UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

MICROONDAS

Por: Alexander Sócola

Fecha: 11-12-2012

ACOPLADOR EN ANILLO

El acoplador de anillo o también llamado híbrido de 180° es una red de cuatro puertos con un desfase de 180° entre los dos puertos de salida. También puede ser operado de manera que las salidas estén en desfase [3].

Figura 1. Símbolo del acoplador híbrido de 180°

Como podemos observar en la Figura del símbolo del acoplador híbrido, si una señal es aplicada al puerto 1 se dividirá en forma equitativa en dos componentes en fase en los puertos 2 y 3, y el puerto 4 quedará aislado. Si la señal es aplicada al puerto 4, esta se dividirá en forma equitativa en dos componentes con un desfase de 180° en los puertos 2 y 3, y el puerto 1 quedará aislado [3].

Cuando se opera como sumador, las señales aplicadas en los puertos 2 y 3 serán sumadas en el puerto 1, y la respectiva diferencia quedará en el puerto 4. Por lo tanto, los puertos 1 y 4 se refieren como la suma y la

Acoplador híbrido de

180°

1

4

2

3

Σ

Δ

diferencia de los puertos respectivamente. Y la matriz de dispersión para un híbrido ideal 3dB con un desfase de 180° [3], por lo tanto tiene la siguiente forma:

[S ]=− j√20 1 101 0 0−11 0 01

El acoplador híbrido de 180° puede ser fabricado de distintas formas, una de ellas en el circuito híbrido en anillo o también denominado “rat race” [3], y lo podemos observar en la figura 2,

Figura 2. Circuito en microcinta de un acoplador híbrido en anillo [3]

Como se puede observar en la figura 2 se tiene que realizar dos cálculos para la línea de microcinta, uno que es para los puertos de entrada y salida que tienen una impedancia igual a Zo y otro que es para el anillo que tiene una impedancia igual a Zo√2, lo que nos dará dos anchos diferentes para cada microcinta.

DATOS PARA EL ACOPLADOR EN ANILLO

Frecuencia de operación : 6.8 GHz Impedancias de entrada y de salida Zo : 50Ω Constante dieléctrica (єr) : 3.2 (Poliester)

0 -1 1 0

Espesor del dieléctrico (H) : 1.524 mm Espesor del cobre (T) : 0.018mm Tangente de pérdidas (𝛿) : 0.0001

Una vez que tenemos todos los datos para el acoplador en anillo, procedemos a realizar los cálculos para la realización del mismo, que se lo va a diseñar en el software de simulación Microwave Office.

Procedemos a sacar lamda en el vacío a través de la ecuación (1), [1]:

λo=CF

(1)

λo= 3 x 108

6.8x 109

λo=44.1176mm

Se puede sacar el ancho de la microcinta y la constante dieléctrica efectiva a través de la siguiente fórmula (2), [1]:

εef= εr+12

+ εr−12 [(1+12 hW )

12+0.04(1−W

h)2] (2)

Pero para mayor facilidad como ya tenemos los datos del dieléctrico, la frecuencia de operación de nuestro acoplador procedemos a utilizar la herramienta Txline de Microwave Office para tener los datos de la microcinta de nuestro circuito, lo que si nos va a cambiar un poco van a ser las impedancias ya que existen dos: la de entrada y salida de los puertos y la del anillo:

Zo = 50Ω (Para entrada y salida de los puertos)

Zo√2 = 50√2 = 70.71Ω (Para radio del anillo)

Entonces una vez que tenemos todos los datos procedemos a colocar todos estos datos en el TxLine:

Figura 3. Datos en el TxLine para obtener en ancho W de la microcinta con impedancia 50Ω

Como se puede observar en la figura 3 colocamos una impedancia de 50Ω que nos va a servir para sacar el ancho W de la microcinta, que nos va a servir para colocar en los puertos de entrada como de salida para nuestro acoplador.

Figura 4. Datos en el TxLine para obtener en ancho W de la microcinta con impedancia 70.71Ω

En la figura 4 colocamos en el TxLine una impedancia de 70.71Ω, y vamos a obtener el ancho W de la microcinta y otro parámetro muy importante que va a ser la constante dieléctrica efectiva que nos va a servir para obtener lamda en el medio y también el radio de nuestro acoplador en anillo.

Para obtener lamda en el medio aplicamos la siguiente fórmula [1]:

λmedio= λo

√εr (3)

λmedio=0.04411m√2.51993

λmedio=27.7918mm

Para sacar lamda en el medio se utilizó lamda en el vacío que ya se sacó anteriormente y también la constante dieléctrica efectiva con la impedancia de 70.71Ω para la curvatura del acoplador en anillo, ahora lo único que nos falta por calcular es el radio de curvatura del anillo el cuál lo sacamos de la siguiente manera [1]:

2 Rπ=32λmedio (4)

2 Rπ=32(27.7918mm)

2 Rπ=41.6878mm

R=41.6878mm2 π

R=6.6348mm

Una vez que se obtuvo todos los valores que son necesarios para el acoplador en anillo procedemos a realizar la simulación en Microwave Office.

