiento de los límites de exposición que garanticen la protección sanitaria del público en general ante la radiación electromagnética de los U N I V E R S I D A D D E 5 Cada una se tomará como evaluación procesual calificándola entre 0 y 50 puntos A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA independientemente de la cantidad actividades realizadas por cada alumno. de Editorial Mc Graw Hill. 2000. (SOLICITADA) DE RESULTADOS DE LOS PROCESOS DE APRENDIZAJE O SUMATIVA (examen parcial o final). COMPLEMENTARIA Comunicaciones. Editorial Thomson. Se realizarán dos evaluaciones parciales con contenidos teóricos y prácticos. El examen final será escrito e integral de toda la materia. Los exámenes parciales y el examen final tendrán una calificación que oscila entre 0 y 50. México 2004. I. CONTROL DE EVALUACIONES. 1° evaluación parcial Fecha Nota V. BIBLIOGRAFÍA. 2° evaluación parcial Fecha Nota BÁSICA FRENZEL. Sistemas Electrónicos de Comunicaciones. Editorial Alfaomega. Examen final Fecha Nota España. 2003. (621.382 F88) BLAKE Roy. Sistemas Electrónicos de KRAUSS–FLEISCHBRAULT –PIAT. Electromagnetismo - con aplicaciones. U N I V E R S I D A D D E 6 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA APUNTES VII. PLAN CALENDARIO SEMANA ACTIVIDADES OBSERVAC. 1 TEMA 1. Dispositivos de estado sólido para microondas. 1.1 ---- 1.2. 2 TEMA 1. Dispositivos de estado sólido para microondas. 1.3 ---- 1.4. 3 TEMA 1. Dispositivos de estado sólido para microondas. 1.5 ---- 1.7. 4 TEMA 2. Tubos de microondas. 2.1. 5 TEMA 2. Tubos de microondas. 2.2. 6 TEMA 2. Tubos de microondas. 2.3. 7 8 9 TEMA 3. Líneas de transmisión de microcinta. 3.1 --- 3.2. EVAL PARC I TEMA 3. Líneas de transmisión de microcinta. 3.3 --- 3.4. EVAL PARC I TEMA 3. Líneas de transmisión de microcinta. 3.5 --- 3.6. 10 TEMA 4. Guías de ondas. 4.1 ---- 4.2. 11 TEMA 4. Guías de ondas. 4.3 ---- 4.4. 12 TEMA 5. Antenas de microondas. 5.1 ---- 5.2. 13 14 U N Presentación de notas TEMA 5. Antenas de microondas. 5.3 ---- 5.4. TEMA 6. El radar. 6.1. EVAL PARC II I V E R S I D A D D E 7 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA 15 TEMA 6. El radar. 6.2. Presentación de notas EVAL PARC II 16 TEMA 6. El radar. 6.3. 17 TEMA 7. Sistemas de comunicación terrestre por microondas. 7.1 ---- 7.2. 18 TEMA 7. Sistemas de comunicación terrestre por microondas. 7.3 ---- 7.4. 19 EVALUACION FINAL 20 SEGUNDA INSTANCIA Presentación de notas PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD U N I V E R S I D A D D E 8 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA WORK PAPER # 1 UNIDAD O TEMA: TECNOLOGIA DE RADIOFRECUENCIAS Y MICROONDAS. TITULO: Efectos de las frecuencias altas. FECHA DE ENTREGA: Semana 2. PERIODO DE EVALUACIÓN: Primera etapa. Efectos de las frecuencias altas No existe una clara distinción entre microondas y otras señales de frecuencia de radio. De común acuerdo, el límite inferior para las frecuencias de microondas se fija en 1 GHz. Se examina aparte a las microondas debido a que muchas técnicas ordinarias para amplificar y transmitir señales se vuelven menos efectivas cuando aumenta la frecuencia, en tanto que otras técnicas imprácticas a frecuencias menores se vuelven más útiles. A medida que se incrementa la frecuencia, muchas de las suposiciones simplificadoras que funcionan a frecuencias más bajas se vuelven menos precisas. A bajas frecuencias, se ignora la inductancia y la capacitancia de las terminales del componente. A frecuencias de microondas, incluso las terminales de conexión cortas tienen reactancia capacitiva e inductiva importantes, así que el diseño físico de los componentes debe cambiar. Se rediseñaron algunos componentes ordinarios para reducir el tiempo de tránsito y algunos dispositivos activos a fin de incorporar los efectos de tiempo de tránsito en su operación. Debido a las cortas longitudes de onda de las señales de microondas, las antenas de tamaño físico razonable pueden tener ganancia muy alta y los reflectores parabólicos se vuelven prácticos. A frecuencias de microondas, las pérdidas en las líneas de transmisión ordinarias son bastante grandes, y las guías de ondas, que son imprácticas a frecuencias más bajas, toman su lugar. CUESTIONARIO DEL WORK PAPER # 1 1. Describa las distintas bandas de frecuencias de radio del espectro electromagnético. 