INFORME DE PRÁCTICA N°1 LABORATORIO DE MICROONDAS – MEDICIONES DE

POTENCIA EN RFGutiérrez Edwina – Flórez Camilob – Rendón Juanc – Becerra Enriqued – Vergara Andrése

Resumen - El presente informe de laboratorio tiene como función dar a conocer los equipos de laboratorio que se utilizaran para las prácticas futuras de la materia microondas, donde inicialmente se observará la forma física, luego se realizará la instalación y se verificarán algunas funciones correspondientes para hacer mediciones.

En el proceso de instalación se tendrán en cuenta las recomendaciones que se requieren para evitar daños al equipo al momento de ser manipulado, luego se realiza el montaje de cada dispositivo, teniendo en cuenta el orden el que se deben acoplar para luego calibrar

Se finaliza con la realización mediciones, y para ello se hace uso del osciloscopio y del vatímetro que van unidos al conector en T de tipo UHF, y así obtener los datos requeridos para hacer análisis apoyados en las teorías científicas que fundamentan esta materia.

Abstract - This report laboratory has the function to inform the laboratory equipment to be used for future practices microwave matter where initially the physical form will be observed, then perform the installation and some corresponding functions are checked to make measurements.

In the installation process will take into account the recommendations required to prevent equipment damage when being manipulated, then the assembly of each device is performed, taking into account the order which must be coupled and then calibrate

It ends with the realization measurements, and for this use of the oscilloscope and the power meter that are attached to the T-connector UHF type, and obtain the required data for supported scientific theories underlying this analysis is subject.

INTRODUCCIÓN

El presente informe se refiere a las mediciones de potencia en RF, el cual se utilizarán medios confinados para transportar microondas, los cuales cuentan con condiciones especiales para el envío de este tipo de ondas.

Esta práctica se ejecuta con el fin de conocer las guías de ondas, los generadores de microondas y los dispositivos de medida para determinar el voltaje y la potencia generada en este medio confinado, además el conocimiento adquirido durante la ejecución de este laboratorio nos da la experiencia para afrontar las practicas futuras, donde se abordaran otros conceptos teóricos que se evidenciarán en forma experimental.

a edwingutis@gmail.comb jkflorez@gmail.comc juaneugeniorendonhenao@gmail.comd jbecerra@conconcreto.come andresvergaraudea@gmail.comEstudiantes de ingeniería de Telecomunicaciones UdeA – Profesor: Carlos Chavarría

El informe está estructurado partiendo de una fundamentación teórica que es la base para interpretar resultados, luego se hace un reconocimiento de los dispositivos empleados además de otros elementos que contempla el kit del laboratorio de microondas

Ya en el desarrollo del laboratorio, el método del puente balanceado manual, consta de un puente que es desbalanceado por la presencia de la RF sobre el bolómetro al igual que antes, pero ahora el operador debe bajar la corriente de bias del bolómetro para volver a balancear el puente, y de esta forma mide de forma indirecta la potencia de RF Ventajas: El termistor se mantenía en el mismo punto de su curva característica por lo tanto el coeficiente de reflexión se mantenía constante y se eliminó el empleo de tablas de conversión (método de sustitución). Se incrementó la exactitud de medición debido a que se medía potencia de BF (10KHz en algunos modelo) o DC. Por lo tanto se realiza una sustitución de Potencia de RF por Potencia de BF

o de continua según el caso Aumentó el rango dinámico a unos 20 dB. Puente Balanceado Manual [1]

La principal desventaja es que sigue requiriendo la intervención del usuario para realizar el balanceado y los cálculos

MARCO TEÓRICO

Onda plana [2,3] o también llamada onda mono dimensional, es una onda de frecuencia constante cuyos frentes de onda (superficies con fase constante) son planos paralelos de amplitud constante normales al vector velocidad de fase. Es decir, son aquellas ondas que se propagan en una sola dirección a lo largo del espacio; en otras palabras los frentes de onda son planos perpendiculares a la dirección de propagación. Si ésta es OY como muestra la figura 1

Figura 1. Onda Plana

Tabla 1. Bandas de frecuencias de microondas [4]

Banda Rango de frecuencia

Origen del nombre,

Banda I hasta 0,2 GHz

Banda G 0,2 a 0,25 GHz

Banda P 0,25 a 0,5 GHz

Previous, dado que los primeros radares del Reino Unido utilizaron esta banda, pero luego pasaron a frecuencias más altas

