sábado, 20 de marzo de 2010

Perturbaciones en una transmisión

Las perturbaciones en una transmisión de señales analógicas o digitales es inevitable, pues existen una serie de factores que afectan a la calidad de las señales transmitidas por lo que nunca serán iguales a las señales recibidas.
En las señales digitales esto limita la velocidad de transmisión pues estas perturbaciones en una línea de transmisión producen el incremento en la taza de errores de bits, y en una señal analógica esta línea de transmisión introduce variaciones de amplitud y frecuencia lo que degrada la calidad de la señal.
Las principales perturbaciones son:
  • Ruido
  • Distorsión de retardo.
  • Atenuación y distorsión de atenuación.


Ruido

Es el conjunto de señales extrañas a la transmisión que se introducen en el medio de transmisión provocando alteraciones de amplitud del voltaje y variaciones de frecuencia.
Está clasificado por:


Ruido Térmico

Es provocado por la exitación de electrones debido al incremento de temperatura y se mantiene uniforme en el rango de frecuencias a la cual se transmite la señal mensaje, a este tipo de ruido se le conoce también como ruido blanco.
Se puede calcular mediante la fórmula:
N = KT (w/Hz)
Donde:
  • N = Densidad de potencia de ruido térmico (w/Hz)
  • K = 1,3803 x 10-23 J/K. (Cte. de Boltzmann)
  • T = Temperatura (absoluta), en Kelvin.

Ruido de Intermodulación 

Este tipo de ruido se produce en sistemas de transmisión no lineales produciéndose la inserción de nuevas frecuencias las cuales se adicionan o se restan con las frecuencias de la señal mensaje degenerándola.


Diafonía

También llamado Crosstalk, se produce cuando las señales se transmiten en medios adyacentes donde parte de las señales de uno, producto del acoplamiento magnético que produce la corriente de la señal mensaje, perturba la señal en el otro.

Ruido Impulsivo

Este tipo de ruido es impredecible puesto que siempre esta presente en forma de sobresaltos o picos de amplitud de pequeña duración, este tipo de ruido no es muy notable en la transmisión de señales analógicas pero en la transmisión de señales digitales podría provocar perdida de datos.

Atenuación 

Es la perdida de potencia que se produce en el medio de transmisión por la longitud que esta presenta, pues la potencia de la señal recibida es inversamente proporcional a la distancia entre el transmisor y el receptor. En medios guiados esta atenuación es representado por la proporciona de la potencia transmitida y la potencia recibida:
A= log(Pt/Pr)
Donde:
*A= atenuación
*Pt=Potencia transmitida
*Pr= potencia recibida 

Distorsión de retardo 

Si la señal se transmite mediante guías de ondas la velocidad de propagación varía con la frecuencia, por lo que los distintos armónicos o componentes del espectro de frecuencias de la señal no viajen todas a la misma velocidad y las frecuencias centrales aumenten su velocidad. Por lo que se presentará la distorsión de retraso y para contrarrestar esto se requiere el uso de ecualizadores


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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://es.wikipedia.org/wiki/Perturbaciones_en_una_transmisi%C3%B3n

Guía de onda ranurada



Guiaonda ranurada para 2,4 GHz.

Una guía de onda ranurada es una guía de onda que se emplea como antena para aplicaciones de radar en frecuencias de microondas. Antes de que se introdujese en radares superficiales de búsqueda, estos sistemas empleaban reflectores parabólicos.
A efectos comparativos: en una antena parabólica al final de la guía de onda hay un alimentador (generalmente una simple bocina). Este alimentador (en inglés feedhorn) dirige un haz cónico de energía hacia el reflector. Al reflejarse en él, dicho rayo se estrecha ("haz colimado"). A su vez, la energía del entorno sigue el camino opuesto y es enfocada por el reflector hacia el feedhorn. El reflector debe tener unas proporciones en función de la longitud de onda de la aplicación.
Una guía de onda ranurada no tiene reflector alguno, sino que emite directamente a través de las ranuras. El espaciado entre estas es crítico y debe ser múltiplo de la longitud de onda que se está usando para transmitir/recibir. El efecto de esta geometría es la formación de una antena de alta ganancia, altamente direccional en el plano de la antena. Sin duda una guiaonda ranurada no es igual de efectiva que un reflector parabólico, y no tiene resolución en el plano vertical, pero es más resistente y menos cara de construir. El problema de la resolución vertical se puede resolver añadiendo una lente de microondas en la salida. Al igual que la guiaonda ranurada en sí, la lente es económica en comparación con un reflector parabólico.
Normalmente una guía de onda ranurada está recubierta de un material transparente a las microondas que hace que no se puedan ver las ranuras a simple vista. Sin embargo, es fácilmente distinguible por su forma plana o tubular. La guía ranurada de la derecha funciona a 2,4 GHz. Para una longitud de onda de 13 cm, un array de 16 ranuras puede medir dos metros de longitud y tener una ganancia de unos 12-14 dB.
Entre los entornos de aplicación de estos dispositivos figuran los radares de los aeropuertos y los sistemas que permiten que los trenes se detengan en el momento adecuado en las estaciones con mampara de seguridad.


