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MICROSTRIP LINES ACOPLADOR HIBRIDO DE 180° ENDARA ESTEVEZ DIEGO JAVIER 24-02-2015 QUITO-ECUADOR [email protected] 

ABSTRACT: The design is presented below is a hybrid coupler 180 °, its theoretical performance indicated, practical fabrication of the coupler will be made to further characterize it by FieldFox computer for transmission parameters and reflection, and simulated by ADS software. RESUMEN: El diseño que se presentara a continuación se trata de un acoplador hibrido de 180°, se indicara su funcionamiento teórico, practico se realizara la fabricación del acoplador para posteriormente caracterizarlo mediante el equipo Fieldfox para obtener los parámetros de transmisión y reflexión, y simulado mediante el software ADS. PALABRAS CLAVE: Conectores SMA, Microstrip lines, FieldFox, FR4, ADS. OBJETIVOS OBJETIVOS GENERAL  Diseñar un acoplador hibrido de 180° con la tecnología de microcintas para posteriormente caracterizarlo en el Firefox y comparar los datos obtenidos con la simulación en ADS.



Observar las gráficas de transmisión y reflexión del acoplador en el FieldFox. Fabricar un acoplador hibrido de 180° con los diferentes pasos que esto conlleva en el laboratorio de fabricación.

2. MARCO TEÓRICO El acoplador híbrido de 180° es un dispositivo 4 puertos sin pérdidas con función global de equilibrado y transmisión simétrica. Este acoplador de anillo puede ser usado para división equilibrada de la potencia (acoplamiento de 3 dB) y desplazamiento de fase de 180º además de circuitos acumulativo y diferencial. [1]

Fig. 1 Híbrido de 180° (los puntos marcados con rojo representan los puertos 1, 2, 3 y 4 en el sentido del reloj) [1]

Las 4 líneas de alimentación cortas tienen una impedancia característica ZL, el anillo en su totalidad tiene una impedancia característica Zl*√2 o aproximadamente 70 Ω. [1]

OBJETIVOS ESPECIFICOS  Utilizar el equipo de FieldFox

para obtener la frecuencia a la cual trabaja el acoplador hibrido de 180°. 1

La matriz de dispersión es:

(1) La matriz indica claramente que dos señales en fase provenientes de los puertos 1 y 3 se superponen en forma constructiva en el puerto 2. De manera similar, una señal alimentada al puerto 2 se distribuye en fase entre los puertos 1 y 3 y su potencia sufre una reducción de 3 dB. [1]

Fig.3 grafica de parámetros de reflexión y transmisión según Lucas Null (LN) [1] Los híbridos 180º se emplean en diversas aplicaciones en circuitos integrados de microondas, por ejemplo en circuitos donde resulta imprescindible dividir la potencia de entrada entre varias ramas, o bien combinar potencias procedentes de distintos orígenes, ya sea en fase o contra fase de forma equilibrada entre sus ramas, es decir para sumar y restar señales. El acoplador híbrido 3 dB 180º en su configuración más típica se muestra en la Fig. 1, la cual consiste en una red de cuatro accesos compuesta por tres líneas de longitud λ/4, y una de longitud 3λ/4, todas ellas de impedancia Z0·√2.

Fig.2 señales en fase provenientes de los puertos 1 y 3 [1] La potencia que se alimenta en el puerto 1 es distribuida entre los puertos 2 y 4, las señales en estos puertos sufren un desplazamiento de fase de 180º. De manera similar, las señales con desplazamiento de fase de 180º pueden ser combinadas en forma constructiva en el puerto 1. Esto también se demuestra en la animación. [1]

Un híbrido 180º usado en función de divisor de potencia, tiene dos posibles configuraciones, dependiendo de la entrada que se emplee. Utilizando como referencia la numeración de puertos de la Fig. 1: • Si tomamos como entrada el acceso 1, la señal se dividirá por igual en dos señales que saldrán por los accesos 3 y 4 desfasados 180º o en oposición de fase, mientras que el acceso 2 queda aislado:

Los resultados esperados se indican en la figura 3.