Banda L 0,5 a 1,5 GHz

Long wave (Onda larga)

Banda S 2 a 4 GHz Short wave (Onda corta)

Banda C 4 a 8 GHz Compromiso entre S y X

Banda X 8 a 12 GHz Usada en la II Guerra Mundial por los sistemas de control de fuego, X de cruz (como la cruz de la retícula de puntería)

Banda Ku 12 a 18 GHz Kurz-unten (bajo la corta)

Banda K 18 a 26 GHz Alemán Kurz (corta)

Banda Ka 26 a 40 GHz Kurz-above (sobre la corta)

Banda V 40 a 75 GHz Very high frequency (Muy alta frecuencia)

Banda W 75 a 111 GHz

W hiper frecuencia

MODOS DE PROPAGACIÓN [5]

Modos de Propagación en el vacío y en medios ilimitados.

Las soluciones de las ecuaciones de Maxwell son ondas electromagnéticas transversales, es decir, ambos campos E y H son perpendiculares a la dirección de propagación (y perpendiculares entre sí) Figura 2. Esta situación es una consecuencia matemática de las ecuaciones de la divergencia nula) (∇ • E = ∇ • H = 0 para campos que dependen de una única coordenada (ondas elementales).

En la propagación en recintos limitados no es posible describir los campos como funciones de una única coordenada por la existencia de condiciones de contorno que imponen las fronteras del recinto y entonces existen otras posibilidades, en las cuales uno (o los dos) campos tienen componentes en la dirección de propagación

Convencionalmente se llama modo TEM (Transversal Electro Magnético) a la situación donde los campos son ambos transversales a la dirección de propagación, modo TE (Transversal Eléctrico) cuando sólo el campo eléctrico es transversal y modo TM (Transversal Magnético) cuando sólo el campo magnético es transversal. Se puede demostrar que cualquier tipo de propagación se puede resolver como la superposición de un modo TE y un modo TM.

Figura 2. Dirección de propagación de los campos

GUIA DE ONDA [6]

Una guía de onda puede ser definida como una estructura destinada a la propagación dirigida y acotada de radiación electromagnética. El medio dieléctrico en el que esta propagación se produce está limitado, ya sea por un material conductor (para microondas y radiofrecuencia), ya sea por otro dieléctrico (para frecuencias ópticas). Desde el punto de vista geométrico las formas más comunes, aunque no únicas, de guías de onda tienen secciones rectangulares o cilíndricas, además deben ser tratadas a partir de los modos de vibración y propagación electromagnéticos que son capaces de soportar y, en general, no es posible establecer de forma inmediata un modelo de circuito equivalente. Tal como se hace con otros medios de propagación.

VATIMETRO

El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de bobinas fijas, llamadas «bobinas de corriente» o amperométrica, y una bobina móvil llamada «bobina de potencial» o voltimétrica.

Las bobinas fijas se conectan en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en paralelo. Además, en los vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se mueve sobre una escala para indicar la potencia medida. Una corriente que circule por las bobinas fijas genera un campo electromagnético cuya potencia es proporcional a la corriente y está en fase con ella. La bobina móvil tiene, por regla general, una resistencia grande conectada en serie para reducir la corriente que circula por ella.

El resultado de esta disposición es que en un circuito de corriente continua, la deflexión de la aguja es proporcional tanto a la corriente como al voltaje, conforme a la ecuación W=VA o P=EI. En un circuito de corriente alterna la deflexión es

proporcional al producto instantáneo medio del voltaje y la corriente, midiendo pues la potencia real y posiblemente (dependiendo de las características de cargo) mostrando una lectura

diferente a la obtenida multiplicando simplemente las lecturas arrojadas por un voltímetro y un amperímetro independientes en el mismo circuito.

