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ELEMENTOS AUXILIARES 1.- Introducción__________________________________________________ En una instalación de radiocomunicaciones, además del transmisor, la antena y la línea de transmisión, suelen utilizarse otros elementos, como por ejemplo filtros, atenuadores, acopladores o cargas. En esta unidad se estudiarán los principales elementos auxiliares que se emplean en las instalaciones de radiocomunicaciones.

2.- Atenuador____________________________________________________ Los atenuadores son dispositivos con una entrada y una salida, de forma que en la salida aparece la misma señal que en la entrada, pero con menor potencia, es decir, atenuada. El valor de atenuación se mide en decibelios, y depende de cada modelo. Hay gran variedad de valores de atenuación normalizados, como 1, 3, 6, 10, 20 o 30dB. Estos dispositivos se utilizan para acondicionar la señal entre etapas o para ajustar niveles de entrada en equipos de medida. Por ejemplo, la siguiente imagen muestra la conexión a un analizador de radiocomunicaciones mediante un atenuador: Las principales características de los atenuadores son: -

Valor de atenuación (expresado en dB) Impedancia Rango de frecuencias de funcionamiento Potencia máxima de funcionamiento Tipo de conector Valor de VSWR máximo

Según la potencia que pueden soportar, los atenuadores se suelen clasificar en tres grupos: baja potencia (normalmente hasta 2W), media potencia (normalmente hasta 50W) y alta potencia (a partir de 50W). En la tabla de la siguiente página se muestra un atenuador de cada tipo del fabricante Huber + Sunher:

Modelo 6601_SMA-50-2

Atenuador 1dB Impendancia 50Ω Potencia máxima 2W Conector SMA Frecuencia máxima 6GHz VSWR máximo 1.20

Modelo 5906.19.0004

Atenuador 6dB Impedancia 50Ω Potencia máxima 50W Conector SMA Frecuencia máxima 6GHz VSWR máximo 1.35

Modelo 5903_N-50-200

Atenuador 3dB Impedancia 50Ω Potencia máxima 200W Conector N Frecuencia máxima 4GHz VSWR máximo 1.35

Ejercicios_____________________________________________________________ _ 1.- Se quiere conectar nuestra emisora de radio FM Verónica al analizador de espectros AE-767, para observar el espectro de una señal modulada en FM. La emisora transmite con una potencia de 2W, mientras que en las especificaciones del analizador se dice que la máxima potencia de entrada es 30dBm. a) ¿Se puede conectar directamente la emisora de radio al analizador de espectros? ¿Por qué? b) En caso negativo, ¿cuál sería el atenuador mínimo que tendríamos que utilizar?

2.- En la última página de esta unidad se encuentra el catálogo de un atenuador. Examínalo y rellena la siguiente tabla: Nombre del fabricante Modelo Valor de atenuación Impedancia Máxima potencia Máxima frecuencia Tipo de conector Valor máximo de VSWR 3.- Para el atenuador del ejercicio anterior, ¿cuál será el valor de VSWR para una aplicación que trabaja a una frecuencia de 1.2GHz?

3.- Carga fantasma________________________________________________ Una carga fantasma o carga artificial (dummy load en inglés) es un elemento que se inserta en lugar de una antena, pero tiene una diferencia fundamental con ella: no radia energía, sino que la transforma en calor. Este elemento es en realidad una resistencia que mantiene su valor de impedancia constante dentro de un amplio margen de frecuencias. Por tanto, en una línea de radiofrecuencia terminada en una carga fantasma, el acoplamiento entre la línea y la carga es perfecto, por lo que toda la energía que transporta la línea será absorbida por la carga, transformándose en calor, sin que aparezcan ondas estacionarias. Los parámetros más importantes de las cargas fantasmas son: - Impedancia - Potencia máxima - Rango de frecuencias - Valor máximo de ROE - Tipo de conector Las cargas fantasma se utilizan para diversas aplicaciones, entre las que podemos destacar: -

Para realizar medidas o comprobaciones de una instalación. Por ejemplo, para ajustar todos los parámetros de un equipo transmisor antes de comenzar a transmitir, debemos conectarlo a una carga, porque de lo contrario toda la energía volvería al transmisor y los destruiría. También se puede utilizar para saber qué elemento de una instalación está fallando: si al medir la ROE de una instalación obtenemos un valor demasiado elevado, se puede sustituir la antena por una carga. Si una vez sustituida el valor de ROE vuelve a la normalidad, el problema estaba en la antena. Si no, el problema estará en la línea de transmisión, probablemente en alguno de los conectores.

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Para realizar el balanceo en sumadores de potencia: se utilizan junto con los acopladores híbridos de 3db y los filtros paso banda para implementar sumadores de potencia. Este tipo de circuitos se estudiará más adelante.

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En sistemas redundantes: en algunas aplicaciones se requiere tener un transmisor adicional para el caso de que el transmisor principal sufra alguna avería. Tal es el caso de los sistemas radar o los transmisores de televisión. En estos casos, el transmisor que está funcionando se conecta a la antena, mientras que el de reserva se conecta a una carga. Cuando se detecta un problema en el transmisor que funciona, un conmutador de antena se encarga de conectar el transmisor de reserva con la antena, y el transmisor defectuoso con la carga.

En función de la máxima potencia que pueden manejar, podemos clasificar las cargas fantasmas en dos grupos: Cargas de baja potencia: son cargas “secas”, es decir, sin líquido refrigerante. Utilizan unas aletas radiadoras para disipar la potencia en forma de calor. En la siguiente tabla se muestran tres cargas de baja potencia del fabricante Huber + Suhner:

Modelo 65002_N-50-1

Modelo 6525.17.AA

Impedancia 50Ω Potencia máxima 2W Conector N macho Frecuencia máxima 18GHz Máximo VSWR 1.25

Impedancia 50Ω Potencia máxima 25W Conector N macho Frecuencia máxima 5GHz Máximo VSWR 1.2

Modelo 6560.41.AB

Impedancia 50Ω Potencia máxima 60W Conector 7/16 macho Frecuencia máxima 2GHz Máximo VSWR 1.1

Cargas de alta potencia: utilizan un líquido refrigerante, normalmente agua desmineralizada o un aceite especial, junto con un sistema de ventilación. Con este sistema se pueden conseguir cargas de hasta 50kW. A continuación se muestra la imagen de la carga Bird 8251, con refrigerante de aceite, que soporta 1000W de potencia y hasta 2.4GHz de frecuencia.

Ejercicios______________________________________________________________ 1.- Se dispone de una carga ficticia con las siguientes características: DC-30MHz 50Ω 25W VSWR 1.1 Indica si se podría utilizar para comprobar la instalación de los siguientes sistemas. En caso negativo, razona tu respuesta: a) b) c) d)

Emisora de banda ciudadana de 5W Emisora de radio FM de 50W Emisora de radio FM de 20W Emisora de televisión UHF de 50W

2.- Se dispone de una emisora de radio FM conectada a un medidor de ondas estacionarias, el cual a su vez está conectado mediante una línea de transmisión a una carga ficticia. Al medir las ondas estacionarias, obtenemos un valor de ROE de 2.5. ¿Qué significa esto?

4.- Filtro de frecuencia______________________________________________ Los filtros son unos dispositivos capaces de discriminar la señal de entrada según su frecuencia. Es decir, dejan pasar a su salida algunas frecuencias, mientras que otras frecuencias las atenúan, impidiendo que pasen a la salida. Según cuáles sean las frecuencias que los filtros dejan pasar, los podemos clasificar en cuatro tipos diferentes:

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Filtro paso bajo: deja pasar todas las frecuencias por debajo de una frecuencia determinada, llamada frecuencia de corte (fC). 

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Filtro paso alto: deja pasar todas las frecuencias por encima de una frecuencia determinada, llamada frecuencia de corte (fC) 

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Filtro paso banda: deja pasar el margen de frecuencias comprendido entre una frecuencia de corte inferior (fCi) y una frecuencia de corte superior (fCs).Dentro de los filtros paso banda, existe un tipo especial conocido como filtro resonante, donde la banda de paso es mucho más selectiva. En este tipo de filtros no hablamos de fCi y fCs, sino de frecuencia central (f0), que coincide con la frecuencia de resonancia del filtro. 

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Filtro elimina banda: deja pasar todas las frecuencias excepto las comprendidas entre una frecuencia de corte inferior y una frecuencia de corte superior. Dentro de los filtros elimina banda, existe un tipo especial conocido como filtro notch. En este tipo de filtros la banda eliminada es muy estrecha, es decir, el filtro se utiliza para eliminar unas frecuencias muy concretas. Un ejemplo podría ser un filtro notch para eliminar la frecuencia de 50Hz de la red eléctrica, que se puede acoplar en un circuito y generar ruido. 

Para entender mejor el funcionamiento de los filtros, se suele representar su respuesta en frecuencia, que consiste en una gráfica que muestra cómo varía la amplitud de salida del filtro en función de la frecuencia. A continuación se muestra la respuesta en frecuencia de los cuatro tipos de filtros estudiados:

Los símbolos normalizados para cada uno de estos filtros son los que se muestran a continuación:

Parámetros de los filtros: A continuación se describen los principales parámetros de los filtros:

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Frecuencia de corte (fC): es aquella en que la ganancia del filtro cae –3 dB por debajo de la máxima ganancia alcanzada. En los filtros paso alto y paso bajo solamente existe una frecuencia de corte, mientras que en los filtros paso banda y elimina banda existen dos: una superior y otra inferior. 

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Frecuencia central (f0): en los filtros resonantes, es la frecuencia que cae justo en el centro de la banda de paso o la banda eliminada. 

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Ancho de banda (BW): es la anchura del margen de frecuencias en el que el filtro realiza su funcionamiento útil. En los filtros pasa banda o elimina banda, se mide como fCs-fCi. 

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Factor de calidad (Q): es un parámetro que informa sobre lo selectivo que es un filtro. Cuanto mayor sea el factor de calidad, más selectivo será el filtro. Como ejemplo se muestra una gráfica donde aparecen las respuestas en frecuencia de cuatro filtros notch con diferentes factores de calidad. 

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Dependiendo de los componentes utilizados para la fabricación de los filtros, podemos distinguir dos tipos diferentes: filtros pasivos y filtros activos. 

Filtros pasivos: están implementados únicamente con componentes electrónicos pasivos, es decir, resistencias, condensadores y bobinas. Por tanto, la ganancia máxima de estos filtros es la unidad, es decir, pueden atenuar las frecuencias que no nos interesan, pero no pueden amplificar las que nos interesan. 

En la siguiente imagen se muestran los filtros pasivos más sencillos, conocidos como filtros RC de primer orden. Como se puede observar, el filtro paso banda se obtiene conectando en cascada un filtro paso alto y uno paso bajo:

Filtro RC paso bajo

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Filtro RC paso alto

Filtro RC paso banda

Filtros activos: en estos filtros, además de resistencias y condensadores, se utiliza algún elemento activo para su implementación, como por ejemplo transistores o amplificadores operacionales. Este tipo de filtros tienen ganancia mayor que 1, es decir, pueden amplificar la banda de frecuencias de paso. Los filtros implementados con amplificadores operacionales suelen tener la máxima frecuencia de trabajo en torno a 1MHz, por lo que no se suelen utilizar en radiocomunicaciones. 

Filtros activos paso bajo y paso alto tipo Sallen-Key

Aplicaciones de los filtros: Los filtros se utilizan en múltiples aplicaciones, no solamente en el ámbito de las radiocomunicaciones. Por ejemplo, en la caja de un altavoz, los filtros se utilizan para separar las frecuencias de audio entre graves, medios y agudos, de forma que cada conjunto de frecuencias se dirija a su correspondiente altavoz. En el campo de las radiocomunicaciones, los filtros se utilizan para muchas aplicaciones, entre las que podeos destacar:

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Limitar el ancho de banda de una señal. Esto es fundamental cuando se realiza la multiplexación en frecuencia, ya que si los diferentes canales que se quieren transmitir no tienen un ancho de banda limitado, cuando se realice la multiplexación se producirá un solapamiento entre canales. 

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Sintonizar un canal. Cuando recibimos una señal multiplexada en frecuencia, estamos recibiendo todos los canales al mismo tiempo. Para extraer un único canal se utiliza un filtro paso banda que deja pasar únicamente las frecuencias del canal que queremos sintonizar. 

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Eliminar ruido y señales no deseadas. Cuando se realiza una transmisión por ondas de radio, a la señal de información se le suele acoplar ruido y señales no deseadas de otras frecuencias. El uso de filtros elimina dichas señales, evitando que interfieran en nuestro sistema. 

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Eliminar los armónicos y otras frecuencias espúreas que pueda emitir nuestro transmisor, consiguiendo que emita únicamente en la banda asignada, impidiendo que los armónicos se mezclen con las señales de otros canales. 

Ejercicios______________________________________________________________ 1.- Se dispone de un filtro paso bajo de 10kHz de frecuencia de corte. Dibuja la forma de onda y el espectro de las señales de entrada y salida del filtro, para los siguientes casos de señales de entrada: a) Señal senoidal de 5kHz b) Señal senoidal de 20kHz c) Señal cuadrada de 4kHz 2.- ¿Qué indica el factor de calidad Q de un filtro?

3.- ¿Cuáles son las diferencias entre un filtro activo y un filtro pasivo?

4.- Contesta las siguientes preguntas, relacionadas con los filtros notch: a) ¿Qué es un filtro notch? b) ¿En qué se diferencia con un filtro elimina banda? c) Dibuja su respuesta en frecuencia 5.- Indica tres aplicaciones de los filtros en el campo de las radiocomunicaciones.

6.- Busca en Internet al menos tres aplicaciones de los filtros fuera del campo de las radiocomunicaciones.

5.- Conmutador de antena___________________________________________ Se trata de dispositivos que nos permiten de manera manual o automática conmutar entre diferentes sistemas radiantes o entre diferentes transmisores de manera rápida. A nivel de radioaficionados, se utilizan principalmente para conectar un transmisor multibanda (por ejemplo, un transmisor que opera con las bandas VHF y UHF) con diferentes antenas.

Conmutador de 2 posiciones

Conmutador de 4 posiciones

A nivel profesional, el principal uso de los conmutadores de antena se da en las estaciones emisoras o reemisoras de radio y televisión, o en los sistemas radar. Generalmente estos sistemas trabajan con un transmisor activo y uno de reserva (sistema 1 + 1), o varios transmisores activos y uno de reserva (sistema n + 1). En cualquiera de estos casos se necesita un elemento que permita conmutar cualquiera de los transmisores entre la antena y la carga fantasma.

6.- Acoplador____________________________________________________ Los acopladores son elementos pasivos muy utilizados en sistemas de difusión. Dentro de los acopladores, podemos distinguir diferentes tipos. En este punto estudiaremos los acopladores direccionales y los acopladores bidireccionales.

6.1.- Acoplador direccional_________________________________________ Es un elemento pasivo que consiste en un trozo de línea de transmisión por el que circula la energía de radiofrecuencia, al que se le coloca una segunda línea de transmisión paralela a la primera, y lo suficientemente cerca como para que se induzca en ella parte de la energía que circula por la primera. Esta energía inducida circula a 180º respecto a la principal. Al final de la línea se coloca una carga (Z0) que disipa la energía y permite obtener una tensión proporcional a la potencia principal que viaja desde Pe hasta Ps.

Por tanto, en un acoplador direccional encontramos los siguientes puertos:  Puerto de entrada (Pe): Puerto por dónde se inyecta la señal.   Puerto de salida (Ps): Puerto por el que se extrae la señal de salida.   Puerto acoplado: (Pm): Puerto por el que se obtiene una muestra de la señal de entrada.   Puerto aislado: Puerto que debe estar cargado con la impedancia característica del acoplador (generalmente 50 Ω). Por regla general, el puerto aislado tiene la carga integrada internamente, por lo que a efectos prácticos el acoplador direccional se ve físicamente como un elemento de tres puertos. 

Símbolo del acoplador direccional

Parámetros de un acoplador direccional: A continuación se detallan los principales parámetros que definen el comportamiento de un acoplador direccional:

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Factor de Acoplamiento (C): es el parámetro más importante de un acoplador direccional. Se define como la relación entre la potencia que se inyecta en el puerto de entrada (Pe) y la potencia que aparece en el puerto acoplado (Pm) 

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Frecuencia de trabajo: es el rango de frecuencias para el cual el valor del acoplamiento se mantiene dentro de los límites especificados por el fabricante. 

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Aislamiento: es la relación de potencias entre el puerto de salida y el puerto acoplado, cuando se inyecta señal por el puerto de salida. Este parámetro nos da una idea de la fracción de potencia reflejada que aparecería en el puerto acoplado. Cuanto mayor sea este parámetro, más pequeña será la fracción de potencia reflejada que aparecerá en el puerto acoplado. 

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Pérdidas de Inserción: son las pérdidas que se producen en el camino entre el puerto de entrada y el puerto de salida. Estas pérdidas están exclusivamente ligadas al medio de transmisión que une los dos puertos. 

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Pérdidas por Acoplamiento: son las pérdidas que se producen en el puerto de salida debido al acoplamiento. Cuanta más señal se transfiere al puerto acoplado, mayores serán las pérdidas por acoplamiento. 

Un acoplador direccional nos permite obtener permanentemente una pequeña muestra de la potencia de entrada para realizar medidas sin necesidad de desconectar el equipo de la línea de transmisión. Esto es importante porque normalmente los equipos de medida no están preparados para medir altas potencias, por lo que se hace necesario realizar las medidas a través de una muestra de la señal que deseamos medir. Por ejemplo, se puede utilizar para monitorizar la señal que un transmisor de una estación base de telefonía móvil está enviando a una antena, sin necesidad de interrumpir la conexión entre ambos. A continuación se muestran dos ejemplos distintos de utilización del acoplador direccional:

En este ejemplo se utiliza un acoplador direccional para monitorizar la señal de transmisión de una estación base de telefonía móvil (BTS) sin necesidad de interrumpir la transmisión. De esta manera se pueden medir parámetros como la frecuencia y la potencia que está emitiendo el transmisor, ya que conocemos la relación que existe entre la señal que se transmite y la muestra, que es el acoplamiento de acoplador direccional.

En este ejemplo se inyecta la señal de un generador de RF por la salida del acoplador direccional. La señal reflejada, debida a la desadaptación entre línea de transmisión y sistema radiante, entrará en el acoplador direccional por la entrada de este, y una fracción de dicha señal pasará al equipo de medida, a través del puerto acoplado, pudiendo medir la onda reflejada por la antena para una frecuencia determinada. Si aplicamos un barrido de frecuencia en la banda de trabajo de la antena, obtendremos la respuesta en frecuencia de dicha antena.

A continuación se muestra la imagen y las características de un acoplador direccional del fabricante Huber + Suhner, para aplicaciones de telefonía móvil. Es apto para sistemas GSM, CDMA, UMTS y LTE entre otros.

Modelo Rango de frecuencias Acoplamiento Pérdidas de inserción Aislamiento Pérdidas de retorno Impedancia Tipo de conectores

7230.17.0003 0.698 – 2.7GHz 30dB 0.1dB 50dB 20dB 50Ω N

Ejercicios______________________________________________________________

1.- ¿Qué es el factor de acoplamiento de un acoplador direccional?

2.- ¿Cuál es la principal aplicación de un acoplador direccional?

3.- Se dispone de un acoplador direccional con un acoplamiento de 6dB y unas pérdidas de inserción de 0.5dB. Si en el puerto de entrada se inyecta una potencia de 2W, calcula la potencia en dBm que aparecerá en el puerto de salida y en el puerto acoplado.

4.- El acoplador del ejercicio anterior se utiliza en el siguiente montaje. Si una vez puesto en marcha el sistema se mide en el analizador de espectros una potencia de 27dBm para la frecuencia de transmisión, indica cuál es la potencia real con la que está emitiendo el transmisor, expresándola en W.

5.- Dibuja el esquema del montaje que habría que realizar para obtener la respuesta en frecuencia de una antena utilizando un generador de radiofrecuencia, un analizador de espectros y un acoplador direccional.

6.2.- Acoplador bidireccional_______________________________________ En el acoplador del apartado anterior, si en lugar de acoplar una sola línea, se acoplan dos líneas en sentidos opuestos, podremos obtener muestras de la potencia directa y la reflejada al mismo tiempo. De esta forma obtenemos un acoplador bidireccional.

Un acoplador direccional tiene, por tanto, cuatro puertos:    

Pe: puerto de entrada, donde se inyecta la potencia.  Ps: puerto de salida, por donde sale la potencia inyectada en la entrada.  Pmd: puerto acoplado 1, donde aparece una muestra la potencia directa. Normalmente viene marcado con las siglas FWD (del término fordward en inglés)  Pmr: puerto acoplado 2, donde aparece una muestra de la potencia reflejada. Normalmente viene marcado con las sigas REF. 

Los parámetros de un acoplador bidireccional son los mismos que los de un acoplador direccional. Solamente hay que tener en cuenta que ahora el factor de acoplamiento indica tanto la relación entre la potencia que se inyecta en la entrada y la que aparece en el puerto acoplado directo (FWD), como la relación entre la potencia que se inyecta en la salida y la que aparece en el puerto acoplado reflejado (REF). A continuación se muestra la imagen y las características de un acoplador bidireccional del fabricante Agilent. Está especialmente diseñado para su uso en laboratorio, para realizar barridos de frecuencia y obtener la respuesta en frecuencia de dispositivos bajo prueba.

Modelo Rango de frecuencias Acoplamiento Pérdidas de inserción VSWR Máxima potencia Tipo de conectores

HP 776D 0.94 – 1.9GHz 20dB