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tecnología planar era su limitación en banda a frecuencias elevadas, debido a la dependencia de los parámetros físicos del substrato con respecto a la frecuencia, lo que hace que la impedancia de las líneas no sea constante con la misma. Puesto que su ancho de banda se encontraba entre el 20-25%, se consideraban circuitos de banda estrecha. Pero la principal ventaja de emplear líneas microstrip es su fácil diseño, puesto que la estructura puede ser optimizada con un bajo coste computacional. En este artículo se presenta una estructura microstrip, con un ancho de banda de1 GHz. [2] Advanced Design System (ADS)

• Entrando por el acceso 2 la señal se dividirá por igual en dos señales que saldrán por los accesos 3 y 4 con idéntica fase, con el acceso 1 aislado:

Mientras que usado en función de combinador de señales, si entramos por los accesos 3 y 4, en el acceso 1 tendremos la resta de las señales y en el acceso 2 la suma:

Advanced Design System es un software de automatización líder en el mundo del diseño electrónico de RF, microondas y aplicaciones digitales de alta velocidad. En una interfaz potente y fácil de usar, ADS pioneros de las tecnologías más innovadoras y de éxito comercial, como X-parámetros * y simuladores 3D EM, utilizados por empresas líderes en la comunicación inalámbrica y redes y la industria aeroespacial y de defensa. Por WiMAX, LTE, multi-gigabit por segundo, enlaces de datos radar, y aplicaciones de los satélites, ADS ofrece diseño completo, basado en estándares y verificación con Bibliotecas inalámbricos y circuitosistema-EM co-simulación en una plataforma integrada[4]

Existen varias tecnologías para la fabricación de híbridos 180º. En el caso de la tecnología sobre substrato, se puede emplear la tecnología uniplanar, donde las líneas de transmisión más comúnmente utilizadas son las líneas en guía de onda coplanar (Coplanar Waveguide, CPW), líneas coplanares (Coplanar Slotline, CPS) y Slotline, o en tecnología microstrip. Uno de los inconvenientes que presenta la estructura típica rat-race es su ancho de banda de funcionamiento. Para aplicaciones de banda ancha, como en nuestro caso particular superiores al 30%, se deben emplear técnicas para mejorar su respuesta. La concatenación de dos anillos como en [3] nos permite aumentar sensiblemente el ancho de respuesta del circuito, y a la vez de manera sencilla la obtención de las señales suma y diferencia para la correlación de las señales de entrada. En este caso la tecnología empleada es una técnica de fácil fabricación y bajo coste como la microstrip. Otras muchas opciones se encuentran, pero el diseño y fabricación más compleja. La principal restricción de estos circuitos en esta

CONECTORES SMA: Los conectores SMA son una alternativa relativamente económica a los conectores APC-3.5 (3,5 mm). Tienen una impedancia característica de 50 Ω, llegando a una relación de onda estacionaria (VSWR) tan baja como 1:1.5 El conector SMA utiliza un dieléctrico de politetrafluoretileno (PTFE) que centra la parte interior a lo largo del plano de 3

acoplamiento. La variabilidad en este acoplamiento y la propia construcción de los conectores limita la repetibilidad de la impedancia típica. Por este motivo y el hecho de que está garantizado para tan solo un número limitado de ciclos de conexión, un conector SMA no suele ser una buena opción para los aplicaciones metrológicas.

Aplicaciones

Aunque es habitual que lleven un acabado en oro para evitar la oxidación también es conveniente la inspección y limpieza.[5]

Precisión  Obtener mediciones precisas que estén de acuerdo con los resultados de sobremesa

EQUIPO DE MEDICION FIELDFOX [2]FieldFox está equipado para manejar el mantenimiento de rutina, la solución de problemas en profundidad y de cualquier otra cosa. FieldFox proporciona mediciones Keysight calidad - cualquier lugar donde necesite ir. Añadir FieldFox a su equipo, y llevar a la precisión con usted. Función de base La combinación de microondas del analizador es un analizador de cable y antena. Se puede configurar con los siguientes opcionalescapacidades: analizador de espectro, analizador de redes, medidor de potencia, vector voltímetro, analizador de interferencias, fuente continua variable, construido en el receptor GPS y el control remoto a través de un iPad o iPhone.



