MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits)

Los circuitos MMI o MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) son un tipo de circuitos integrados que operan en frecuencias de microondas, es decir, entre 300 MHz y 300 GHz. La técnica de fabricación de los circuitos MMIC se basa en la utilización de líneas de transmisión planares, y se realiza con compuestos de semiconductores compuestos, tales como el arsenurio de galio (GaAS), nitrato de galio (GaN) y el germanio de silicio (SiGe).

Las entradas y salidas de los dispositivos MMIC se adaptan, generalmente, con una impedancia característica de 50 ohmios. Esto facilita el uso de dichos dispositivos, así como su uso en forma de cascada, ya que no requieren red de adaptación externa. Adicionalmente, la mayoría de los equipamientos de pruebas de microondas se diseñan para operar en unas condiciones de 50 ohmios.

Los MMIC son dimensionalmente pequeños (desde 1 mm2 a 10 mm2) y pueden ser producidos a gran escala, lo que ha facilitado su proliferación en dispositivos de alta frecuencia, como pueden ser los teléfonos móviles.

• Historia

Entre 1930 y 1960 la tecnología de microondas consistía en la utilización de guías de ondas para la creación de circuitos, lo que conllevaba que el proceso de fabricación fuese largo y costoso. La revolución aparece sobre 1960 con la aparición de la tecnología planar y la producción de materiales dieléctricos más baratos y con menos pérdidas, dando lugar a la tecnología MIC (Microwaves Integrated Circuits).

Ésta tecnología evoluciona a los MIC monolíticos (MMIC) cuando en 1975 Ray Pengelly y James Turner publican su estudio “Monolithic Broadband GaAs FET Amplifiers”, convirtiéndose así en los padres e inventores de los MMIC. Cuando trabajaban en Plessey diseñaron un amplificador de una sola etapa con una ganancia de 5 dB en la banda X que usaba puertas de escritura óptica de 1 micrón. Usaban sistemas de optimización por ordenador para diseñar su elemento, haciendo uniones de estructuras. El proceso de “backside” todavía no había sido inventado, así que los FET tenían toma de tierra externa.

Los primeros MMIC se fabricaron de Arseniuro de Galio (GaAs), el cual tiene dos ventajas fundamentales frente al Silicio (Si), que es el material tradicional para la fabricación de circuitos integrados: la velocidad del dispositivo y el sustrato semi-aislante. Este tipo de circuito usa una solución cristalina para el dieléctrico y la capa activa. El GaAs es útil gracias a su capacidad para trabajar en altas frecuencias y a que su alta resistividad evita interferencias entre dispositivos. Esto permite la integración de dispositivos activos (radiofrecuencia), líneas de transmisión y elementos pasivos en un único sustrato.

En los años 80, la Agencia de Proyectos Avanzados de Investigación de Defensa (DARPA) empezó a realizar un gran esfuerzo para obtener un mayor desarrollo de los circuitos integrados de microondas para sustituir los tubos, cavidades y dispositivos discretos usados en sistemas de telecomunicación y radar. Bajo contratación de DARPA, Northrop Grumman Corporation (antiguamente TRW) consiguió producir con éxito MMICs de GaAs usando Transistores de Alta Movilidad Electrónica (HEMT) y Transistores Bipolares de Unión Heterogénea (HBT).

En los primeros MMICs, todos los circuitos estaban hechos con GaAs MESFET, diodos IMPATT (Impact Ionization Avalanche Transit Time) y diodos varactores, pero con la maduración de la tecnología GaAs se incrementa el uso de Hits, HEMTs y PHEMTs en aplicaciones nicho. En la siguiente tabla se tiene los circuitos usados comúnmente en cada dispositivo, además de los fallos originados en la mayoría dispositivos activos de los MMIC.

• Fabricación

Desde hace unas cuantas décadas, los circuitos de microondas de estado sólido eran fabricados exclusivamente en base a componentes discretos que incluían dispositivos de circuitos activos de semiconductor como transistores y diodos. Incluso hoy, el mercado es compartido entre los antiguos diseños y los nuevos. Mientras que los componentes discretos son hechos en base a tecnologías bipolares de silicio, los circuitos MMIC son hechos principalmente de arseniuro de galio (GaAs).

Los circuitos MMIC ofrecen mejoras de ancho de banda sobre los circuitos hechos en base a componentes integrados. La razón de esto es que se evitan pérdidas eléctricas y capacidades parásitas al poderse colocar las redes de acoplamiento más próximamente a los transistores. Este efecto produce un gran avance en la fiabilidad de las aplicaciones que requieren un gran número de elementos. En estas aplicaciones cada módulo del sistema de arrays puede necesitar cerca de tres chips que incorporen amplificadores de potencia, amplificadores de bajo ruido y desplazadores de fase. Los beneficios de la integración de aplicaciones de microondas hasta ahora han sido exclusivamente para los dispositivos de arseniuro de galio. Una razón de que el arseniuro de galio haya sido elegido para este tipo de aplicaciones es que este material tiene una alta movilidad de electrones que incrementa el rendimiento de los dispositivos a altas frecuencias. Mientras que los transistores bipolares pueden ser utilizados a frecuencias de microondas, los circuitos integrados que tienen una movilidad de electrones más baja son generalmente inferiores en frecuencias de microondas. La movilidad de los electrones no es el único parámetro a favor del arseniuro de galio. La gran capacidad de aislamiento del arseniuro de galio también debe ser tomada en cuenta. Ordinariamente el material de silicio es varios órdenes de magnitud más conductivo que el arseniuro de galio limitando esta característica la ganancia máxima que puede estar disponible a altas frecuencias por dispositivos de silicio. Este aislamiento inhibe corrientes parásitas entre electrodos de transistores en el mismo chip que de otra forma afectarían su rendimiento como un circuito de microondas integrado.

Históricamente, y a pesar de los avances en arseniuro de galio descritos más arriba, la utilización de este materias a gran escala ha sido lento debidos a los problemas de fabricación. Estos problemas han incluido la indisponibilidad de material de substrato de arseniuro de galio de gran calidad. Métodos de fabricación no orientados hacia las obleas de rápida respuesta que en silicio han tendido hacia la evolución de una tecnología de fabricación competitiva, y los problemas básicos con un compuesto de semiconductor frente a uno simple. Estos se reflejan en la dificultad del procedimiento de control y ceden en mantenimiento que afecta al coste por unidad. Además de esto la fragilidad física y química del material que hace más compleja la fabricación incluso desde sus inicios. Las obleas de arseniuro de galio se destacan por su fragilidad que desemboca en que sólo la mitad de las obleas sobreviven desde las primeras pruebas de radiofrecuencia. Mientras que la industria de silicio se orienta hacia las obleas de 200 mm, el arseniuro de galio están disponibles desde los 75 mm de diámetro con un coste muy superior al silicio. Hoy en día la producción de arseniuro de galio es una pequeña parte del mercado para dispositivos de silicio. Por lo tanto la penalización en costes asociada con el mayor rendimiento del arseniuro de galio es un punto en contra.