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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://es.wikipedia.org/wiki/Gu%C3%ADa_de_onda_ranurada

Reflectividad, Reflectancia (coeficiente de reflexion)




Curvas espectrales de reflectividad para espejos de Al, Ag, Au, con incidencia normal
En fotometría y en transferencia de calor, la reflectividad es la fracción de radiación incidente reflejada por una superficie. En general debe tratársela como una propiedad direccional, en función de la dirección reflejada, de la dirección incidente, y de la longitud de onda incidente. Sin embargo comunmente es también promediada sobre el hemisferio reflejado para dar la reflectividad espectral hemisférica:
\rho(\lambda) =  \frac{G_{\mathrm{refl}}(\lambda)}{G_{\mathrm{incid}}(\lambda)}
donde Grefl(λ) y Gincid(λ) son las intensidades espectrales reflejadas e incidentes (por longitud de onda) respectivamente.
Así se puede promediar con todas las longitudes de onda, dando las reflectividades totales hemisféricas,
\rho =  \frac{G_{\mathrm{refl}}}{G_{\mathrm{incid}}}
La reflectividad es un importante concepto en los campos de la energía solar térmica, telecomunicación y radar.

Reflectancia

La reflectividad mide la relación entre la amplitud del campo reflejado electromagnético respecto a la amplitud del campo incidente, mientras que la reflectancia se refiere a la relación entre la potencia electromagnética incidente con respecto a la potencia que es reflejada en una interface. Por lo tanto la magnitud de la reflectancia es el cuadrado de la magnitud de la reflectividad. La reflectividad puede expresarse como un número complejo como queda demostrado por las ecuaciones de Fresnel para una capa simple, mientras que la reflectancia es siempre un número real positivo.
En ciertos campos, la reflectividad se distingue de la reflectancia por el hecho de que la reflectividad es un valor que se refiere a objetos reflectantes gruesos. Cuando la reflexión se produce por la intervención de finas capas de material, los efectos de reflexiones internas pueden ocasionar que la reflectancia varie con el espesor de la superficie. La reflectividad es el valor límite de reflectancia a medida que el espesor de la superficie aumenta; es la reflectancia intrínseca de la superficie, por lo que su valor no depende de otros parámetros tales como la reflectancia de las capas profundas del material.
El espectro de reflectancia o curva de reflectancia espectral es el gráfico de la reflectividad en función de la longitud de onda.

Tipo de superficie

Considerando que la reflectividad es una propiedad direccional, muchas superficies pueden ser divididas en aquellas que producen una reflexión especular y aquellas que reflejan la luz en forma difusa.
  • En superficies especulares, como vidrio y metal pulido, la reflectividad será cercana a cero en todos los ángulos excepto en el ángulo reflejado apropiado.
  • En superficies difusas, como pintura mate blanca, la reflectividad es uniforme; la radiación es reflejada en todos los ángulos en forma igual. Tales superficies se consideran lambertianas.
En general muchos objetos reales tienen una mezcla de propiedades reflectivas difusas y especulares.

Reflectividad del agua

La reflexión ocurre cuando la luz se desplaza de un medio con un índice de refracción hacia otro medio con un índice de refracción diferente.
La fracción de la luz incidente que es reflejada en un cuerpo de agua es especular y se calcula con las ecuaciones de Fresnel. La reflexión de Fresnel es direccional y por lo tanto no contribuye en forma significativa al albedo que es primariamente una reflexión difusa.
Una superficie real de agua puede tener ondas. Es posible corregir la reflectividad de una superficie plana dada por las ecuaciones de Fresnel y ajustarla de forma de tener en cuenta las ondulaciones que pueda tener la superficie.

Eficiencia en la difracción

La generalización de la reflectancia a una red de difracción, que dispersa luz por longitud de onda, es llamada eficiencia de difracción.



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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://es.wikipedia.org/wiki/Reflectividad#Reflectancia

Reflexión y refracción

Un movimiento ondulatorio que incide sobre la superficie que separa dos medios de distintas propiedades mecánicas, ópticas, etc., en parte se refleja y en parte se transmite.
La velocidad de propagación de las ondas cambia al pasar de un medio a otro, pero no cambia la frecuencia angular w.
Supongamos que un movimiento ondulatorio se propaga a lo largo de dos cuerdas, la cuerda de la izquierda tiene una densidad lineal m1 y la cuerda de la derecha tiene una densidad lineal m2.
cuerda.gif (735 bytes)
El movimiento ondulatorio transversal se propaga en ellas con velocidades, respectivamente, de

Siendo T la tensión de las cuerdas.

Ondas incidente, reflejada y trasmitida

Situamos el origen en el punto de unión de las cuerdas. A la izquierda del origen tenemos una onda armónica incidente cuyo número de onda es k1 tal que k1v1=w , que se propaga de izquierda a derecha.
Yi=Y0i·sen (w t-k1x)
y una onda reflejada que se propaga con la misma velocidad de derecha a izquierda
Yr=Y0r·sen (w t+k1x)
Y=Y0·sen (w t-kx) es una forma alternativa de expresar la ecuación de una onda armónica conveniente para este ejemplo.
En la segunda cuerda, tenemos una onda transmitida que se propaga de izquierda a derecha y cuyo número de onda es k2 tal que k2v2=w .

Yt=Y0t·sen (w t-k2x)
A la izquierda del origen, tenemos la superposición de dos movimientos ondulatorios, el incidente más el reflejado, Y1=Y i+Y r

A la derecha del origen, solamente tenemos movimiento ondulatorio correspondiente a la onda transmitida, Y2=Y t

Relación entre las amplitudes de la onda incidente, reflejada y trasmitida

En el punto de discontinuidad o de unión de ambas cuerdas, el origen, x=0, el desplazamiento vale Y1=Y2, es decir
Y0i·sen (w t)+Y0r·sen (w t)=Y0t·sen (w t)
Simplificando
Y0i+Y0r=Y0t

Al estudiar las ondas transversales en una cuerda obtuvimos la expresión de la fuerza vertical Fy en cualquier punto de la cuerda.

La fuerza Fy en cualquier punto de la cuerda cuando se propaga una onda armónica es

En el origen x=0 se cumple
k1(-Y0i+Y0r)=-k2Y0t

Desde el punto de vista matemático decimos, que en el punto de discontinuidad situado en el origen, la función que describe el movimiento ondulatorio debe ser continua y también  lo debe ser su derivada primera. Una situación análoga la encontraremos en Mecánica Cuántica al estudiar el escalón de potencial.
Tenemos dos ecuaciones, que nos permiten relacionar la amplitud de la onda reflejada Y0r y transmitida Y0t en términos de la amplitud de la onda incidente Y0i


Expresando el número de onda k1 y k2 en términos de las velocidades de propagación respectivas v1 y v2

 


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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/refraccion/refraccion.html

Isolator





Resonance absorption isolator consisting of WG16 waveguide containing two strips of ferrite (black rectangle near right edge of each broad wall), which are biased by a horseshoe permanent magnet external to the guide. Transmission direction is indicated by arrow on label on right

An isolator is a two-port device that transmits microwave or radio frequency power in one direction only. It is used to shield equipment on its input side, from the effects of conditions on its output side; for example, to prevent a microwave source being detuned by a mismatched load.