PUENTE DE WHEANSTONE

Este montaje (Figura 3) se utiliza muy a menudo para efectuar medidas rápidas y precisas de resistencias. [7,8]

Figura 3. Puente de Wheatstone

DECIBEL Db

El decibel es una unidad de medida relativa. Si se tiene dos valores de potencia diferentes: P1 y P2, y se desea saber cuál es el cambio de

una con respecto a la otra, se utiliza la siguiente fórmula dB = 10 Log P2 / P1 (si lo que se comparan son potencias) o dB = 20 Log V2 / V1 (si lo que se comparan son voltajes)

DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS

Figura 4. Modulo Alimentador Para Oscilador Gunn (MAOG)

OSCILADOR GUNN (GN)

El diodo Gunn es un tipo de diodo usado en la electrónica de alta frecuencia, presenta la característica de oscilar cuando se alcanza una determinada intensidad del campo eléctrico. Esta región de alta intensidad de campo se mueve en el camino cátodo-ánodo, donde desaparece generándose inmediatamente otra similar en el cátodo y así sucesivamente.

Figura 5. Oscilador Gunn

VATIMETRO

El vatímetro es un instrumento capaz de medir la potencia promedio consumida en un circuito Según la definición de potencia, un vatímetro debe ser un instrumento que realice el producto de dos señales eléctricas, ya que P= V*I.El vatímetro tiene su bobina fija dispuesta de forma que toda la corriente del circuito la atraviese, mientras que la bobina móvil se conecta en serie

con una resistencia grande y sólo deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente.

Figura 6. Vatímetro

SOPORTE TERMISTOR

Para lograr medidas de potencia, en sistemas de microondas, una de las formas es mediante un termistor, ya que para altas potencias se complica realizar la medida de potencia de modo indirecto, tomando valores de corrientes y de voltajes, por esta razón una manera de medir potencia es disipar la potencia que se va a medir en forma de calor es una carga adecuada, y observar ya sea directamente o mediante un método comparativo, la variación de la temperatura. En este punto es donde el termistor como resistor térmico juega un papel muy importante en la medición de potencia, pues cuando se coloca un termistor en el paso de una señal de microondas, absorbe energía de la señal y aumenta su temperatura interior y este aumento de temperatura hace disminuir su resistencia, el soporte de termistor puede manejar una potencia máxima de 50mW.

SOPORTE GUIA DE ONDA

Figura 7. Soporte Guía de Onda

ATENUADOR VARIABLE (Figura 8)

los atenuadores variable son elementos pasivos que se usan para controlar las potencias de transmisión estos dispositivos son de gran uso en la microondas ya que conforman una parte de la familia de los elementos secundarios de las mismas , tienen muchos usos debido a que están construidos por diodos PIN, estos diodos tienen propiedades características que permiten una gran aplicación de corriente así como también una alta impedancia dependiendo de la construcción que los fabricantes le den, pueden trabajar de una y muchas maneras más y debido a que los diodos se utilizan para frecuencias elevadas que exceden los 1ghz , al disipar la potencia estos diodos hacen que la temperatura en su unión aumente.

Figura 8. Atenuador Variable

OSCILOSCOPIO

Figura 9. Osciloscopio

Instrumento de visualización electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectro.

CONECTOR EN T (UHF)

Figura 10. Conector en T (UHF)

RESULTADOS HALLADOS EN LA PRÁCTICA.

Medición del puente Wheatstone [9] equilibrado:

Voltaje de la señal de audio: 1.84 Vpp

Potencia de audio que recibe el termistor del vatímetro con R = 100 ohm

Po= (3.39/8R) = 0.0042 Mw

Figura 11. Curva de Voltaje Pico a Pico con puente equilibrado.

Medición del puente de Wheatstone desequilibrado:

Voltaje de la señal de audio: 980 mVpp = 0.98 Vpp

Potencia de audio que recibe el termistor del vatímetro con R = 100 ohm

Pf= (0.96/8R) = 0.0012 mW

Diferencia de potencia de audio absorbida por el termistor:

Es decir la potencia inicial menos la final: Po – Pf = Pd

Pd = 0.003 mW

Conversión de unidades de potencia:

P (dBm) = Lectura + GAMA = -2 + 5 = 3 dBm

P= 2 mW (Lectura) = -2 dBm

GAMA= 5 dBm

De lo anterior confirmamos que la potencia obtenida es de 3 dBm, como se había anotado.

DESCRIPCIÓN DEL PUENTE DE WHEATSTONE.