Un subconjunto de la tecnología CMOS es llamada SOI (Silicon On Insulator). Durante la última década, las implementaciones de SOI se han convertido en las preferidas para fabricar circuitos integrados de señal de alta radiación. Un subconjunto de SIO es el SOS (Silicon On Sapphire). Esta tecnología conduce al endurecimiento de los requisitos para mejorar el aislamiento electrónico de los componentes en el substrato. En particular, la distribución del exceso de electrones creada por el bombardeo de radiación es confinada a fin de evitar que cause sobrecargas o errores “débiles”. La misma técnica ofrece una gran mejora en frecuencia. Aun así el problema con la tecnología SOS es que posee una interfaz electrónica imperfecta entre el aislante sobre la que el silicio se deposita y el mismo silicio. Esto resulta en un efecto de “canal de lagunas”. Mientras que las imperfecciones relacionadas con este efecto no dificultan la radiación por sí solas, tienden a deteriorar el dispositivo con respecto a su rendimiento habitual y pueden afectar gravemente las especificaciones normales del circuito. Este efecto puede ser particularmente desastroso en frecuencias de microondas ya que limita la ganancia máxima disponible. Aparte de estas limitaciones el grosor mínimo del dispositivo que puede ser aislado es una contrapartida. Sin embargo hoy en día hay alternativas al silicio sobre zafiro.

En los últimos años una nueva tecnología de materiales de silicio SOI se ha desarrollado. Se llama “Separación por Implantación en Oxígeno” (SIMOX). Para hacer una oblea en esta tecnología se implanta una gran cantidad de oxígeno sobre la sperficie de la oblea. Templando esta superficie convierte esta superficie en una película de cristal aislante. La ventaja de esta técnica sobre el SOS es la disminución del grosor de la capa activa confinando los efectos de la radiación de ionización. Los efectos del efecto de lagunas también es minimizado. Sin embargo, aunque los dispositivos activos están desacoplados del substrato literalmente, permanecen acoplados en cuanto a efectos de capacitancia y por tanto unos con respecto a otros en frecuencias de microondas a causa de las propiedades conductivas del substrato. En otras palabras, a pesar de la capa de aislamiento, inclusive los dispositivos SIMOX no son idóneos para su utilización en circuitos de microondas debido a que el silicio bajo la capa de aislamiento tiene propiedades conductivas a frecuencias de microondas.

A fin de aumentar el rendimiento y disminuir la limitación de costes de las tecnologías actuales, esta técnica permite mejorar la fabricación de circuitos monolíticos en silicio que son capaces de operar en frecuencias de microondas se utilizará un sustrato de silicio de alta resistividad , que se obtiene con una técnica de zona flotante que implanta una capa de aislamiento cerca de su superficie superior, preferiblemente SIMOX. Se forja un plano conductivo en el fondo del sustrato y se forja un circuito en la capa activa de silicio que permanece sobre la capa SIMOX de aislamiento.

Las tecnologías que incrementan el rendimiento en altas frecuencias del MICROX comprenden:

• Una superficie inferior de rectificación de contacto.
• Replicación de circuitos usando litografía.
• Bajo coste microstrip.
• Capa de nitrato en el fondo de la oblea durante el procesamiento CMOS.

Este método de fabricación se llama MICROX. Esta técnica conlleva unos costes más de fabricación sobre silicio de circuitos integrados que son operativos a frecuencias de gigahercios. Como toda tecnología basada en silicio, MICROX saca partido de la amplia infraestructura de fabricación que conllevan los dispositivos modernos. Para aplicaciones que necesitan de un gran número de dispositivos como los sistemas de comunicaciones modernos, la implementación de dispositivos MICROX puede hacer disponible grandes cantidades de circuitos integrados para aplicaciones de microondas.

Quizás la ventaja más importante de GaAs es que sus electrones son acelerados a velocidades más altas, por lo que atraviesan el canal de transistor en menos tiempo. Esta mejora de la movilidad de electrones es la propiedad fundamental que permite trabajar a frecuencias más altas y velocidades de conmutación más rápidas. Mientras que la principal razón de hacer transistores de GaAs es la mayor velocidad en el funcionamiento, que se consigue con una frecuencia máxima de operación más alta o velocidades de conmutación más altas, las propiedades físicas y químicas de GaAs hacen que su empleo en la fabricación de transistores sea difícil. Los inconvenientes del GaAs son una conductividad térmica inferior y un coeficiente de expansión térmica más alto que el silicio y el germanio. Sin embargo, como las nuevas aplicaciones de mercado exigieron el funcionamiento más alto que podría ser alcanzado sólo con la máxima dinámica de los electrones de GaAs, estos obstáculos han sido vencidos. Los mercados que llevaron a los avances en el crecimiento del material y las técnicas de fabricación de semiconductores de GaAs son la industria de defensa y espaciales. Estas requirieron sistemas con circuitos de frecuencia más alta para radares, comunicaciones seguras, y sensores. La madurez de GaAs condujo a la aparición de nuevos mercados, como redes locales inalámbricas (WLANs), sistemas de comunicación personales (PCSs), el satélite de difusión directa (DBS) la transmisión y la recepción por el consumidor, sistemas de posicionamiento global (GPS) y la comunicación global celular. Estos mercados comerciales requirieron la introducción de tecnología basada en GaAs para encontrar utilidades a los sistemas que no eran alcanzables con el silicio y el germanio. Una desventaja del GaAs es el coste y la disponibilidad respecto al silicio. Existen muchas reticencias en lo relativo al uso del GaAs como pueden ser: -El entendimiento de los mecanismos a la hora de implementar sistemas de silicio es más sencillo -El coste del GaAs es mucho más elevado que el del silicio -El uso del silicio en sistemas de baja frecuencia, y en sistemas de integración a gran escala ha desarrollado técnicas muy fuertes para producción industrial. Sin embargo cuando el coste de fabricación es comparado al funcionamiento, el valor añadido al sistema al usar tecnología GaAs en la mayoría de los casos justifica los pagos producidos por el aumento del coste de fabricación. Al tiempo que WLAN, PCS, DBS, el GPS, y mercados celulares crecen, el coste para fabricar GaAs disminuirá, y la duda de usar GaAs más que el silicio dependerá de la capacidad de GaAs de satisfacer las necesidades técnicas del mercado.

Los diodos PIN (p-type-insulator-n-type) de GaAs no estaba disponible para los diseñadores de MMIC. Ésta se debía a su rápida velocidad de transferencia, su alto voltaje de corte y a una resistencia variable perjudicial.