2. ¿Cuál es la diferencia en el comportamiento en frecuencias altas y bajas de los siguientes componentes electrónicos discretos? A frecuencias en el intervalo de UHF y superiores, los conductores de incluso unos cuantos centímetros de largo, no pueden ser ignorados o tomar solo en cuenta su capacitancia e inductancia concentradas, Es necesario analizarlos como líneas de transmisión, en las cuales se incluyen las constantes distribuidas. A frecuencias cercanas a la banda de UHF, comúnmente se ignora el tiempo que tardan los portadores de carga para moverse por dispositivos como diodos, transistores y tubos al vacío. Cuando el periodo de las señales se vuelve más corto, este tiempo de tránsito se vuelve una fracción importante de un ciclo completo. U N I V E R S I D A D D E 9 a) b) c) d) Resistor Capacitor Inductor Transistor Dibuje el circuito equivalente en altas frecuencias de cada uno de ellos. 3. Explique ¿qué puede hacerse para disminuir el efecto de las frecuencias altas en dichos componentes? 4. Explique ¿qué autoresonancia? A Q U I N O B O se L I V I A entiende por FACULTAD DE INGENIERIA 5. ¿Por qué son más simples de analizar las líneas de transmisión a bajas frecuencias que a frecuencias superiores? 6. Dibuje el circuito equivalente para una sección corta de línea de transmisión y explique el significado físico de cada elemento del circuito. 7. ¿Qué es el efecto superficial y qué lo causa? Los trabajos deben ser entregados y expuestos en la fecha que se indica. La presentación se hará en Power Point. Bases para calificar el trabajo 30 puntos: contenido mínimo. Si el contenido responde a lo pedido en cada uno de los puntos. 8. ¿Qué dispositivos se utilizan en altas frecuencias para reemplazar a los capacitores e inductores concentrados utilizados en bajas frecuencias? 30 puntos: procesamiento de la información. Si la información obtenida de la literatura especializada ha sido procesada, analizada y sintetizada para una mejor comprensión. 9. ¿Por qué las líneas de transmisión de dos conductores son reemplazadas por guías de onda hueca en el intervalo de frecuencias de microondas? 20 puntos: presentación en documento. Se calificará el orden, coherencia y síntesis del documento escrito. Se valorarán los análisis y comentarios sobre el tema. 10. ¿Compare física y eléctricamente las antenas utilizadas en los intervalos de frecuencias intermedias y en frecuencias de microondas. 20 puntos: exposición del trabajo. Se calificará la creatividad en la presentación, calidad de la información y la claridad de la exposición. Se valorarán los análisis y comentarios individuales. Presentación U N I V E R S I D A D D E 10 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 2 UNIDAD O TEMA: DISPOSITIVOS ACTIVOS DE MICROONDAS. TITULO: Dispositivos de estado sólido. FECHA DE ENTREGA: Semana 3. PERIODO DE EVALUACIÓN: Primera etapa. Cuando se inventaron los transistores, estaban restringidos a aplicaciones de baja frecuencia. La utilidad se amplio poco a poco por el espectro de la radiofrecuencia y, en la actualidad, hay transistores que se utilizan en el intervalo de las microondas. Al mismo tiempo, se diseñaron otros dispositivos de estado sólido para aprovechar