Las comunicaciones por satélite, red de retorno de microondas



Comunicaciones sistemas de radar



Prueba del dispositivo activa y pasiva

militares,



CalReady, QuickCal y ECal proporcionan pérdida de retorno exacto, los parámetros Sdistancia a fallo y



InstAlign Sin precedentes precisión de amplitud absoluta en toda la banda al completo, sin necesidad de calentamiento

Fig. 4 FieldFox[2] 3. MATERIALES Y EQUIPO 1. Conectore SMA para chasis Componentes utilizados para conectar terminales de entrada y salida estos pueden ser generadores de ondas o receptores.

Los siguientes accesorios se incluyen con cada FieldFox: Adaptador AC / DC, batería, estuche blando, cable LAN, Guía de referencia rápida y la Guía del usuario.

Fig. 5 Conectore SMA para chasis [3]

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2. Cloruro Férrico Compuesto químico que se utiliza para cortar al cobre en forma vertical.

Adhesivo para cubrir las partes que no se desea cortar con el cloruro férrico.

Fig. 9 Masking [3] 6. FieldFox Equipo utilizado para obtener el rango de trabajo de frecuencia de la microstrip line.

Fig. 6 Cloruro férrico [3] 3. Soldadura en pasta Pasta de estaño que al momento de aplicar calor une los componentes a soldar.

Fig. 7 Soldadura de estaño en pasta. [3]

Fig. 10 FieldFox [2]

4. Cautín Herramienta utilizada como generador de calor para el estaño en pasta.

7. FR4 Baquelitas de doble lado de cobre.

Fig.11 FR4 [3] 8. Sierra Cortadora para dar dimensiones al FR4.

Fig. 8 cautín [3]

5. Masking

Fig. 12 Sierra [3] 5

9. Impedancias de 50 ohm Se colocan al momento de caracterizar en los puertos que quedan sin conexión.

Fig. 15 Diseño del acoplador hibrido de 180° 3.- Para obtener una mejor apreciación real del diseño realizado se procede a tomar una vista en 3D como se puede apreciar en la figura 16. Fig. 13 Impedancias de 50 ohm 3. DESARROLLO Y PROCEDIMIENTO 1.- Primero se procede al diseño del acoplador hibrido de 180° mediante el software ADS, acoplando este mismo a una frecuencia de trabajo de 1 Ghz, obteniendo las mediadas de largo y ancho de cada segmento de dicho acoplador esto se puede observar en la figura 14 que es el diagrama esquemático diseñado en ADS.

Fig. 16 Vista en 3D del acoplador hibrido de 180° 3.- Se procede a la simulación en el ADS para la obtención de los parámetros de transmisión y reflexión como indica la figura 17.

Fig. 17 representaciones gráfica en forma log de los parámetros S33, S31, S32, S34

Fig. 14 Diagrama esquemático del acoplador hibrido de 180° 2.- Se procede a obtener el layout del diagrama esquemático, esta misma entrega el diseño en pistas para el circuito impreso. Fig. 18 representaciones gráficas en forma de Smith de los parámetros S33, S31, S32, S34 6

5.- Se procede a imprimir el diseño realizado con una impresora láser y en papel fotográfico para posteriormente su estampado en el FR4.

Fig. 22 estampado del diseño en el FR4. 9.- Mediante el cloruro férrico se corta la baquelita en forma horizontal y se obtiene la figura deseada como se observa en la figura 23.

Fig. 19 impresión para el estampado en el FR4

6.- Se coloca los equipos de protección necesaria y se procede a cortar el FR4 con la sierra.

Fig. 23 FR4 sometido al cloruro férrico 10.- A continuación se procede a sacar el FR4 del cloruro feérico y se retira el masking seguido esto se limpia con abundante agua para retirar el cloruro férrico y se procede a secar con papel y alcohol obteniendo así el diseño del acoplador hibrido en el FR4.

