DISEÑO DE UN SISTEMA PARA EL CÁLCULO DE ACOPLAMIENTO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN PARA RADIO Y AUDIO FRECUENCIA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA[pic 1]

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

DISEÑO DE UN SISTEMA PARA EL CÁLCULO DE ACOPLAMIENTO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN PARA RADIO Y AUDIO FRECUENCIA

AUTOR:

Br. MARIA HERRERA

CIUDAD GUAYANA, MAYO DE 2021

CAPITULO I

El Problema

Planteamiento del problema

En las últimas décadas el sector de las telecomunicaciones ha ido en ascenso, en donde las redes inalámbricas han adquirido mayor relevancia, debido a su bajo costo y compatibilidad tecnológica, lo que al pasar el tiempo ha mejorado la eficiencia, coordinación y coherencia al momento de transmitir información, lo cual a permitido el desarrollo de nuevas aplicaciones de esta tecnología como base.

Como todos los sistemas de comunicación hay un receptor y un transmisor, donde su comunicación puede ser mediante una línea de transmisión (Cable coaxial o guía de onda), El acoplamiento entre la línea de transmisión y el receptor debe cumplir con unas particularidades que garantizan la máxima eficiencia en cuanto a la transferencia de potencia y la seguridad del elemento transmisor. Este acoplamiento se logra con varias tipos de circuitos eléctricos conocidos como redes de acoplamiento.

El cálculo de las redes de acoplamiento implica el planteamiento de sistemas de ecuaciones en variable compleja, razón por la cual el análisis de manera analítica conduce a un muy trabajoso trabajo algebraico, que en la mayoría de los casos es incompleto, pues o faltan ecuaciones o sobren variables, razón por la cual se hace necesario estimar o asumir variables para darle solución al sistema.

Es conocido el uso de métodos gráficos para resolver estos problemas, para el caso de los sistemas de radiocomunicaciones. Existe un método grafico conocido como Carta de Smith, nombre correspondiente con su creador, el Ing. Philliip. Smith en 1939, que permite el cálculo de sistemas de acoplamiento mediante un ábaco predeterminado mediante el uso de regla y compas. Este método proviene del modelo de Heaviside, un sistema de ecuaciones diferenciales conocido como las ecuaciones del telegrafista.

Estas ecuaciones pueden graficarse mediante software, introduciendo los parámetros de entrada, de manera tal que observando el lugar geométrico desarrollado en la pantalla se puede determinar los valores de los parámetros de salida necesarios para determinar los valores de la red de acoplamiento que se desea implementar.

Existen varios software para el cálculo de redes de acoplamiento, usando como base la cara de Smith o usando simulación a partir de las ecuaciones diferenciales, pero como es de esperarse no son de código abierto y están restringidos por licencias y derechos de autor.

Con este trabajo se propone un diseño de software para desarrollar un sistema de cálculo de acoplamientos, tomando como base la teoría de líneas de transmisión y en particular el método de la Carta de Smith, con la particularidad de un código abierto, ajustable y modificable para emprender mejoras  mediante versiones a futuro, de manera tal que la universidad cuente con herramientas propias, libre de licencias.

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un software para el diseño de redes de acoplamiento de líneas de transmisión para radio y audio frecuencia basado en la metodología de la Carta de Smith.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Estudiar la teoría de líneas de transmisión y las estrategias para el diseño de redes de acoplamiento.  
2. Determinar la plataforma de software más adecuada.
3. Desarrollar la primera versión del software.
4.  Determinar el alcance de la primera versión mediante el diseño de redes de acoplamiento de posible cálculo con el software diseñado.

JUSTIFICACIÓN

En el presente trabajo de investigación se enfocara en estudiar el funcionamiento de la carta de Smith para el diseño de redes de acoplamiento con la finalidad de desarrollar una herramienta de software de código abierto y reutilizable, con la  finalidad de liberar la dependencia de software con licencias y limitaciones de derechos de autor.

ALCANCE

Este trabajo abarca el diseño y proceso de diseño de un software para el cálculo de redes de acoplamiento de líneas de transmisión con cargas y frecuencias de cualquier valor. 

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

Antecedentes de la investigación

En un radioenlace la transferencia de energía se debe obtener con la mayor eficiencia posible, para lograr esto siempre debe buscarse un óptimo acoplamiento de impedancias, entre los diversos elementos que se encuentren en el sistema de comunicación. Cuando no se acoplan las impedancias, una parte importante de la energía recibida o transmitida se va a reflejar en la línea de transmisión dando como resultado a ondas estacionarias, las cuales no contribuyen con energía útil para el sistema ocasionando además distorsiones en la señal que viaja mediante la onda electromagnética y perdidas por calentamiento. Para que una antena radie la mayor cantidad de potencia, sus dimensiones deben estar alrededor de una longitud de onda. Físicamente las dimensiones de las antenas se sitúan alrededor de 1/8 de la longitud de onda y la longitud de onda completa.

En el diseño de antenas se prioriza la efectividad, es decir que emita en mayor cuantía la energía que llegue a ella y capte la mayor energía posible para las frecuencias deseadas.

Una onda electromagnética en espacio libre o vacío viaja a una velocidad de propagación de 3 × 108 m/s. La velocidad de propagación cambia de acuerdo al medio.

Un dato muy importante para entender el comportamiento de la línea de transmisión y las dimensiones de la antena es la longitud de onda, que para el grado de las microondas resulta ser pequeña.

Una antena de radio, se caracteriza por convertir la energía electromagnética, que proviene de un generador por medio de una línea de transmisión o guía de onda, en una energía electromagnética que se propaga en el espacio como medio, también destaca por adaptar la impedancia interna del generador a la impedancia del espacio.

Los parámetros para el diseño de antenas, generalizan conceptos dentro de dimensiones y formas, parámetros eléctricos y mediciones características. Una antena está formada por un conductor, cuyas dimensiones van de acuerdo a ciertos parámetros principalmente de frecuencias y otras características, estos parámetros y sus definiciones son enunciadas a continuación: Impedancia característica (𝑍0), Altura o longitud efectiva (λ), Coeficiente de onda, Longitud eléctrica (λ), Factor de atenuación, Resistencia de radiación, Inductancia, Capacidad, Q (factor de calidad) y ancho de banda (Hz), Reactancia, Impedancia de entrada, Directividad y Área efectiva.

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