Esta indisponibilidad de las regiones tipo-p del GaAs cambiaron con el GaAs HTB MMIC. Con el buen rendimiento de los HBTs, la implantación de iones tipo-p y el crecimiento MBE se están incorporando ahora a las fábricas de producción de GaAs. Mediante el uso de la capa base p+, la región colectora n-, y la capa de contacto ohmica del colector n+ del HBT, como se muestra en la figura, los MMIC con diodos PIN se pueden fabricar fácilmente en la línea de fabricación de GaAs HBT.

• Tecnología SIGe

Es un tecnología innovadora que ofrece menos ruido que otras alternativas de silicio y rendimiento comparables a los dispositivos más caros GaAs.

Con esta nueva tecnología se aumentará enormemente la sensibilidad del sistema, y los usuarios de 3G, GPS, televisión móvil o dispositivos portátiles no sólo encontrarán funciones como la recepción de datos de alta velocidad, navegación o los servicios de televisión descritos en el manual, sino que además podrán usar esas características, incluso en condiciones difíciles, por ejemplo, en el interior de un edificio o espacios cerrados.

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

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Bibliografia: http://es.wikipedia.org/wiki/MMIC

DESARROLLO Y APLICACIÓN DE ALGORITMOS GENÉTICOS EN EL DISEÑO DE CAVIDADES MULTIMODO EN PROCESOS DE CALENTAMIENTO POR MICROONDAS

Autor: DOMÍNGUEZ TORTAJADA ELSA.

Año: 2005.

Universidad: POLITÉCNICA DE CARTAGENA [Más tesis de esta universidad] [www.upct.es].

Centro de lectura: UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA.

Centro de realización: UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA..

Resumen: El contenido de la tesis está centrado en la optimización de diferentes diseños de sistemas de calentamiento por microondas cn la intención de conseguir mejoras en el funcionamiento y calida de los procesos. En las aplicaciones de calentamiento industrial es muy valioso conseguir diseños eficientes in necesidades de implementarlos físicamente en busca del que ofrezca mejores prestaciones, ya que económicamente sería prácticamente inviable. Por ello es importante la utilización de herramientas de optimización junto con simuladores electromagnéticos que nos ofrezcan la posibilidad de investigar en este sentido. Los dos objetivos abordados en la tesis son la adaptación del magnetrón a la carga y la uniformización de campo eléctrico sobre la muestra que debe calentarse. Estos dos objetivos son especialmente interesantes en calentamiento con microondas porque de ellos depende la eficiencia del porceso y la calidad de los productos tratados. Primeramente se realiza un análisis de las características del calentamiento dieléctrico y del diseño de un sistema de calentamiento por microondas, donde se incluye un estado del arte de los métodos utilizados para conseguir la adaptación y la uniformización de campo perseguidas. A continuación se presenta la técnica de optimización, los Algoritmos Genéricos, que presentan unas características adecuadas para el diseño electromagnético. El optimizador se encargará por tanto de explorar el espacio de soluciones en busca de los parámetros de diseño que satisfagan el objetivo propuesto en cada caso. Para ello establece una comunicación con un simulador electromagnético comercial que le reporta la información necesaria para determinar la idoneidad de cada modelo. Con el propósito de que el sistema fuera lo más real posible, se han considerado muestras de diferentes materiales, todos ellos susceptibles de tratamiento con microondas e igualmente se han utilizado tipos diferentes de cavidades y configuraciones. Se han analizado diseños de muli-alimentación en los que se averiguan la posición óptima de las guías que alimentan la cavidad, sistemas de alimentación compuestos de ranuras en lo que se optimiza su posición, orientación e incluso dimensiones. Por otro lado, se analiza la posibilidad de rodear la muestra que se pretende calentar con diferentes capas dieléctricas que se optimizan en grosor y propiedades. Por último, seplantea la inserción de elementos en el interior de la cavidad de diferente tamaño y material, que también es optimizada en busca de los objetivos anteriormente expuestos. Todos estos diseños se han optimizado para conseguir cada uno de los objetivos de adaptación y uniformidad de campo y se han conseguido resultados extraordinariamente satisfactorios. Posteriormente un diseño concreto, en el que se investiga la alimentación con una guía, ha sido optimizado para la consecución de varios objetivos simultáneamente. En este caso la solución hallada es resultado de un compromiso entre todos ellos. A pesar de las provechosas y demostradas ventajas del calentamiento mediante microondas, algunas industrias todavía no se deciden a sustituir sus sistemas tradicionales de calentamiento. Esta tesis permite demostrar que es posible diseñar sistemas que satisfagan los objetivos que se deseen y con ello se puede fomentar la generalización del uso de las microondas en la infinidad de posibles aplicaciones en las que pueden introducirse.

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

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Bibliografia: http://www.kriptia.com/FISICA/ELECTROMAGNETISMO/RADIOONDAS_Y_MICROONDAS/1

Microondas

Se denomina microondas a las ondas electromagnéticas definidas en un rango de frecuencias determinado; generalmente de entre 300 MHz y 300 GHz, que supone un período de oscilación de 3 ns (3×10-9 s) a 3 ps (3×10-12 s) y una longitud de onda en el rango de 1 m a 1 mm. Otras definiciones, por ejemplo las de los estándares IEC 60050 y IEEE 100 sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 1 cm a 100 micrometros

El rango de las microondas está incluido en las bandas de radiofrecuencia, concretamente en las UHF (ultra-high frequency, frecuencia ultra alta en español) (0.3 – 3 GHz), SHF (super-high frequency, frecuencia super alta) (3 – 30 GHz) y EHF (extremely high frequency, frecuencia extremadamente alta) (30 – 300 GHz). Otras bandas de radiofrecuencia incluyen ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda que las microondas. Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda —en el orden de milímetros— se denominan ondas milimétricas, radiación terahercio o rayos T.

La existencia de ondas electromagnéticas, de las cuales las microondas forman parte del espectro de alta frecuencia, fueron predichas por Maxwell en 1864 a partir de sus famosas Ecuaciones de Maxwell. En 1888, Heinrich Rudolf Hertz fue el primero en demostrar la existencia de ondas electromagnéticas mediante la construcción de un aparato para producir ondas de radio.

• Generación

Las microondas pueden ser generadas de varias maneras, generalmente divididas en dos categorías: dispositivos de estado sólido y dispositivos basados en tubos de vacío. Los dispositivos de estado sólido para microondas están basados en semiconductores de silicio o arsenuro de galio, e incluyen transistores de efecto campo (FET), transistores de unión bipolar (BJT), diodos Gunn y diodos IMPATT. Se han desarrollado versiones especializadas de transistores estándar para altas velocidades que se usan comúnmente en aplicaciones de microondas.

Los dispositivos basados en tubos de vacío operan teniendo en cuenta el movimiento balístico de un electrón en el vacío bajo la influencia de campos eléctricos o magnéticos, entre los que se incluyen el magnetrón, el Klistrón, el TWT y el girotrón.

• Usos

El Active Denial System (ADS, Sistema Activo de Rechazo) es un proyecto del Ejército de los Estados Unidos en fase de desarrollo para el uso de microondas como arma no letal. El ADS produciría un aumento de la temperatura corporal de un individuo situado a una distancia de hasta 500 metros, mediante el mismo sistema que utiliza un horno microondas.

Una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno de microondas, que usa un magnetrón para producir ondas a una frecuencia de aproximadamente 2,45 GHz. Estas ondas hacen vibrar o rotar las moléculas de agua, lo cual genera calor. Debido a que la mayor parte de los alimentos contienen un importante porcentaje de agua, pueden ser fácilmente cocinados de esta manera.

En telecomunicaciones, las microondas son usadas en radiodifusión, ya que estas pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores. También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio. Usualmente, las microondas son usadas en programas informativos de televisión para transmitir una señal desde una localización remota a una estación de televisión mediante una camioneta especialmente equipada. Protocolos inalámbricos LAN, tales como Bluetooth y las especificaciones de Wi-Fi IEEE 802.11g y b también usan microondas en la banda ISM, aunque la especificación 802.11a usa una banda ISM en el rango de los 5 GHz. La televisión por cable y el acceso a Internet vía cable coaxial usan algunas de las más bajas frecuencias de microondas. Algunas redes de telefonía celular también usan bajas frecuencias de microondas.

En la industria armamentística, se han desarrollado prototipos de armas que utilicen la tecnología de microondas para la incapacitación momentánea o permanente de diferentes enemigos en un radio limitado.

La tecnología de microondas también es utilizada por los radares, para detectar el rango, velocidad y otras características de objetos remotos; o en el máser, un dispositivo semejante a un láser pero que trabaja con frecuencias de microondas.

Las cámaras de RF ejemplifican el gran cambio que recientemente ha surgido en este tipo de tecnologías. Desempeñan un papel importante en el ámbito de radar, detección de objetos y la extracción de identidad mediante el uso del principio de imágenes microondas de alta resolución, que consiste, esencialmente, en un transmisor de impulsos para iluminar la tarjeta, un auto-adaptador aleatorio de fase seguido por un receptor de microondas que produce un holograma a través del cual se lee la información de la fase e intensidad de la tarjeta de radiación.

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

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Bibliografia: http://es.wikipedia.org/wiki/Microondas

Linea de Transmision

Las ondas planas uniformes, son ejemplos de propagación de ondas sin guías (libremente), en el sentido de que una vez que se han propagado en una dirección, dentro de un bloque infinito de material, continúan propagándose en la misma dirección. De acuerdo con lo anterior, las líneas de transmisión (al igual que las guías de onda) se utilizan para guiar la propagación de la energía de un punto a otro.

Así pues, una línea de transmisión se puede definir como un dispositivo para transmitir o guiar energía de un punto a otro. Usualmente se desea que la energía sea transportada con un máximo de eficiencia, haciendo las pérdidas por calor o por radiación lo más pequeñas posible.

Las líneas de transmisión pueden ser de muchas formas y tamaños. Es conveniente clasificarlas en base a las configuraciones de sus campo E y H, es decir, en base a los modos que pueden transmitir. De esta manera, las líneas de transmisión se pueden dividir en dos grupos principales:

1) Las que son capaces de transmitir el modo Transversal Electromagnético (TEM). Del cual se desprenden las O.P.U.

2) Las que son capaces de transmitir únicamente modos de orden más alto.

En un modo TEM ambos, el campo eléctrico y el campo magnético, están completamente en la dirección de propagación. No hay componente ni de E, ni de H en la dirección de transmisión. Por ejemplo, si la dirección de transmisión es en Z, entonces las únicas posibilidades para la dirección de E y de H serían Ex y Hy ó Ey y Hx. La única diferencia con las O.P.U. es que en el modo TEM E y H no necesariamente son independientes de su posición en el plano formado por XY (el cual es transversal a Z). Mientras que en las O.P.U. E Y H sí deben ser independientes de su posición en estos planos (esto es la característica de uniformidad).

Los modos de más alto orden siempre tienen al menos una componente, de alguno de los campos en la dirección de transmisión.

Todas las líneas de dos conductores como el cable coaxial o el cable de dos hilos son ejemplos de líneas que transmiten el modo TEM o simplemente de líneas TEM; mientras que las guías de onda huecas, de un solo conductor, son ejemplos de líneas de modos más altos.

En resumen:

1) Línea modo TEM.- E y H son totalmente transversales a la dirección de transmisión. Ejemplos: todas las líneas de dos conductores.

2) Línea modo de más alto orden.- E ó H ó ambos tienen componentes en la dirección de transmisión. Ejemplos de modos de más alto orden son el modo TM, el modo TE. Ejemplos de este tipo de líneas de transmisión son las guías de onda huecas de un solo conductor o las líneas trifásicas.

En el ámbito electrónico el término "línea" o "línea de transmisión" usualmente se utiliza únicamente para hacer referencia a los dispositivos que pueden transmitir modo TEM, mientras que el término "guía" o "guía de onda" se utiliza para hacer referencia a los dispositivos que pueden transmitir modos de más alto orden.

A continuación se muestra el diagrama utilizado para representar una línea de transmisión y en seguida se mostrarán algunas analogías útiles entre las O.P.U. y las líneas de transmisión:

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Bibliografia: http://www.monografias.com/trabajos16/lineas-de-transmision/lineas-de-transmision.shtml

Introduction to Rectangular Waveguides

Rectangular waveguides are th one of the earliest type of the transmission lines. They are used in many applications. A lot of components such as isolators, detectors, attenuators, couplers and slotted lines are available for various standard waveguide bands between 1 GHz to above 220 GHz.

A rectangular waveguide supports TM and TE modes but not TEM waves because we cannot define a unique voltage since there is only one conductor in a rectangular waveguide. The shape of a rectangular waveguide is as shown below. A material with permittivity e and permeability m fills the inside of the conductor.

A rectangular waveguide cannot propagate below some certain frequency. This frequency is called the cut-off frequency.

Here, we will discuss TM mode rectangular waveguides and TE mode rectangular waveguides separately. Lets start with the TM mode´

• TM Modes

 Consider the shape of the rectangular waveguide above with dimensions a and b (assume a>b) and the parameters e and m. For TM waves Hz = 0 and Ez should be solved from equation for TM mode;

                   Ñ2xy Ez0 + h2 Ez0 = 0

Since Ez(x,y,z) = Ez0(x,y)e-gz, we get the following equation,

If we use the method of separation of variables, that is Ez0(x,y)=X(x).Y(y) we get,

Since the right side contains x terms only and the left side contains y terms only, they are both equal to a constant. Calling that constant as kx2, we get;

where ky2=h2-kx2

Now, we should solve for X and Y from the preceding equations. Also we have the boundary conditions of;

Ez0(0,y)=0

Ez0(a,y)=0

Ez0(x,0)=0

Ez0(x,b)=0

From all these, we conclude that

X(x) is in the form of sin kxx, where kx=mp/a, m=1,2,3,
Y(y) is in the form of sin kyy, where ky=np/b, n=1,2,3,

So the solution for Ez0(x,y) is

From ky2=h2-kx2, we have;

From these equations, we get

where

Here, m and n represent possible modes and it is designated as the TMmn mode. m denotes the number of half cycle variations of the fields in the x-direction and n denotes the number of half cycle variations of the fields in the y-direction.

When we observe the above equations we see that for TM modes in rectangular waveguides, neither m nor n can be zero. This is because of the fact that the field expressions are identically zero if either m or n is zero. Therefore, the lowest mode for rectangular waveguide TM mode is TM11 .

Here, the cut-off wave number is  

At a given operating frequency f, only those frequencies, which have fc

The mode with the lowest cut-off frequency is called the dominant mode. Since TM modes for rectangular waveguides start from TM11 mode.

• TE Mode 

Consider again the rectangular waveguide below with dimensions a and b (assume a>b) and the parameters e and m.

For TE waves Ez = 0 and Hz should be solved from equation for TE mode;

Ñ2xy Hz + h2 Hz = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

Since Hz(x,y,z) = Hz0(x,y)e-gz, we get the following equation,

If we use the method of separation of variables, that is Hz0(x,y)=X(x).Y(y) we get,

Since the right side contains x terms only and the left side contains y terms only, they are both equal to a constant. Calling that constant as kx2, we get 

 

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

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Bibliografia: http://www.ee.bilkent.edu.tr/~microwave/programs/magnetic/rect/info.htm

Diseño de Filtros de Microondas por Sintesis y Optimizacion

Actualmente están disponibles varias técnicas y metodologías para el diseño de filtros de microondas. Se pueden encontrar en la literatura artículos que revisan el estado del arte en este campo, los cuales habilitan a los diseñadores para seleccionar el método más conveniente para diversas aplicaciones y topologías de filtros.

Todos estos métodos de diseño generalmente consisten de dos pasos secuenciales: primero se resuelve un problema de síntesis usando técnicas típicamente provenientes de la síntesis de redes con parámetros concentrados, y luego se establece un equivalente adecuado entre el circuito sintetizado y la estructura real distribuida que se va a construir, permitiendo dimensionar físicamente la estructura. Anteriormente, el segundo paso por lo general se realizaba mediante un modelado circuital simple (aproximado) de la estructura física del filtro. En la actualidad, la tendencia es hacia aprovechar las técnicas de optimización y sacar ventaja de los simuladores electromagnéticos (EM) de onda completa disponibles, los cuales pueden analizar la estructura física completa de muchos filtros.

La optimización es una herramienta muy poderosa, pero debe ser aplicada juiciosamente. De hecho, sin un buen punto inicial (i.e., las dimensiones inicialmente asignadas a la estructura física a ser optimizada), hasta el más elegante procedimiento de optimización puede ser incapaz de encontrar una solución aceptable. Más aún, colocar un simulador electromagnético de propósito general dentro de un ciclo típico de optimización de simulación circuital es, por lo general, un error. Para cualquier número razonable de variables, el tiempo de simulación electromagnética es por lo general prohibitivo. El propósito de este trabajo es mostrar algunas formas de mezclar el dimensionamiento aproximado de filtros (basado en síntesis de redes) y la optimización (basada en modelado EM), para un diseño rápido y exacto.

Primero revisamos la síntesis de filtros pasa-banda de anchos de banda estrechos o moderadamente estrechos, y presentamos algunos ejemplos de dimensionamiento aproximado. En seguida introducimos la optimización de filtros eléctricos con rizo uniforme, y presentamos un método muy eficiente para la optimización de filtros prototipo basados en simulación electromagnética.

• 
  
  Diseño de Filtros de Microondas por Síntesis

Síntesis Aproximada de Filtros Pasa-Banda con Anchos de Banda Estrechos o Moderados

La aplicación directa de técnicas exactas para la síntesis de redes es posible sólo en unos cuantos casos, debido a que existen restricciones impuestas por la estructura física que constituye al filtro. Para hacer más viable el paso de la síntesis, se han desarrollado algunas técnicas aproximadas para filtros de banda estrecha; la más ampliamente utilizada está basada en el trabajo de Cohn , posteriormente revisada y extendida por Matthaei et al. , en donde se introduce el uso del elemento inversor junto con la equivalencia de banda estrecha entre resonadores concentrados y distribuidos, basada en el parámetro de la pendiente de la reactancia (o de la susceptancia). El uso de estas técnicas aproximadas de síntesis proporciona resultados muy satisfactorios para filtros con anchos de banda estrechos o moderados (en algunos casos hasta de un 20% de ancho de banda normalizado), y por lo tanto son adecuadas para muchas aplicaciones prácticas de filtros de microondas pasa-banda.

Usando la teoría actual de circuitos, la síntesis de filtros pasa-banda generalmente se lleva a cabo en el dominio de la frecuencia normalizada Ω, a través de adecuadas transformaciones en frecuencia pasa-banda/pasa-bajas. En este dominio, la banda de paso es definida entre 0 y 1, mientras que la banda de rechazo es mapeada de Ωa al infinito. La transformación más popular para definir el dominio normalizado Ω proviene del mundo de los resonadores concentrados y se define como:

donde f es la frecuencia en el dominio pasa-banda, f0 es la frecuencia central de la banda de paso (dada por el promedio geométrico de los límites de la banda de paso), y B es el ancho de la banda de paso. Como es bien sabido, la anterior transformación también arroja resultados aceptables para filtros con resonadores distribuidos, siempre y cuando el ancho de banda normalizado (B/f0) no exceda 0.1 ~ 0.2, dependiendo del tipo de filtro a diseñar.

La síntesis del prototipo pasa-bajas se realiza en el dominio transformado mediante la imposición de las especificaciones para la banda de paso y la banda de rechazo, las cuales típicamente se definen mediante la máscara de atenuación y la pérdida de retorno en la banda de paso. En el caso de los filtros con únicamente polos de transmisión (sin ceros de transmisión en las bandas de rechazo), los elementos del filtro pueden ser evaluados analíticamente mediante el uso de tablas y fórmulas, una vez que se selecciona la característica específica de filtrado (Chebyshev, Butterworth, etc.). Si los requerimientos de selectividad implican ceros de transmisión en la banda de rechazo, se debe seleccionar una topología específica del filtro que implemente dichos ceros. Éstos típicamente se realizan mediante acoplamientos entre resonadores no adyacentes, o mediante resonadores parásitos adecuadamente introducidos en la estructura del filtro.

En este caso, la síntesis del filtro se hace más complicada, aunque están disponibles en la literatura varias referencias que describen posibles técnicas y métodos, algunas de las cuales están basadas en optimización.

Las redes prototipo sintetizadas que se emplean en el diseño de filtros de microondas típicamente emplean inversores ideales de impedancia o admitancia. Es posible obtener para el prototipo una topología ya sea serie o paralela, de acuerdo al tipo de inversor empleado (impedancia o admitancia). Los elementos reactivos son capacitores para la topología paralela, e inductancias para la topología serie. Los valores de los elementos reactivos se pueden elegir arbitrariamente (aunque usualmente se establecen unitarios), y los resultados de la síntesis son representados mediante los parámetros del inversor y mediante la inmitancia invariante en frecuencia conectada en serie o en paralelo con los elementos reactivos (estos se requieren en el caso de una respuesta asimétrica en frecuencia). Adicionalmente, las cargas externas generalmente se suponen iguales a 1.

En la Figura 1 mostramos una topología genérica del prototipo usando una representación simbólica: cada nodo azul representa a un elemento reactivo unitario (capacitancia o inductancia) en serie o en paralelo con una inmitancia invariante en frecuencia (Mii); los segmentos rectos representan los inversores (Mij).

El prototipo pasa-bajas puede describirse matemáticamente por la llamada matriz de acoplamientos normalizada M, la cual está constituida por los elementos definidos arriba (se supone que Mij = Mji). El orden de M es N + 2, siendo N el número de elementos reactivos en el prototipo (i.e., el orden del filtro). Notar que M es una matriz simétrica y real; en el caso de filtros síncronos con únicamente polos de transmisión (sin ceros de transmisión en las bandas de rechazo), sus elementos son iguales a cero excepto aquellos en las primeras dos subdiagonales (Mi,j+1). 

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

C.I: 19769430     CRF

Bibliografia:  www.mtt.org/dl/index.php?S12_Swanson.pdf

Proponen un nuevo método para el diseño de filtros de microondas

¿Qué tiene en común un horno microondas con los radares, las comunicaciones por satélite, la telefonía móvil o los sistemas inalámbricos? Todos ellos utilizan microondas y ondas milimétricas en su funcionamiento. Israel Arnedo Gil, Ingeniero de Telecomunicación por la UPNA, ha propuesto un nuevo método para diseñar filtros de microondas, unos dispositivos esenciales para controlar la cantidad de energía y el tiempo que ésta tarda en ir de un punto a otro del sistema. Su trabajo de investigación ha recibido la calificación de Sobresaliente cum laude y le ha permitido mejorar determinadas aplicaciones y obtener una patente internacional en explotación.

Foto de Israel Arnedo

Los circuitos de microondas y ondas milimétricas se utilizan para generar, procesar y detectar señales electromagnéticas en un rango de frecuencia determinado —entre 1GHz y 300 GHz—. Sus aplicaciones son muy diversas: el radar (localización de personas, predicción del tiempo, control de tráfico aéreo o terrestre), la transmisión de información (telefonía, televisión, internet o datos) mediante enlaces terrestres de microondas (sistemas de repetidores) y espaciales (comunicaciones por satélite), los sistemas inalámbricos de comunicaciones, el calentamiento de alimentos y materiales y los receptores de alta sensibilidad para radioastronomía.

Según señala Israel Arnedo, todo este sinfín de aplicaciones necesita un elemento fundamental: el filtro de microondas. Su función, de modo muy simplificado, es dejar pasar unas ondas electromagnéticas y bloquear otras. El objetivo de su tesis doctoral ha sido mejorar algunas aplicaciones y lo ha conseguido mejorando las herramientas con las que se diseñan esos filtros.

“Estableciendo un paralelismo con la televisión —explica este investigador— podría decirse que si hasta ahora las técnicas de elaboración de filtros eran en blanco y negro, las técnicas de síntesis que he desarrollado han traído el color”. Entre las ventajas de su método frente a las técnicas clásicas, señala que “se obtienen soluciones para problemas que no los tenían; se obtienen soluciones más robustas de cara a la fabricación y producción en masa; y las soluciones obtenidas proporcionan mayor flexibilidad en los diseños”.

• Resultados exitosos para dispositivos clave

Las herramientas de síntesis diseñadas por Israel Arnedo Gil han sido utilizadas con éxito en tres grupos de aplicaciones: en la tecnología UWB (Ultra-Wideband), en el sector espacial y en el procesado de señales de radar.

La tecnología UWB se presenta como una evolución de las comunicaciones inalámbricas, al proporcionar mucha más flexibilidad de uso y servicios. Es también clave para implementar sistemas avanzados de seguridad (radio vigilancia) y de detección bajo tierra (personas sepultadas por terremotos, minas antipersona, etc). Por eso, es de vital importancia que el diseño de emisores y receptores sea óptimo. En colaboración con el Institute National de la Recherche Scientifique INRS-EMT y la McGill University en Montreal, Canadá, donde Israel Arnedo realizó una estancia de investigación de seis meses, diseñó dos dispositivos que pueden ser claves para la generación (emisor) y recepción (receptor) de señales UWB.

En cuanto al sector espacial, el modo en que las estaciones en la tierra y los satélites se comunican debe ser óptimo para que la calidad de la señal recibida (por ejemplo, la televisión en nuestros hogares) sea alta. “En este sentido, se ha propuesto una técnica robusta para el diseño de filtros, que ofrece mejoras frente a los utilizados en la actualidad, tanto desde el punto de vista de servicio como desde los costes”, indica.

Por último, para aplicaciones de radares con gran ancho de banda, las herramientas propuestas han permitido diseñar un dispositivo óptimo para el procesado analógico de señales a gran velocidad, lo que amplía las posibilidades de esta tecnología desde el punto de vista práctico.

Fuente: Universidad Pública de Navarra

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

C.I: 19769430     CRF

Bibliografia: http://www.plataformasinc.es/index.php/esl/layout/set/print/Noticias/Proponen-un-nuevo-metodo-para-el-diseno-de-filtros-de-microondas

Microstrip

El Microstrip es un tipo de línea de transmisión eléctrica que pueden ser fabricados utilizando placa de circuito impreso [PCB], y se utiliza para transmitir señales de microondas .

Consiste en una franja de conducción separada de la franja de masa por una capa de sustrato dieléctrico. Componentes de Microondas ,tales como antenas, acopladores, filtros, divisores, etc pueden formarse a partir de microstrip, haciendo dicho componente como una metalización sobre el sustrato. El Microstrip hasta ahora es más barato que la tecnología tradicional de guía de onda, además de ser mucho más ligero y compacto.

Las desventajas de microstrip en comparación con la guía de onda son : su baja capacidad de manejo de energía y el hecho de tener mayores pérdidas. Además, a diferencia del microstrip; no está cerrada, y por lo tanto es susceptible de captar gran cantidad de ruido

Para abaratar costos, los microstrips pueden ser construidos sobre un sustrato ordinario FR4 (estándar PCB). Sin embargo, se encontró que las pérdidas dielectricas en FR4 son demasiado elevados a nivel de microondas, y que la constante dieléctrica no está suficientemente bien controlada.

Las líneas de Microstrip también se utilizan en diseños PCB digitales de alta velocidad, donde las señales deben ser enrutadas de una parte a la otra con la mínima distorsión posible, evitando el ruido y las interferencias de radiación

• Permitividad relativa efectiva

La onda electromagnética llevada por un microstrip existe, en parte, en el sustrato dieléctrico, y en parte en el aire sobre él. En general, la constante dieléctrica del sustrato será mayor que la del aire, de modo que la onda viaja en un medio no homogéneos. En consecuencia, la velocidad de propagación se halla en algún punto entre la velocidad de las ondas de radio en el sustrato, y la velocidad de las ondas de radio en el aire. Este comportamiento se describe comúnmente declarando la constante dieléctrica efectiva (o permitividad efectiva relativa ) del microstrip, lo que la constante dieléctrica de un medio homogéneo equivalente (es decir, un resultado de la misma velocidad de propagación).

• Impedancia característica

Forma aproximada de la expresión de impedancia característica de un microstrip desarrollado por Wheeler

Ilustracion de Microstrip y formulas, tomadas de Linx Technologies document "SC Series Transceiver Module Design Guide"

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

C.I: 19769430    CRF

Bibliografia: http://es.wikipedia.org/wiki/Microstrip

Christopher Bartram RF Design

Chris Bartram has a lifetime's experience of radiofrequency circuit design, gained largely while working as an independent consultant. This breadth of experience allows him to look creatively at engineering problems, and provide novel and cost-effective solutions.

• Skillset

Chris is fundamentally a circuit designer, although he sometimes finds it difficult to draw a line between systems and circuits! In recent years, much of his energy has been directed into a number of 'difficult' areas associated with modern high performance transmitter and receiver design:

• Power amplifier design. From mW to kW. Applications have included instrumentation, CDMA, TETRA, AM and digital airband (VDL) services, SSB and constant amplitude modulation schemes to several GHz. This has included the application of broadband technologies with multi-decade frequency respose and the development of physical designs using modern materials, devices and manufacturing techniques to produce highly competitive and reproducible products. 
• Transmitter linearisation technologies. Chris has been involved in complex feedback linearisation techniques (on-frequency feedback, IF feedback, and cartesian feedback), and predistortion.
• Digital and analogue transmitter design. The implementation of transmitters in the digital domain, and particularly techniques for economically integrating linearisation technologies into medium bandwidth transmitters employing digital technology is of considerable interest. Areas of expertise in the analogue area include low-noise transmitter design. 
• Receiver Design. Particularly high linearity and low-noise receiver front-end design. Chris has had a substantial interest in this area for decades, and has an armoury of techniques at his disposal.
• Frequency synthesiser design. Including mixed DDS/phase-lock synthesis, fractional-N synthesisers and oscillator design.
• Antenna Design. Although not fundamentally an antenna engineer, Chris has considerable experience of antenna design, especially the design of efficient compact antennas integrated into equipment.
• Digital design. Although Chris has experience of digital design, it is not a strong point and he does not offer it professionally. However, he has extensive contacts with digital hardware, software and DSP specialists, and can usually suggest links to experts within these fields.
• Lecturing. Chris has lectured on post-graduate/CPD courses in RF Design at the University of Essex, for the Low Power Radio Association, Radio Frequency Investigation Limited and the Institute of Printed Circuits.
• Other areas of interest have included Low Power Radio design, and industrial uses of RF technology and support to the scientific community.

CBRFD is always happy to consider the design of one-of-a-kind projects, and to provide complete turnkey solutions for very short run and one-off experimental projects.

• Facilities

CBRFD has very adequate lab. facilities. The equipment available includes spectrum analysers, vector network analysers, high-performance signal generators, and sweeper, noise figure measurement sources and receivers, instrumentation power amplifiers, power-meters and digital millivoltmeters. There is also a good selection of passive RF devices including stub and slug tuners, couplers, power and precision attenuators, and loads up to 2.5kW. Measurements can be made at thermal extremes. Much of the equipment is is IEC625/IEEE488 linked.

CBRFD is also fortunate to have more than adequate open-site antenna and EMC test facilities, with a purpose-built 20 x 40m open-air test site. This is complemented by several additional acres of suitable land.

Computing facilities are based on a group of hetrogeneously networked MS Windows and Linux machines with firewall and up-to-date anti-virus protection. A mix of proprietary (Agilent/Eagleware Genesys, Protel, B2 Spice, NEC4WINVW, EZNec, Sonnet, Mathcad) and Open-Source (Open Office, QCad, Kicad, MuPAD, and GNU Octave - an Open Source application capable of running MATLAB scripts) software provides maximum flexibility. Outputs to customers are provided in standard formats (*.pdf, *.doc, *.xls, *.dxf, Gerber/RS274X etc.) wherever possible.

CBRFD is located near Carmarthen in south-west Wales in an RF quiet, rural environment. Fast modern roads are less than 10mins away. Travel times are typically 1hr 45min to the Severn Bridge, 3hrs to Reading, and Birmingham, and 4hrs to London. A wide range of domestic and international flights are available to Cardiff and Swansea.

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

C.I: 19769430   CRF

Bibliografia: http://www.christopherbartramrfdesign.com/

Microwave Circuit Design

Microwave Circuits are composed of distributed elements with dimensions such that the voltage and phase over the length of the device can vary significantly.

By modifying the lengths and dimensions of the device, the line voltage (and current) amplitude and phase can be effectively controlled in a manner to obtain a specifically desired frequency response of the device.

Microwave Circuits are used to design microwave amplifiers, oscillators, filters, power dividers/combiners, multiplexers, antennas and mixers.

The necessary tools for the analysis and design of microwave circuit devices require an understanding of: transmission lines, two-port networks (Z, Y, ABCD Parameters), network theory (S-parameters), impedance matching, and filter design. Much of the course will develop a deeper understanding of these fields while integrating specific applications of microwave circuit design.

1) Wireless Communications (cellular, PCS)

2) Wireless Networking

3) Digital Communications (Ground-Ground, Satellite-Ground, Satellite-Satellite)

4) Radar Systems (ground based, airborne, personal vehicles) – Target detection and identification, imaging

5) Deep Space Communications

6) Medical Imaging and treatment

7) Radio Spectrometry

What is the Microwave Circuit Designer’s Duty for Wireless Systems?

• Designing filters, mixers, amplifiers, oscillators, matching networks, packaging, and system level design of the Analog and Digital Systems
• Designing the antennas and matching networks
• Propagation Affects (multipath, signal diversity)

What are the principal future challenges?