Fig. 20 FR4 cortado. 7.- Se limpia el FR4 con alcohol y agua y lijamos un poco la superficie para luego proceder a colocar el diseño de del aoplador hibrido de 180° realizado en el ADS.

Fig. 24 diseño obtenido en el FR4 Fig. 21 diseño colocado en el FR4. 11.- Se aplica la soldadura entre el par de conectores SMA y los extremos de nuestra placa, tomar en cuenta el pin que une la línea de cobre y el pin que se conecta a tierra dependiendo del tipo de conector que se disponga como se muestra en la figura 25.

8.- Se debe aplicar calor y presión para que el estampado se quede en el FR4 esto se obtuvo mediante una plancha.

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FieldFox y una Pc para verificar los resultados obtenidos. 4. ANALISIS Y RESULTADOS En la figura 28 se muestra el coeficiente de transmisión S12 el cual indica la marca 3 está ubicada 1.01 Ghz a 3 db lo cual nos indica que a esa frecuencia está transmitiendo sin ningún problema concordando con los resultados obtenidos en el ADS que se puede observar en la figura17.

Fig. 25 Acoplador hibrido de 180° soldada con estaño en pasta. 12.- Siguiendo estos pasos luego se pasa a la caracterización del acoplador mediante el equipo fieldfox. 13.- Se conecta los adaptadores a los SMA de la placa y encendemos el equipo. 14.- Se procede a calibrar el equipo para visualizar los coeficientes de transmisión y recepción en escala logarítmica y diagrama de Smith.

Fig. 28 diagrama logarítmico de transmisión S12. La figura 29 muestra el coeficiente de trasmisión S21 en formato de Smith se puede observar que existe una eficiente transmisión a la frecuencia desde 1.01 Ghz.

Fig. 26 Mediciones en FieldFox 15.- se colocan las impedancias de 50 ohms en los puertos sin conexión como se muestra en la figura 27.

Fig. 27 Conexión de las impedancias de 50 ohms

Fig. 29 diagrama de Smith transmisión S21

16.Se realiza las capturas correspondientes con una conexión del 8

En la figura 30 se puede observar los diagramas en formato logarítmico de los parámetros S11, S22, S12 y S21 esto se obtiene conectando el puerto 1 con el puerto 2 del acoplador hibrido respectivamente.

Fig. 32 parámetros S11, S33, S13 y S31 En la figura 33 se puede observar los diagramas en formato Smith de los parámetros S11, S33, S13 y S31. Fig. 30 diagrama logarítmico de los parámetros S11, S22, S12 y S21 En la figura 31 se puede observar los diagramas en formato Smith de los parámetros S11, S22, S12 y S21.

Fig. 33 diagrama de Smith de los parámetros S11, S33, S13 y S31 en formato de Smith. En la figura 34 se puede observar los diagramas en formato logarítmico de los parámetros S11, S44, S14 y S41 esto se obtiene conectando el puerto 1 con el puerto 4 del acoplador hibrido respectivamente.

Fig. 31 diagrama de Smith de los parámetros S11, S22, S12 y S21 en formato de Smith. En la figura 32 se puede observar los diagramas en formato logarítmico de los parámetros S11, S33, S13 y S31 esto se obtiene conectando el puerto 1 con el puerto 3 del acoplador hibrido respectivamente. 9

Fig. 34 parámetros S11, S44, S14 y S41 En la figura 35 se puede observar los diagramas en formato Smith de los parámetros S11, S44, S14 y S41.

Fig. 36 parámetros S22, S33, S23 y S32 En la figura 37 se puede observar los diagramas en formato Smith de los parámetros S22, S33, S23 y S32.

Fig. 35 diagrama de Smith de los parámetros S11, S33, S13 y S31 en formato de Smith.

Fig. 37 diagrama de Smith de los parámetros S22, S33, S23 y S32 en formato de Smith. En la figura 38 se puede observar los diagramas en formato logarítmico de los parámetros S22, S44, S24 y S42 esto se obtiene conectando el puerto 2 con el puerto 4 del acoplador hibrido respectivamente.

En la figura 36 se puede observar los diagramas en formato logarítmico de los parámetros S22, S33, S23 y S32 esto se obtiene conectando el puerto 2 con el puerto 3 del acoplador hibrido respectivamente.

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Fig. 38 parámetros S22, S44, S24 y S42 En la figura 39 se puede observar los diagramas en formato Smith de los parámetros S22, S44, S24 y S42.

Fig. 40 parámetros S33, S44, S34 y S43 En la figura 41 se puede observar los diagramas en formato Smith de los parámetros S33, S44, S34 y S43.

Fig. 39 diagrama de Smith de los parámetros S22, S44, S24 y S42 en formato de Smith.

Fig. 41 diagrama de Smith de los parámetros S33, S44, S34 y S43 en formato de Smith.

En la figura 40 se puede observar los diagramas en formato logarítmico de los parámetros S33, S44, S34 y S43 esto se obtiene conectando el puerto 3 con el puerto 4 del acoplador hibrido respectivamente.

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 Al momento que se tomó en la caracterización los puertos 2 y 4 se pudo observar en los parámetros de transmisión que el acoplador se empezó a comportar como un filtro como se puede observar claramente en la figura 38.  En la figura 32 se estaría comportando como un filtro esto se lo puede observar con los parámetros de transmisión.  El diseño se basó en el acoplador hibrido de lucas null en el cual se observa que la frecuencia de trabajo de dicho acoplador es de 1 Ghz, permitiendo observar con el diseño realizado que se aproxima mucho a esta frecuencia de trabajo, las limitaciones fueron los materiales con los que se trabajó como el FR4 y los conectores SMA que impidieron que el circuito salga idéntico al de referencia esto se lo puede comprobar observando las figuras 3 y 17.  Para las figuras 31 a 41 los parámetros S se tomaron con el nombre de cada puerto en las imágenes se observa que están solo puestas el 1 y 2 eso se debe al hardware empleado ya que solo permite tomar dos puertos para la respectiva caracterización.

Con las gráficas obtenidas de la caracterización en ADS podemos obtener la matriz de Scattering

Matriz de Scattering obtenida del software ADS a 1 Ghz 5. CONCLUSIONES  La figura 28 muestra el parámetro S12 que nos indica transmisión este mismo se encuentra ubicado a una frecuencia de trabajo de 1.02 Ghz lo cual coincidiría con el diseño previo en el ADS.  Se tomó como referencia -3 db para poder decir que el acoplador esta trabajado correctamente ya que por ser este mismo un hibrido no debe tener demasiadas perdidas en su transmisión.  El espectro de frecuencia en el que el hibrido trabajaría a una frecuencia poco eficiente seria desde los 677.88 Mhz hasta los 1.33Ghz se dice poco eficiente ya que en este rango se está superando los -3db llegando a un máximo de -10db.  Para las mediciones con el fiel fox se tomó los puertos de dos en dos por las limitaciones del hardware de medición ya que el mismo solo tiene para conectar dos puertos.

6. RECOMENDACIONES  Al adquirir los conectores SMA se debe tener presente que sean de buena calidad.  En el proceso de fabricación se debe protegerse del cloruro férrico ya que mancha y es tóxico.  Al desechar los residuos de cloruro férrico se debe tener presente que es un contaminante 12

para el medio ambiente así que hay que deshacerlo con responsabilidad.  El diseño teórico varía en cuanto al practico por los diferentes materiales empleados. 7. REFERENCIAS [1]LUCAS NULLE, L@b soft, software 2008, tecnología de alta frecuencia, acoplador hibrido de 180°. [2]Keysight, “FieldFox Handheld RF and Microwave Analyzer,” [online] IEEE trans. Disponible en:http://www.keysight.com/en/pc1297113/advanced-design-systemads?cc=US&lc=eng. [3]Decsa, “dispositivos electrónicos de control” [online] Disponible en : http://www.decsamexico.com/ [4] Keysight , “Advanced Design System (ADS)”, [online] disponible en : http://www.keysight.com/en/pc1297113/advanced-design-systemads?cc=US&lc=eng [5] Seguridad Wireless “Galería de conectores”, [online] disponible en : http://www.seguridadwireless.net/hwa gm/galeria-conectores.html

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