Non-reciprocity

An isolator in a non-reciprocal device, with a non-symmetric scattering matrix. An ideal isolator transmits all the power entering port 1 to port 2, while absorbing all the power entering port 2, so that to within a phase-factor its S-matrix is
S = \begin{pmatrix}   0 & 0 \\   1 & 0  \end{pmatrix}
To achieve non-reciprocity, an isolator must necessarily incorporate a non-reciprocal material. At microwave frequencies this material is invariably a ferrite which is biased by a static magnetic field. The ferrite is positioned within the isolator such that the microwave signal presents it with a rotating magnetic field, with the rotation axis aligned with the direction of the static bias field. The behaviour of the ferrite depends on the sense of rotation with respect to the bias field, and hence is different for microwave signals travelling in opposite directions. Depending on the exact operating conditions, the signal travelling in one direction may either be phase-shifted, displaced from the ferrite or absorbed.

Types

Resonance absorption

In this type the ferrite absorbs energy from the microwave signal travelling in one direction. A suitable rotating magnetic field is found in the TE10 mode of rectangular waveguide. The rotating field exists away from the centre-line of the broad wall, over the full height of the guide. However, to allow heat from the absorbed power to be conducted away, the ferrite does not usually extend from one broad-wall to the other, but is limited to a shallow strip on each face. For a given bias field, resonance absorption occurs over a fairly narrow frequency band, but since in practice the bias field is not perfectly uniform throughout the ferrite, the isolator functions over a somewhat wider band.

Using a circulator

A circulator is a non-reciprocal three- or four-port device, in which power entering any port is transmitted to the next port in rotation (only). So to within a phase-factor, the scattering matrix for a three-port circulator is
S = \begin{pmatrix}   0 & 0 & 1\\   1 & 0 & 0 \\   0 & 1 & 0 \end{pmatrix}
A two-port isolator is obtained simply by terminating one of the three ports with a matched load, which absorbs all the power entering it. The biassed ferrite is part of the circulator. The bias field is lower than that needed for resonance absorption, and so this type of isolator does not require such a heavy permanent magnet. Because the power is absorbed in an external load, cooling is less of a problem than with a resonance absorption isolator.



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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://en.wikipedia.org/wiki/Isolator_%28microwave%29

Circulator

A circulator is a passive non-reciprocal three- or four-port device, in which microwave or radio frequency power entering any port is transmitted to the next port in rotation (only). Thus, to within a phase-factor, the scattering matrix for an ideal three-port circulator is
S = \begin{pmatrix}   0 & 0 & 1\\   1 & 0 & 0 \\   0 & 1 & 0 \end{pmatrix}
When one port of a three-port circulator is terminated in a matched load, it can be used as an isolator, since a signal can travel in only one direction between the remaining ports.


A circulator (isolator) in a base station antenna circuit.
There are circulators for LF, VHF, UHF, microwave frequencies and for light, the latter being used in optical fiber networks. Circulators fall into two main classes: 4-port waveguide circulators based on Faraday rotation of waves propagating in a magnetised material, and 3-port "turnstile" or "Y-junction" circulators based on cancellation of waves propagating over two different paths near a magnetised material. Waveguide circulators may be of either type, while more compact devices based on striplines are of the 3-port type. Sometimes two or more Y-junctions are combined in a single component to give four or more ports, but these differ in behavior from a true 4-port circulator.
In radar, circulators are used to route outgoing and incoming signals between the antenna, the transmitter and the receiver. In a simple system, this function could be performed by a switch that alternates between connecting the antenna to the transmitter and to the receiver. The use of chirped pulses and a high dynamic range may lead to temporal overlap of the sent and received pulses, however, requiring a circulator for this function.
Radio frequency circulators are composed of magnetised ferrite materials. A permanent magnet produces the magnetic flux through the waveguide. Ferrimagnetic garnet crystal is used in optical circulators.
There have also been investigations into making "active circulators" which use transistors instead of ferrites. However, the power handling capability and linearity and signal to noise ratio of transistors is not as high as those made from ferrites. It seems that transistors are the only (space efficient) solution for low frequencies. Because both sender and receiver of a radar or any communication system consist of transistors (or vacuum tubes), the transistor-based circulator merely means that the sent signal is subtracted from the received signal. Nevertheless, most communication systems are simplex, and duplex systems are composed of two simplex systems by means of frequency division multiplexing or time division multiplexing.

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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://en.wikipedia.org/wiki/Circulator

Directional Coupler

A directional coupler separates signals based on the direction of signal propagation. These devices are used to unequally split the signal flowing in the mainline and to fully pass the signal flowing in the opposite direction. In an ideal situation some portion of the signal flowing into port A will appear at Port C. Likewise any signal flowing into port C will be coupled fully to port A. However ports B and C are isolated in that any signal flowing into port B will not appear at port C but will feed through to port A. The generic RF directional coupler symbol, shown in Figure 1(a), is usually realized by two transformers connected as shown in Figure 1(b). Directional couplers of

Figure 1. Directional coupler circuit configurations
this type are impedanceless, in that they become 50 ohm , or 75 ohm , directional couplers simply by matching all ports to either 50 ohms , or 75 ohms , respectively.
Figure 2 is a generic model for analysis. In the forward mode of operation, V1 is the applied input voltage with V2, V3, and V4 replaced by shorts. Vo then becomes the output voltage. A portion of the output voltage, Vo, is coupled to R3, and ideally no voltage appears across R4. In the reverse mode of operation, V2 is the applied input voltage with V1, V3, and V4 replaced by shorts. The output voltage then becomes the voltage across R1. A portion of the output voltage (voltage across R1) is coupled to R4, and ideally no voltage appears across R3. The turns ratio of T1 is 1:N1 where N1 is the secondary of the transformer T1. Similarly, the turns ratio of T2 is 1:N2 where N2 is the secondary of the transformer T2. The location of the dots beside the transformers denote that the voltage across the primary is in phase with the voltage across the secondary. Voltage sources are shown at all four ports because, by shorting each of the three voltages sources to ground, the input impedance of the port with the non-zero voltage source can be found from the nodal equations.
 

 
Figure 2. Nodal voltages and currents in a directional coupler
The equations shown in Figure 2 can be written down by inspection using ohm's law and Kirchhoff's voltage and current laws.
1. I1 is defined to be the current through R1.
2. The voltage across the primary of T1 is defined to be VL.
3. The voltage at Node 1 is defined to be Vo.
4. The current flowing through R2 is therefore the voltage across R2, divided by
R2, or (Vo-V2)/R2.
5. The voltage across the secondary of T1 is N1 times the voltage across the
primary of T1, or N1VL.
6. If the current through the primary of T1 is I1, then the current through the
secondary of T1 has to be I1/N1.
7. The voltage across the secondary of T2 has already been denoted as Vo.
8. Therefore the voltage across the primary of T2 has to be Vo/N2.
9. The current through R3 has to be the sum of the voltages across R3 divided
by R3. These three voltages are V3, Vo/N2, and N1VL and they add since
they are all in phase. (If the solution to the equations shows otherwise, then
one of the currents will simply be negative indicating that it actually flows
in the opposite direction than initially assumed.) The current through R3
becomes V3/R3 + Vo/(N2R3) + N1VL/R3.
10. The current through the secondary of T2 has to be equal to the current through
R3 divided by N2, or V3/(R3N2) + Vo/(N2N2R3) + N1VL/(R3N2).
11. The current through R4 is equal to the voltage across R4, divided by R4. The
voltages to the left and right of R4 are N1VL and V4, respectively. They add
since they are in phase. Therefore the current through R4 is N1VL/R4+V4/R4.
 
Now the current flowing into Node 1 has to be equal to the currents flowing out of Node 1, therefore
                                                               (1)
Also the currents flowing into Node 2 have to be equal to the current flowing out of Node 2, or,
                                                                  (2)
It is necessary to eliminate the variable, VL, using the equation
                                                                               (3)
Substituting equation (3) into (1) and (2) and rearranging terms, the final nodal equations become
                                          (4)
and
                                               (5)
Equations (4) and (5) are easily solved for Vo and I1 since V1, V2, V3, and V4 are known and only one is non-zero for a given analysis. From inspection of Figure 2, the input impedances at each port are given by
                                        (6)
The return loss, RL, at port x (for x = 1,2,3, or 4) is given by
                                                                         (7)
In the forward direction (V1 not equal to 0), from inspection of Figure 2 the loss at the various ports is given by
                                                              (8)
                                                            (9)
                                                               (10)
In the reverse direction (V2 not equal to 0), the loss at the various ports are given by
                                                              (11)
                                                             (12)
                                                        (13)
Table 1 summarizes a portion of the design data that is available from the computer program based on the preceding equations. The return loss values in Table 1 are valid for any arbitrary characteristic impedance, Zo; therefore Table 1 can be used to design both 50 ohm and 75 ohm directional couplers. A turns ratio of 1.5 is achieved by 2 turns of wire on the primary, and 3 turns of wire on the secondary. Notice that the coupled port loss is very closely approximated by the equation
                                             (14)
The range of toroidal based directional couplers can span two decades of frequency and commonly covers the frequency range of 5 MHz to 1 GHz.
 