Es un montaje eléctrico con 4 resistencias (arreglo) (Figura 12) equilibradas en estado estable. Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Las resistencias forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. El puente de Wheatstone utiliza el denominado métodos de cero, o también, puentes de medida, que son los de máxima precisión y, por lo tanto, los más empleados en laboratorios de medida y cuando se requiere una elevada exactitud. En estos procedimientos, se determina el valor de la magnitud buscada mediante la comparación de la misma con los valores de patrones regulables de resistencias, reactancias, etc.

Figura 12. Esquema de puente Wheatstone

EQUILIBRIO DEL PUENTE DEL VATÍMETRO CUANDO NO HAY POTENCIA DE MICROONDAS AL TERMISTOR.

Para equilibrar el puente del vatímetro, se deben ajustar parámetros del circuito. Ello se logra variando las resistencias del circuito para que la diferencia de potencial entre los bornes sea nula.

Ahora, cuando la energía de microondas es absorbida por un material, es convertida en calor, produciendo un aumento de temperatura. Si el material tiene alguna propiedad física que cambie con la temperatura, esta variación se puede usar para la medición de potencia. Si se aplica un incremento gradual de corriente a un termistor, éste se calentará gradualmente, y tenderá a reducir su resistencia. Al aplicar una señal entre los puntos al puente, la potencia de la señal de audio calienta al termistor haciendo que su resistencia disminuya. Esta señal se ajusta hasta que la resistencia del termistor se hace igual a R. Cuando esto sucede, no circulará corriente a través del medidor conectado y entonces el puente de Wheatstone estará en equilibrio.

REDUCCIÓN DE LA POTENCIA DE AUDIO EN EL VATÍMETRO EN PROPORCIÓN A LA POTENCIA DE MICROONDAS.

Al continuar aumentando la tensión que se aplica al termistor, se tendrá un valor de intensidad en el que la potencia consumida provocará incrementos de temperatura de cierta magnitud, tal que la resistencia del termistor disminuya notablemente, aumentándose a su vez la intensidad hasta establecerse un equilibrio térmico.

CONCLUSIONES

● Las mediciones con los equipos resultan precisas experimentalmente en tanto se cumplan unas correctas condiciones de ensamble y ajuste de acuerdo a la guía de laboratorio.

● Dado que no puede medirse directamente la potencia de microondas, mediante los equipos y procedimiento vistos (puente de Wheatstone) se hace viable encontrar valores de medición.

● Fue posible entender y familiarizarnos con los equipos de laboratorio como vatímetro y modulo oscilador de Gunn entre otros más y lograr entender su posible uso para practicas futuras.

REFERENCIAS (Disponibles - Online)

[1] UPB Bucaramanga (2009) – Manual de guías de laboratorio del módulo de microondas - http://repository.upb.edu.co:8080/jspui/bitstream/123456789/1034/1/digital_18498.pdf

Monografías (2015) – Medición de Potencia en RF y Microondas - http://www.monografias.com/trabajos104/medicion-potencia-rf-y-microondas/medicion-potencia-rf-y-microondas.shtml

[2] Wikipedia (2015) – Onda plana - http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_plana

[3] Universidad de Córdoba España (2013) – Ondas Electromagnéticas, Conceptos básico - http://www.uco.es/organiza/departamentos/ing-electrica/documentos/ONDAS_EM_CONCEPTOS_BASICOS.pdf

[4] Wikipedia (2015) - Bandas de Frecuencia en Microondas - http://es.wikipedia.org/wiki/Microondas

[5] Universidad de Buenos Aires, Argentina (2004) - Modos de Propagación - http://materias.fi.uba.ar/6209/download/9-Ondas%20Guiadas.pdf

[6] Universidad Nacional de Guinea Ecuatorial (1998) - Guía de Onda - http://www.unge.gq/ftp/biblioteca%20digital/Campos%20electromagneticos/TL00806C.pdf

[7] Universidad Nacional de Tucumán, Argentina (2013) - Puente Wheatstone - http://www1.herrera.unt.edu.ar/mediciones/TPracticos/mediciones%201/TP2012/TP6.pdf

[8] Universidad de Simón Bolívar, Venezuela (2006) - Puente Wheatstone - http://prof.usb.ve/mirodriguez/InstCap5.pdf

[9] Slidechare.com (2011) - Puente Wheatstone - http://es.slideshare.net/scourge/puente-de-Wheatstone 1

ANEXOS

Equipos de medición y fuentes usados en la práctica

Ensamble de componentes para la medición con puente de Wheatstone: