Síntesis y análisis de circuitos de microondas usando ANSOFT

Síntesis y análisis
de circuitos de microondas

Parte 1
En este apartado se diseñara una sección de acoplamiento a λ/4 en una resistencia de radiación de 136 Ω de una antena tipo Patch a un alimentador de 50 Ω de un transmisor de GPS. La frecuencia de trabajo para el sistema es de 1.575 GHz. Se debe comprobar que el diseño realmente adapta la diferencia de impedancias entre el transmisor yla antena. El circuito adaptador se implementará en tecnología microstrip usando un sustrato tipo FR4 que tiene las siguientes propiedades:
Grosor: 0.06 pulgadas(1.52 mm)
Er: 4.4
Tangente de pérdidas: 0.02
Grosor de la cubierta de cobre (en ambas caras): 17 µm
Procedimiento:
1. Configurar un nuevo proyecto empleando el sustrato definido

Figura 1. Ventana de configuración del sustrato2. Configurar un puerto de interfaz en modo microondas

Figura 1. Ventana de configuración del puerto de interfaz
3. La resistencia de radiación se puede implementar mediante el uso de un resistor ubicado en la sección de componentes concentrados (Lumped).

4. Para la sección de acoplamiento se debe usar el modelo de línea de transmisión microstrip de longitud física. E

Figura 1.Circuito esquemático obtenido
5. Calcular la impedancia característica que debe tener la sección λ/4 según las impedancias de los elementos que se desean acoplar.
Para calcular la impedancia característica de la sección usamos la ecuación (1). Cabe resaltar que esta ecuación solo es válida cuando ZL es puramente real.

Donde Zo es la impedancia del generador y ZL es la impedancia de la carga. Asípues la impedancia característica es igual a 82.4621 Ω
6. Usando la calculadora para microstrip, realizar la síntesis de forma que se obtengan los valores de W (anchura) y P (longitud) de la microcinta.

Para que la calculadora haga la síntesis de la microcinta es necesario ingresarle Z0 y E. Para nuestro caso Z0 = Za y E = 90, ya que la sección es de longitud λ/4.

Para acceder a lacalculadora se ingresa en la ventana de propiedades de la microcinta y se presiona la opción TRL

Figura 1. Ventana de propiedades de la cinta microstrip

Figura 1. Ventana TRL.
En los campos Z0 y E se ingresan los valores adecuados, luego en el campo junto al botón “Synthesis” se ingresa la frecuencia de trabajo de la microcinta. Las características de la microcinta son W = 1.0722 mm y P =27.0624 mm.
7. Cambiar los parámetros de impedancia y frecuencia en la calculadora y analizar su efecto en el diseño de la microcinta.
Tabla Variación de W (mm) y P (mm) en función de Z0 (Ω)



Figura 1. Ancho vs Impedancia

Figura 1. Largo vs Impedancia

En las figuras 1.6 y 1.7 se muestra la variación de los parámetros W y P respecto a Zo, manteniendo la frecuencia y la longitudeléctrica constantes. Se puede concluir de estas pruebas lo siguientes:
La relación entre W respecto a Zo es inversamente proporcional.
La variación de P respecto a Zo es directamente proporcional.
El parámetro W cambia considerablemente con Zo, observe que para una variación de aproximadamente 200 de Zo se dio una variación de aproximadamente 134 para W. Aunque, a medida que Zo aumenta, lavariación de W respecto a esta decrece.
La variación de P respecto a Zo es mucho menor si se compara con la variación de W respecto a Zo. En este caso también se nota que a medida que aumenta Zo la variación decrece.

Tabla Variación de W (mm) y P (mm) en función de f (GHz)



Figura 1. Ancho vs Frecuencia central

Figura 1. Largo vs frecuencia central


En las figuras 1.8 y 1.9 semuestra la variación de los parámetros W y P respecto a la frecuencia. Debido a que se hizo un extenso barrido de frecuencia (desde 0.1 GHz hasta 100 GHz) el eje x es logarítmico.
El parámetro W prácticamente no varía desde 0.1 GHz hasta casi 10 GHz, pero después de esto varia de manera más fuerte. Sin embargo, si se compara la variación en frecuencia contra la variación en W, se puede decir...