ACPLADOR DE IMPEDANCIAS

ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS

FUNDAMENTO TEORICO Los acopladores de impedancia son elementos indispensables para conseguir la mximatransferencia de potencia entre circuitos, ya sean amplificadores, osciladores, mezcladores, etc. Un caso de aplicacin importante es en el acoplamiento de lneas de transmisin y antenas.

La idea bsica del acoplador se ilustra en la figura 1, en que ungenerador, de impedancia suministra potencia a una carga de impedancia para que la transferencia de potencia entre generador y carga sea mxima, es necesario que sus impedancias sean complejas conjugadas, es decir:

es el complejo conjugado de , es decir La funcin del acoplador es, por consecuencia, hacer que el generador vea en susterminales una impedancia compleja igual al conjugado de su impedancia interna, esdecir, y del lado de la carga, la impedancia de salida del acoplador debe ser igual al complejo conjugado de la impedancia de carga, En estas condiciones, se dice que las impedancias estn acopladas, o adaptadas, en base a las impedancias imagen. Esto significa que tanto el generador como la carga, ven en sus terminales las imgenes (el conjugado) de sus respectivas impedancias. Esto puede realizarse con circuitos formados por reactancias puras y, en el caso ms simple, mediante un transformador.

En la prctica, la mayora de las antenas requieren de acopladores de impedancia entre la lnea de transmisin y los elementos radiadores. La implementacin de estos acopladores puede hacerse diversas formas, dependiendo de la frecuencia y potencia de funcionamiento. En el anlisis de los acopladores de impedancia se suele emplear laconvencin de que, si el circuito retarda o retrasa una seal por , se dice que el desfasamiento es negativo (capacitivo) y, si la adelanta, el desfasamiento es positivo(inductivo).

Las configuraciones ms utilizadas son por lo general tres: L, T y .Los acopladores que se muestran son asimtricos o no balanceados, tal como se requiere en el caso de lneas coaxiales. En el caso de acopladores simtricos o balanceados, lareactancia de la rama en serie debe dividirse por dos. Las frmulas de diseo que se danen las secciones siguientes son vlidas cuando las impedancias del generador y la cargason resistencias puras.

TRANSFORMADORES DE IMPEDANCIAS CON CABLES COAXIALESSon tiles para adaptar impedancias de antenas cuando por diseo no presentan 50, tambin sirven para enfasar varias antenas, incluso alguno de ellos sirve como balun.Yo no he inventado nada de esto, solo trato de agrupar juntos los que conozco por si alguien necesita esta informacin. Lo primero que hay que comentar es la frmula por la que se rige la transformacin de impedancias mediante un cuarto de onda con una determinada impedancia;

, es la impedancia original que queremos transformar., es la impedancia que deseamos obtener a la salida., va a ser la impedancia que necesita ese cuarto de onda para poder hacer la transformacin de en .

Vamos a hacer un ejemplo de cmo calcular las impedancias de los coaxiales:1. Una antena de 112 necesitamos transformar a 50 para poder conectar un cable coaxial normal, de 50 . Esos 74.83 son los ohmnios que necesitamos en el cuarto de onda para transformar 112 en 50 . Como nos damos cuenta, esos 74.83 es el famoso cuarto de onda de cable de 75 , como el que se suele usar para las antenas cbicas de dos elementos, por solo citar un ejemplo.

Por lo tanto, usando cuartos de onda con coaxiales de diferentes impedancias, podemos transformas las impedancias fcilmente, pero...hay una limitacin, solo disponemos de un par de diferentes impedancias en los coaxiales habituales, 50 y 75.Existen coaxiales de otras impedancias pero no se venden en muchos sitios y menos en pequeas cantidades.Si nos limitamos a 50 y 75, podemos obtener las siguientes combinaciones usando un solo coaxial o varios en paralelo:

CABLE COAXIALCONFIGURACINIMPEDANCIA 1/4IMPEDANCIA ENTRADA

75 Ohm175 OHm112 OHm

75 Ohm2 en paralelo37.5 OHm28 OHm

75 Ohm3 en paralelo25 OHm12 OHm

50 Ohm2 en paralelo25 OHm12 OHm

50 Ohm3 en paralelo16.7 OHm5 OHm

Como se puede apreciar, combinando de diferentes formas cuartos de onda con cables coaxiales de 50 y 75 se pueden transformar a 50 impedancias como 112, 28, 12 y 5.