algunos de los factores que reducen la eficiencia de los transistores cuando aumenta la frecuencia. es del mismo orden que el periodo de señal, se tendrán desplazamientos de fase que afectan seriamente el desempeño. En general, los electrones libres se mueven con más rapidez que los huecos, esto explica la preponderancia de los transistores bipolares NPN y los transistores de efecto de campo de canal N en las aplicaciones de alta frecuencia. El arseniuro de galio es más rápido que el silicio y se prefiere en las aplicaciones de microondas. Transistores para microondas Dispositivos de Gunn Los transistores de silicio comunes adolecen de dos problemas importantes cuando aumenta la frecuencia. Primero, los componentes del transistor, entre otros las puntas y los elementos de silicio, muestran capacitancia e inductancia parásitas. A medida que aumenta la frecuencia, las reactancias inductivas crecen y las reactancias capacitivas disminuyen. Finalmente, hay tanta retroalimentación del colector a la base que se inutiliza el transistor. Una solución al problema del tiempo de tránsito aparece en muchísimos dispositivos de microondas y se describe de forma aproximada como "si no puedes vencerlo, únetele." Es decir, en vez de intentar mantener el tiempo de tránsito lo más pequeño posible para reducir sus efectos indeseados, el diseñador incluye un desplazamiento de fase debido al tiempo de tránsito como una de las características del dispositivo. El dispositivo de Gunn es uno de los dispositivos de tiempo de tránsito más simples. Es imposible eliminar la capacitancia e inductancia parásitas, pero existen técnicas para reducirlas. Otros dispositivos Un problema fundamental con cualquier transistor (y con muchos otros tipos de dispositivos) es el tiempo de tránsito. A fin de que funcione un transistor, diodo u otro dispositivo similar, los portadores de carga deben moverse de una región a otra. Esto toma una pequeña cantidad de tiempo finita, lo que depende del tipo de portador, la movilidad de los portadores en el material y la distancia por recorrer. Si el tiempo de tránsito U N I V E R S I D A D D E 11 Los diodos IMPATT, PIN, varactor son ejemplo de otros dispositivos de estado sólido utilizados en aplicaciones de microondas. CUESTIONARIO DEL WORK PAPER # 4. 1. ¿Cuáles son las técnicas utilizadas para eliminar las reactancias parásitas de los transistores comunes de silicio para que A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA puedan ser utilizados en aplicaciones de microondas? multiplicar esta frecuencia a una frecuencia nominal de 6 GHz. ¿Por cuánto podría variar la frecuencia? 2. Los transistores de microondas siempre son NPN si son bipolares y de canal N si son FET. ¿Por qué? 3. Explique qué se entiende por resistencia negativa y de dos ejemplos de dispositivos de microondas de estado sólido que tengan esta característica. 4. ¿Por qué el espesor físico de un dispositivo de Gunn frecuencia resonante? determina su 5. Un dispositivo de Gunn tiene un espesor de 7 m. ¿A que frecuencia oscilará en el modo de tiempo de tránsito? 6. Explique el efecto de avalancha que se produce en los diodos IMPATT. 7. Mencione dos aplicaciones para los diodos PIN y dos para los diodos varactores. 8. ¿En que difieren los circuitos integrados de microondas de los que se utilizan a frecuencias menores? 9. ¿Cuál seria el espesor aproximado de dispositivo de Gunn destinado a operar en el modo de Gunn a una frecuencia de 20 GHz? 10. Un oscilador de cristal opera a una frecuencia de 10 MHz con una estabilidad de ± 0.002%. Se utiliza una serie de multiplicadores de varactor para PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 3 U N I V E R S I D A D D E 12 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA UNIDAD O TEMA: LÍNEAS DE TRANSMISIÓN. TITULO: Acoplamiento de impedancias utilizando carta de Smith. FECHA DE ENTREGA: Semana 7. PERIODO DE EVALUACIÓN: Primera etapa. 1. Acoplamiento de impedancia Los desacoplamientos de impedancias tienen un efecto dañino en las líneas de transmisión: producen potencia que se refleja hacia la fuente y voltajes y corrientes mayores de lo normal que someten a esfuerzo a la línea y al equipo conectado. En general, se obtienen mejores resultados cuando la carga se acopla con la impedancia característica de la línea. Cuando este no es el caso, suele ser útil conectar algún tipo de red de adaptación para corregir el desacoplamiento. En microondas, las redes de adaptación o acoplamiento se construyen por medio de secciones de microlíneas o componentes de guía de ondas. 2. Carta de Smith En enero de 1939, Philip H. Smith publicó la carta de Smith, una gráfica sofisticada que permite soluciones visuales de los cálculos de líneas de transmisión. A partir de entonces, se la ha utilizado para indicar impedancias y admitancias complejas y la forma en la que varían a lo largo de una línea, por lo tanto es posible usar la gráfica como ayuda para la adaptación o acoplamiento de impedancias. Puesto que el centro de la gráfica representa siempre la impedancia característica del sistema, acoplar una línea requiere mover su impedancia de entrada al centro de la gráfica, mientras más cerca esté del centro, mejor es el acoplamiento. La Figura 1 es una impresión de computador de un programa llamado WinSmith, uno de los muchos que llevan a cabo los cálculos de la carta de Smith. Figura 1. Carta de Smith (WinSmith). 3. Acoplamiento mediante una línea de transmisión de /4 Una línea de transmisión de /4 también puede utilizarse como transformador. Un cuarto de longitud de onda (0.25 ) a lo largo de una línea representa media rotación alrededor de la carta, así que un /4 de la línea de la impedancia correcta puede transformar una impedancia real en otra (vea la Figura 2. La impedancia característica Zo' de la línea para el transformador se determina a partir de la siguiente ecuación: Figura 2. Transformador de /4. CUESTIONARIO DEL WORK PAPER # 2. 1. ¿Qué se entiende por impedancia característica de una línea de transmisión? U N I V E R S I D A D D E 13 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA largo de una línea en cortocircuito sin pérdida. 2. Defina el factor de velocidad para una línea de transmisión y explique por qué nunca puede ser mayor que uno. 8. Trace un diagrama que muestre cómo se utiliza un transformador de /4 para adaptación de impedancia. ¿Está acoplado por si mismo el transformador? 3. Compare las técnicas de construcción de línea de cinta y microcinta y dibuje un esquema de cada tipo. 4. Indique la fórmula matemática para calcular la impedancia característica de una línea de cinta y de una microlínea. 9. ¿Por qué es circular la carta de Smith? 10. Encuentre la ubicación correcta y la impedancia característica de un transformador de /4 requerido para acoplar una línea de 50 con una impedancia de carga de 75 + j25 . 5. Explique qué se entiende por la SWR en una línea. ¿Cuál es su valor cuando una línea esta perfectamente acoplada o adaptada? 6. ¿Por qué normalmente no es deseable un valor alto de SWR? 7. Trace un diagrama que muestre cómo varía la impedancia con la distancia a lo U N I V E R S I D A D D E 14 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 4 UNIDAD O TEMA: GUÍAS DE ONDAS. TITULO: Modos y frecuencias de corte. FECHA DE ENTREGA: Semana 11. PERIODO DE EVALUACIÓN: Segunda etapa. 1.- Guías de ondas Las pérdidas del dieléctrico y del conductor en las líneas de transmisión ordinarias se incrementan con la frecuencia. Las guías de ondas proveen una alternativa para las frecuencias de microondas. Una guía de ondas es en esencia un conducto por el que viaja una onda electromagnética. Conforme viaja a lo largo de la guía, se refleja desde las paredes. En la Figura 1 se muestra la idea general de las guías de ondas rectangulares de latón o aluminio, en ocasiones recubiertas en el interior con plata. Se utilizan también secciones transversales elípticas y circulares. frontera. Por ejemplo, no puede haber ningún campo eléctrico a lo largo de la pared de la guía de ondas. Si existiera este tipo de campo, tendría que haber un gradiente de voltaje a lo largo de la pared, y eso es imposible debido a que no puede haber ningún voltaje en un cortocircuito. Podría ayudar a entender los modos si se piensa en una onda que se mueve por la guía como si fuera un rayo de luz (vea la Figura 2). Para cada modo diferente, el rayo choca con las paredes de la guía a un ángulo distinto. Cuando el ángulo que un rayo forma con la pared de la guía se hace más grande, la distancia que debe viajar el rayo para llegar al extremo opuesto de la guía se hace más grande. Figura 1. Guía de onda rectangular. Es posible construir una guía de ondas para cualquier frecuencia, pero estos dispositivos operan como filtros pasa altas, es decir, para una determinada sección transversal de la guía de ondas, hay una frecuencia de corte por debajo de la cual no se propagan las ondas. A frecuencias abajo del intervalo de los GHz, las guías de onda son demasiado grandes para ser prácticas para la mayoría de las aplicaciones. 2.- Modos y frecuencia de corte Hay varias formas (llamadas modos) en las que la energía eléctrica se propaga a lo largo de una guía de ondas. Todos estos modos deben satisfacer ciertas condiciones de U N I V E R S I D A D D E 15 Figura 2. Propagación multimodo CUESTIONARIO DEL WORK PAPER # 3. 1. De las frecuencias límites aproximadas para la parte de microondas del espectro. 2. ¿Cuáles son las principales aplicaciones prácticas de las guías de ondas? 3. Explique qué entiende por modo dominante en una guía de ondas y por qué el modo que normalmente se utiliza es éste. A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA 4. Nombre el modo dominante para una guía de onda rectangular y explique lo que se entiende por los números en la designación. 5. Explique la diferencia entre velocidad de fase y velocidad de grupo en una guía de ondas. ¿Cuál de estas es mayor que la velocidad de la luz? Explique cómo es esto posible. 6. Enuncie una diferencia entre el uso de impedancia característica en una línea coaxial y una guía de ondas. 7. ¿Por qué las guías de onda rectangulares se utilizan sólo en un margen 2:1? 8. Calcule la frecuencia de corte para el modo TE10 en una guía de ondas con aire como dieléctrico y una sección transversal interior de 2 cm por 4 cm. ¿Sobre qué intervalo de frecuencia el modo dominante es el único que se propaga? 9. La guía de ondas RG-52/U es rectangular con una sección transversal interna de 22.86 por 10.16 mm. Calcule la frecuencia de corte del modo dominante y el margen de frecuencias para el cual es posible la propagación de modo simple. 10. Para una señal de 10 GHz en una guía de ondas RG-52/U, calcule: (a) la velocidad de fase (b) la velocidad de grupo (c) la longitud de onda de la guía y (d) la impedancia característica. U N I V E R S I D A D D E 16 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD WORK PAPER # 5 UNIDAD O TEMA: APLICACIONES DE LAS MICROONDAS. TITULO: El radar. FECHA DE ENTREGA: Semana 16. PERIODO DE EVALUACIÓN: Tercera etapa. El radar Trigonometría del radar El radar (radio detection and ranking) requiere, en esencia, que un transmisor emita una señal por medio de una antena direccional hacia algún objeto llamado objetivo. La señal se refleja del objetivo de regreso a la fuente, donde es recibida e interceptada. La información acerca del objetivo se obtiene analizando la reflexión o eco. Como el radar usa frecuencias de microondas, esto resulta en comunicaciones de línea de vista. En otras palabras, el radar no logra detectar objetos más allá del horizonte. Los objetos no tienen que ser visibles en forma física, pero deben estar dentro de la línea de vista de la distancia de radio para que suceda la detección. En los primeros radares se utilizaban señales en las regiones de HF y VHF del espectro, pero en la actualidad son más comunes las microondas. Es posible enfocarlas en haces más estrechos y detectar objetivos más pequeños, ya que el objetivo debe ser relativamente grande comparado con la longitud de onda para proporcionar una buena reflexión. La relación entre alcance, acimut y elevación suele expresarse mediante un triángulo recto, corno muestra la Figura 1. Suponga que el radar se ubica en tierra y que sirve para detectar aeronaves. La distancia entre la unidad de radar y la aeronave remota es la hipotenusa del triángulo rectángulo. La altura se define por el ángulo de elevación. El equipo de radar se divide en dos categorías principales. El radar de pulsos transmite una ráfaga corta de microondas llamada pulso, que se refleja del objetivo y se recibe un instante después. El tiempo entre los pulsos recibido y transmitido da información acerca de la distancia. El radar de onda continua CW transmite sin interrupción y compara la frecuencia del eco recibido con la de la señal transmitida. El movimiento relativo entre el radar y el objetivo causa un cambio de frecuencia (el efecto Doppler), del cual se obtiene información de velocidad. También hay radares que combinan ambas técnicas. U N I V E R S I D A D D E 17 Figura 1. Trigonometría de radar. A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA CUESTIONARIO DEL WORK PAPER # 5. 6. Un pulso enviado por un radar hacia un objetivo regresa después de 15 s. ¿Qué tan lejos está el objetivo? 1. ¿Por qué la señal de potencia que recibe un receptor de radar disminuye con la cuarta potencia de la distancia al objetivo? 7. Un radar emite pulsos con una duración de 1 s a una tasa de repetición de 1 KHz. Calcule el alcance máximo y mínimo para este radar. 2. Un transmisor de radar tiene una potencia de 10 kW y opera a una frecuencia de 9.5 GHz. Su señal se refleja de un objetivo a 15 km con una sección transversal de radar de 10.2 m2. La ganancia de la antena es 20 dBi. Calcule la potencia de la señal recibida. 8. Calcule el desplazamiento Doppler causado por un vehiculo que se mueve hacia un radar a 100 km/h, si el radar opera a 10 GHz. 3. Explique cómo surgen ambigüedades al medir la distancia con una instalación de radar de pulsos. 4. Suponiendo que un radar Doppler se calibró correctamente para objetivos que se mueven directo hacia la antena, ¿sus lecturas serán altas o bajas para objetivos que se mueven hacia ésta a cierto ángulo? Explique su respuesta. 9. Mencione tres usos militares y cuatro civiles del radar 10. Explique cuáles son las formas básicas para escapar a la detección del radar, es decir para construir, por ejemplo, un avión sigiloso o “fantasma”. 5. ¿Cómo se mide la velocidad con un radar de pulsos? U N I V E R S I D A D D E 18 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD DIF`S # 1 UNIDAD O TEMA: DISPOSITIVOS ACTIVOS Y PASIVOS DE MICROONDAS. TITULO: Dispositivos de microondas. FECHA DE ENTREGA: Semana 4. PERIODO DE EVALUACIÓN: Primera etapa. Como cualquier otro sistema de comunicaciones, aquellos por microondas usan transmisores, receptores y antenas. En el intervalo de frecuencias de microondas, se usan las mismas técnicas de multiplexación y modulación utilizadas en frecuencias bajas. No obstante, la parte de RF del equipo es físicamente diferente debido a los circuitos y componentes especiales que se emplean para hacer los circuitos. Consultando la bibliografía de la materia y la literatura especializada en Internet, describa: 1.- Las partes de un transmisor y de un receptor de microondas que requieren componentes especiales de microondas. 2.- Los tipos de líneas de transmisión que se utilizan para producir circuitos y componentes de microondas. ¿Cuáles son los circuitos comunes? 3.- Los conductos diseñados para transportar las ondas electromagnéticas de una señal de microondas. 5.- Las antenas más comunes en microondas. CONCLUSIONES (deberán sintetizar la opinión del grupo): COMENTARIOS (deberán sintetizar la opinión del grupo): GRUPO (máximo cinco integrantes): AP. PATERNO AP. MATERNO U N I V E R S I D A D NOMBRES D E 19 A Q U I N O FIRMA B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD DIF`S # 2 UNIDAD O TEMA: TUBOS DE MICROONDAS. TITULO: Magnetrones. FECHA DE ENTREGA: Semana 6. PERIODO DE EVALUACIÓN: Primera etapa. Es muy probable que en su cocina haya un magnetrón, puesto que todo horno de microondas contiene uno. Consultando la bibliografía de la materia y la literatura especializada en Internet, profundice sus conocimientos sobre el tema y describa el principio de funcionamiento del horno de microondas y las precauciones de seguridad que deben tomarse para que no sea usted el cocinado. Explique técnicamente sus respuestas. CONCLUSIONES (deberán sintetizar la opinión del grupo): COMENTARIOS (deberán sintetizar la opinión del grupo): GRUPO (máximo cinco integrantes): AP. PATERNO AP. MATERNO U N I V E R S I D A D NOMBRES D E 20 A Q U I N O FIRMA B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD DIF`S # 3 UNIDAD O TEMA: APLICACIONES DE LAS MICROONDAS. TITULO: Tecnologia WiMAX. FECHA DE ENTREGA: Semana 18. PERIODO DE EVALUACIÓN: Tercera etapa. siguiente generación de la expansión de Internet, conectando a los siguientes 1.000 WiMAX (Interoperabilidad Mundial para Acceso millones de usuarios. Consultando la literatura por Microondas), es un sistema inalámbrico, en especializada en Internet (en especial la banda de 2 a 11 GHz, que permite el acceso www.wimaxforum.org), profundice sus a Internet sin necesidad de cables desde una conocimientos sobre el tema y describa el distancia de unos 50 Kilómetros. Esta funcionamiento y las características del tecnologia que ha “aparecido” en el año 2006, sistema, además del impacto que pronto podrá proporcionar la plataforma para la tendrá sobre las clásicas redes de voz. CONCLUSIONES (deberán sintetizar la opinión del grupo): COMENTARIOS (deberán sintetizar la opinión del grupo): GRUPO (máximo cinco integrantes): AP. PATERNO AP. MATERNO U N I V E R S I D A D NOMBRES D E 21 A Q U I N O FIRMA B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA Práctica de Laboratorio: Nº 1 Título: Antena Guía de Onda Lugar de Ejecución: Laboratorio de Computación. Nombre y Apellidos: _____________________________________ _____________________________________ __________________________________ Este tipo de antena es el más fácil de hacer y de más bajo costo. Consiste en una lata de metal de cualquier tipo y de tamaño apropiado. Dentro de la lata, se forma una onda estacionaria que tiene un nulo en el fondo del tubo. El elemento activo, la sonda que inyecta la señal, debe posicionarse en un máximo de la onda estacionaria, el cual ocurre a g/4, donde g/4 es la longitud de onda de la onda estacionaria dentro de la guía (vea la Figura 2). 1. Objetivo: Construir una antena guía de onda para WiFi, que permita al estudiante familiarizarse con los componentes necesarios usuales en la construcción de antenas de microondas, como son los conectores, las herramientas y algunos conceptos técnicos. 2. Pregunta central ¿Cuál es el principio de funcionamiento de una antena guía de onda y cómo se fabrica? Figura 2. Onda estacionaria en la lata. La longitud de onda de corte depende del diámetro de la lata: c = 1,706 D. La longitud de onda en el vacío es = c/f, donde c = 300.000 km/s y f es la frecuencia de operación. Organizando estas expresiones, se obtiene: (1/)2 = (1/c)2 + (1/g)2 3. Consideraciones teóricas Antena guía de onda Una Antena de guía de onda es una antena direccional modificada. Es simplemente un tubo rectangular o cilíndrico en la sección representativa, que lleva una señal de microondas. Si un extremo del tubo se deja abierto, apuntando hacia el Access Point u otra antena, la señal saldrá en esa dirección y entonces se tendrá una antena guía de onda (vea la Figura 1). De donde, para la frecuencia nominal f = 2,4 GHz, g/4 = 31 mm. La antena así obtenida, puede equiparse con un embudo para incrementar la sensibilidad de la misma al recolectar la señal de microondas de un área mayor. Este añadido multiplica la ganancia de la antena por dos, es decir 3 dB. Vea la Figura 3. Figura 3. Antena guía de onda mejorada. Figura 1. Antena guía de onda. U N I V E R S I D A D D E 22 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA La antena guía de onda, también se utiliza con frecuencia como alimentador de una antena parabólica. La combinación de un reflector parabólico con una antena guía de onda (vea la Figura 4), puede resultar en un aumento de hasta 22 dB en la ganancia de la antena. 1.- Cálculo de la ganancia de la antena: utilizando la fórmula de Friiss en el espacio libre, y con los datos obtenidos en el anterior punto, calcule la ganancia aproximada de ambas antenas, y realice una comparación cuantitativa. 5. Conclusiones obtenidos sobre los resultados Organice los resultados obtenidos durante la práctica para expresarlos mediante cuadros. Figura 4. Antena guía de onda con reflector. 4. Ejecución de la práctica I. Actividad preliminar 1.- Construya la antena guía de onda mostrada en la Figura 1. Considere las dimensiones mostradas en la Figura 2. 2.- Construya la versión mejorada de la antena, según se muestra en la Figura 3. Esta actividad corresponde a la segunda fase del proyecto. 3.- Construya u obtenga un reflector parabólico para usarlo con la antena guía de onda para aumentar su ganancia. Esta actividad corresponde a la tercera fase del proyecto. II. Mediciones en Laboratorio. 1.- Prueba de funcionamiento: primero, establezca contacto con un Access Point, distante unos 100 m, en lo posible, con la antena que trae su wireless. Después cambie la antena por la guía de onda y vea la señal que obtiene. 2.- Prueba de alcance máximo: realice pruebas similares cada cierta distancia, alejándose del Access Point. Determine la máxima distancia alcanzada con la antena de su wireless y la alcanzada con la antena guía de onda. U N I V E R S I D A D D E 23 A Q U I N O B O L I V I A FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD VISITA TÉNICA # 1 UNIDAD O TEMA: RADIACION ELECTROMAGNETICA DE LOS SISTEMAS DE TELEFONIA CELULAR LUGAR: ENTEL Móvil, Telecel y Nuevatel. FECHA PREVISTA: Semana 3. RECURSOS NECESARIOS: OBJETIVOS DE LA ACTIVIDAD: verificar el cumplimiento de normativas relacionadas con el establecimiento de los límites de exposición que garanticen la protección sanitaria del público en general ante la radiación electromagnética de los sistemas de telefonía celular. FORMAS DE EVALUACIÓN: esta actividad es parte de las Brigadas, por lo que su evaluación está considerada junto con la de ella. U N I V E R S I D A D D E 24 A Q U I N O B O L I V I A
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