• Miniaturized and low cost microwave circuitry (applies to cellular, PCS, GPS, on-board radar).
• Direct hand held unit communication with low earth orbit and mid earth orbit satellites
• Direct high-speed digital communication with low earth orbit and mid earth orbit with portable computers.
• Miniature high-power amplifiers with low signal to noise ratios, miniature high-Q filters, novel printed antennas, new packaging technology for combining RF and digital circuitry, reducing parasitics, improved modeling and analysis capabilities

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

C.I: 19769430   CRF

Bibliografía: http://www.engr.uky.edu/~gedney/courses/ee523/notes/Set1_Intro.pdf

La carta de Smith

La carta de Smith es un tipo de nomograma, usado en ingeniería eléctrica, que muestra cómo varía la impedancia compleja de una línea de transmisión a lo largo de su longitud. Se usa frecuentemente para simplificar la adaptación de la impedancia de una línea de transmisión con su carga.

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  Definición

La carta de Smith es un diagrama polar especial que contiene círculos de resistencia constante, círculos de reactancia constante, círculos de relación de onda estacionaria constante y curvas radiales que representan los lugares geométricos de desfase en una línea de valor constante; se utiliza en la resolución de problemas de guías de ondas y líneas de transmisión.

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  Origen

Fue inventada por Phillip Smith en 1939 mientras trabajaba para RCA, aunque el ingeniero japonés Kurakawa inventó un dispositivo similar un año antes. El motivo que tenía Smith para hacer este diagrama era representar gráficamente las relaciones matemáticas que se podían obtener con una regla de cálculo. La carta de Smith fue desarrollada en los Laboratorios Bell. Debido a los problemas que tenía para calcular la adaptación de las antenas a causa de su gran tamaño, Smith decidió crear una carta para simplificar el trabajo. De la ecuación de Fleming, y en un esfuerzo por simplificar la solución del problema de la línea de transmisión, desarrolló su primera solución gráfica en la forma de un diagrama rectangular. Phillip persistió en su trabajo y el diagrama fue desarrollado gradualmente con una serie de pasos. La primera carta rectangular fue limitada por la gama de datos que podría acomodar. En 1936 desarrolló un nuevo diagrama que eliminó la mayoría de las dificultades. La nueva carta era una forma coordinada polar especial en la cual todos los valores de los componentes de la impedancia podrían ser acomodados. Las curvas del cociente constante de la onda de la situación, de la atenuación constante y del coeficiente de reflexión constante eran todos los círculos coaxiales con el centro del diagrama. Las escalas para estos valores no eran lineales, pero eran satisfactorias. Con el tiempo la gente que trabaja en este ámbito propuso las cartas para solucionar problemas de las líneas de transmisión.

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  Usos de la carta de Smith

La carta de Smith es una herramienta gráfica usada para relacionar un coeficiente de reflexión complejo con una impedancia compleja. Se puede utilizar para una variedad de propósitos, incluyendo la determinación de la impedancia, la adaptación de la impedancia, la optimización del ruido, la estabilidad y otros. La carta de Smith es una ingeniosa técnica gráfica que virtualmente evita todas las operaciones con números complejos. Por ejemplo, se puede determinar la impedancia de entrada a una línea de transmisión dando su longitud eléctrica y su impedancia de carga.

El resultado importante es el hecho de que el coeficiente de reflexión de tension y la impedancia de entrada a la línea normalizada en el mismo punto de la línea, están relacionados por la carta de Smith. En la parte exterior de la carta hay varias escalas. En la parte exterior de la carta está una escala llamada "ángulo del coeficiente de reflexión en grados", a partir de ésta se puede obtener directamente el valor del argumento del coeficiente de reflexión.

Un par de escalas de suma importancia son las que relacionan la longitud de la línea de transmisión desde el inicio con el coeficiente de reflexión. Una de estas dos escalas está en el lado izquierdo de la carta de Smith y la otra corre en el sentido de las manecillas del reloj, ésta se denomina wavelengths toward generator (longitudes de onda hacia el generador), lo cual indica que si se utiliza esta escala se estará avanzando hacia el generador, hacia la entrada de la línea. La otra escala corre en sentido contrario de las manecillas del reloj y se denomina wavelenghts toward load (longitudes de onda hacia la carga); esto indica que, si se utiliza esta escala, se estará avanzando hacia la carga o final de la línea.

En el fondo de la carta hay un conjunto de varias escalas, una de las cuales se denomina Reflection coeff. Vol (Coeficiente de reflexión del voltaje). Si se mide la longitud del vector, trazado siempre desde el origen, se puede utilizar esta escala para conocer la magnitud del coeficiente de reflexión del voltaje.

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  Precisión de la carta

La escala angular en el borde tiene divisiones de 1/500 de una longitud de onda (0,72 grados) y la escala del coeficiente de reflexión se puede leer a una precisión de 0,02, con lo que se demuestra que es absolutamente suficiente para la mayoría de los propósitos. Por ejemplo, si la longitud de onda en cable coaxial en 1 GHz es 20 centímetros, la carta de Smith localiza la posición a lo largo del cable a 20/500 centímetros o 0,4 milímetros y resulta claro a cualquier persona que ha manejado el cable en el 1GHz que no puede ser cortado a esta precisión. Si se requiere mayor precisión, una sección agrandada de la carta se puede hacer fácilmente con una fotocopia.

NOTA:La carta es periódica con la longitud eléctrica, de periodicidad circular lambda / 2

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  Ventajas principales

Esta carta es una representación gráfica directa, en el plano complejo, del coeficiente de reflexión complejo. Es una superficie de Riemann, en que el coeficiente de reflexión es cíclico, repitiéndose cada media longitud de onda a lo largo de la línea. El número 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 dándo la vuelta 180 grados (simetría con el origen). El interior del círculo unidad representa el caso de reflexión de un circuito pasivo (en el origen no hay reflexión y en el borde, ρ=1, la reflexión es completa), por lo que es la región de interés más habitual. El movimiento a lo largo de la línea de transmisión sin pérdidas da lugar a un cambio del ángulo, y no del módulo o del radio de gamma. Así, los diagramas se pueden hacer fácil y rápidamente. Muchas de las características más avanzadas de los circuitos de microondas se pueden representar sobre la carta de Smith como círculos, por ejemplo, las regiones de la figura de ruido y de estabilidad de los amplificadores. El "punto en el infinito" representa el límite del aumento muy grande de la reflexión y, por lo tanto, nunca necesita ser considerado para los circuitos prácticos. Una proyección simple del lugar geométrico 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 través de la escala inferior correspondiente.

Publicado por: Jahir Alonzo Linares Mora

C.I: 19769430  CRF

Bibliografia: http://es.wikipedia.org/wiki/Carta_de_Smith