SIMULACIÓN

Con todos los valores ya disponibles entonces lo que nos falta por hacer es colocarlos en las secciones correspondientes para obtener óptimos resultados.

Para los puertos de entrada y de salida que van a tener una impedancia de 50Ω se utilizó la sección MLIN, en la que se le va a colocar en ancho obtenido anteriormente que va a ser de W=3.73088mm y en largo que nosotros deseemos según lo necesitemos, además se le colocó una sección MBENDAS que va a tener un ángulo de 30° para que sea más fácil la construcción del mismo ya en la vida real.

Y para el radio del acoplador de anillo se usó la sección MCURVE, para este caso se utilizó cuatro secciones una con un ángulo de 180° y las tres restantes con un ángulo de 60°, a cada una de estas secciones se les colocó el ancho de la microcinta anteriormente calculado que es de W=2.04469mm y el radio de curvatura de la sección igual a 6.6348mm, estos datos se obtuvo a partir del TxLine con una impedancia de 70.71Ω.

También se colocó el substrato (MSUB) con el cuál se va a realizar la simulación y cuyos datos ya nombramos anteriormente.

Figura 5. Circuito del acoplador en anillo realizado en Microwave Office [2]

Una vez que se colocaron todos los elementos del circuito procedemos a unir todos los componentes, a setear los valores de comienzo y de fin de la simulación además del paso, y las graficas que nosotros deseemos sacar nos daría como resultado la simulación del circuito y las diferentes respuestas del acoplador.

RESULTADOS

Figura 6. Respuesta del acoplador en anillo a los diferentes puertos.

En esta figura se puede observar la respuesta que tiene el acoplador en anillo a los diferentes puertos como es a los de salida 1,3 y 1,2 y al puerto desacoplado 4,1.

Figura 7. Respuesta del acoplador en anillo en relación al puerto desacoplado.

Se observa la relación entre las salidas y el puerto desacoplado y que hay una relación aproximada de -3dB que es lo que se quiere que cada una de las salidas caiga a la mitad de la potencia en la frecuencia de 6.8GHz.

Figura 8. Perdidas por retorno del acoplador en anillo

Esta figura representa los rechazos que se dan en la entrada y en el puerto aislado del acoplador.

Figura 9. Desfase entre las salidas del acoplador

Como se puede apreciar en la gráfica existe el desfase de aproximadamente 180° entre la entrada y la salida del acoplador.

Figura 10. Diseño en 3D del acoplador en anillo

Luego de haber unido todas las partes del circuito acoplador de anillo nos quedaría algo aparecido al dibujo de la figura 9, listo para implementarlo en un circuito real.

CONCLUSIONES

La ayuda del TxLine nos facilitó los cálculos para obtener los diferentes anchos de banda de las microcintas así como también la constante dieléctrica efectiva para poder sacar el radio de curvatura del anillo.

Se debe tomar en cuenta el mayor número de decimales posibles para que al final la respuesta del circuito se aproxime lo más posible a la frecuencia que nosotros deseemos obtener.

Poner la misma constante dieléctrica tanto en el TxLine como en el substrato para no tener inconvenientes en los resultados de las simulaciones.

En el acoplador de anillo según como se haya colocado la entrada ya esa esta en el puerto 1 o en el puerto cuatro vamos a obtener los diferentes resultados, ya que si se colocó en el puerto 1 la entrada las salidas van a estar en los puertos 2 y 3, quedando así el puerto 4 aislado, y si se pone la entrada en el puerto 4 las salidas estarán en 2 y 3 y quedará aislado el puerto 1.

En el acoplador de anillo híbrido se pudo observar que reparte por igual la potencia y estas salidas además están desfasadas en 180° y quedando un puerto aislado.

REFERENCIAS

[1] Circuitos demostrativos y tutorial para el diseño y construcción de circuitos de RF, [En línea], disponible en < http://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ingenieria/tesis05.pdf>, [Consulta del 8-12-2012]

[2] Revista cortocircuito, edición N° 18, julio del 2009, [En línea], disponible en < http://www.utpl.edu.ec/revistacortocircuito/ediciones/EnCORTOCIRCUITO_N18%28Agosto09%29.pdf>, [Consulta de 7-12-2012]

[3] Pozar M. David ―Microwave Engineering”, 3nd. ed., Wiley, NJ, pp. 352-361, [Consulta del 10-12-2012].