CARTAS DE SMITHLa carta de Smith es un tipo de nomograma, usado en ingeniera elctrica e ingeniera de telecomunicaciones, que muestra cmo vara la impedancia compleja de una lnea de transmisin a lo largo de su longitud. Se usa frecuentemente para simplificar la adaptacin de la impedancia de una lnea de transmisin con su carga.Esta carta es una representacin grfica directa, en el plano complejo, del coeficiente de reflexin complejo. Es una superficie de Riemann, en que el coeficiente de reflexin es cclico, repitindose cada media longitud de onda a lo largo de la lnea. El nmero de medias longitudes de onda se puede representar por un valor de reactancia. Puede ser utilizado como calculadora de la impedancia o de la admitancia, simplemente dndo la vuelta 180 grados (simetra con el origen).

El interior del crculo unidad representa el caso de reflexin de un circuito pasivo (en el origen no hay reflexin y en el borde, =1, la reflexin es completa), por lo que es la regin de inters ms habitual. El movimiento a lo largo de la lnea de transmisin sin prdidas da lugar a un cambio del ngulo, y no del mdulo o del radio de gamma. As, los diagramas se pueden hacer fcil y rpidamente.Muchas de las caractersticas ms avanzadas de los circuitos de microondas se pueden representar sobre la carta de Smith como crculos, por ejemplo, las regiones de la figura de ruido y de estabilidad de los amplificadores. El "punto en el infinito" representa el lmite del aumento muy grande de la reflexin y, por lo tanto, nunca necesita ser considerado para los circuitos prcticos. Una proyeccin simple del lugar geomtrico de la impedancia (o admitancia) en el diagrama sobre el eje real da una lectura directa del coeficiente de onda estacionaria (ROE o VSWR) a travs de la escala inferior correspondiente.

CONCLUSIONComo conclusin, se puede decir que la carta de Smith es una relacin grfica entre la impedancia de entrada normalizada y el coeficiente de reflexin del voltaje en el mismo punto de la lnea, y que utilizando la carta se evitan los laboriosos clculos con nmeros complejos para conocer la impedancia de entrada a la lnea o el coeficiente de reflexin, por lo que son de mucha utilidad en el acoplamiento de las lneas de transmisin y en el clculo del inverso de un nmero complejo.Hoy en da, cuando los mtodos numricos de clculo son de uso comn, la carta de Smith ha pasado de ser un mtodo de clculo a representar grfica e intuitivamente la curva de impedancia de los dispositivos en funcin de la frecuencia. De un vistazo se puede apreciar la cercana al origen de dicha curva. Tanto los programas de simulacin como los instrumentos de medida pueden presentar los resultados en la carta de Smith.

PROYECTO TRANSFORMADOR DE IMPEDANCIAS

INTRODUCCIONNuestro grupo ha desarrollado el acoplador de impedancias mediante cables coaxiales de un doceavo de onda ya que disminuye la longitud de los cables y cubre el rango de recepcin del analizador de espectro. Como mencionamos en el fundamento terico usaremos cables coaxiales de impedancias de 75 y 50 Ohmios.Mediante el software RFSIM99 hemos esquematizado el circuito y probado el funcionamiento de tal conexin como acoplador mediante las cartas de Smith.En el procedimiento se incluir la implementacin del circuito y la prueba mediante software del acoplador, como tambin el montaje.

MATERIALES

Cable coaxial 75

Cable coaxial 50

Conector N macho:

Antena:

Placa de metal dielctrico:

CALCULO DEL TRANSFORMADOR CON PROGRAMA DE REDES ELECTRICAS RFSIM99

Se conecta en serie con la una carga de 75 ohmios (que simula el dipolo) dos tramos de lneas de transmisin:

1. La primera es una seccin de lnea de transmisin de 50 ohm y una longitud de lambda/12

2. La segunda es una seccin de lnea de transmisin de 75 ohm e igualmente de lambda/12

Se escoge la frecuencia de 98 MHz porque es la media de los extremos de la banda objetivo: 88 y 108 MHz.

RESULTADOS

Tres cartas de smith (identicas) mostrando las minimas variaciones de impedancia entorno a :

En la primera

En la segunda:

En la tercera

Para

Donde:

PARA EL EXTREMO DE LA BANDA

Para la mayora de situaciones, sobre todo, aquellos referidos a transmisin de potencia se considera apropiado o suficiente VSWR= 1.2 (20dB perdida de retorno), es decir que se refleja 1 de 100 watts transmitidos.