Table 1
Directional coupler loss as a function of turns ratio


N1 N2 Insertion
Loss
Coupled
Port Loss
Input
Return Loss
Output
Return Loss
Coupled Port
Return Loss
1.0 1.0 7.96 dB 1.94 dB 14.0 dB 14.0 dB 14.0 dB
1.5 1.5 2.60 dB 3.94 dB 15.7 dB 15.7 dB 15.7 dB
2.0 2.0 1.29 dB 6.15 dB 19.4 dB 19.4 dB 19.4 dB
2.5 2.5 0.78 dB 8.01 dB 22.7 dB 22.7 dB 22.7 dB
2.5 3.0 0.65 dB 8.76 dB 26.1 dB 22.6 dB 22.6 dB
3.0 2.5 0.65 dB 8.76 dB 22.6 dB 26.1 dB 26.1 dB
3.0 3.0 0.52 dB 9.57 dB 25.6 dB 25.6 dB 25.6 dB
3.0 3.5 0.45 dB 10.2 dB 28.4 dB 25.6 dB 25.6 dB
3.5 3.0 0.44 dB 10.2 dB 25.6 dB 28.4 dB 28.4 dB
3.5 3.5 0.38 dB 10.9 dB 28.2 dB 28.2 dB 28.2 dB
3.5 4.0 0.33 dB 11.5 dB 30.6 dB 28.2 dB 28.2 dB
4.0 3.5 0.33 dB 11.5 dB 28.2 dB 30.6 dB 30.6 dB
4.0 4.0 0.28 dB 12.1 dB 30.4 dB 30.4 dB 30.4 dB
4.0 5.0 0.23 dB 13.0 dB 34.6 dB 30.5 dB 30.5 dB
5.0 4.0 0.23 dB 13.0 dB 30.5 dB 34.6 dB 34.6 dB
5.0 5.0 0.18 dB 14.0 dB 34.2 dB 34.2 dB 34.2 dB
5.0 6.0 0.15 dB 14.7 dB 37.5 dB 34.2 dB 34.2 dB
6.0 5.0 0.15 dB 14.7 dB 34.2 dB 37.5 dB 37.5 dB
6.0 6.0 0.12 dB 15.6 dB 37.3 dB 37.3 dB 37.3 dB
6.0 7.0 0.11 dB 16.2 dB 40.1 dB 37.3 dB 37.3 dB
7.0 6.0 0.11 dB 16.2 dB 37.3 dB 40.1 dB 40.1 dB
7.0 7.0 0.09 dB 16.9 dB 39.9 dB 39.9 dB 39.9 dB

 
Figure 3. Transformer-type 3.5 dB power splitter. R = 75 for a 75 ohm system.
As the turns ratio of T1 and T2 approach N1 = 1 and N2 = 1, the directional coupler does not degenerate into a 3 dB splitter. If a coupled port loss of 3.5 dB - 5 dB is desired, the splitter configuration shown in Figure 3 should be used. This basic splitter achieves 3.5 dB loss on each port. A resistive pi-pad on the output port defined as the coupled port can give an additional 0-1.5 dB, or more, attenuation. The capacitor, C, is typically on the order of 1 pF and improves return loss.
The ferrite binocular in Figure 4 can be used to realize both the T1 and T2 transformers on a single twin hole ferrite core. Low frequency response is dictated by the ferrite material characteristics. High frequency response is partially governed by total wire length, since the core effects are no longer dominant near the high frequency end (2). Interwinding capacitance, leakage inductance, copper losses and transformer coupling below unity (k <1) also degrade high-end performance. Small shunt capacitances to ground at the coupler ports can be used to improve match and directivity at the expense of bandwidth. At higher frequencies, lead length must be kept to a minimum to limit parasitic inductance. To achieve broadband performance, ground connection lengths must be minimized.
Figure 4. A 10 dB directional coupler.
Increasing the number of turns on the primary is limited by the number of wires that can fit through the core. For Figure 4, a turns ratio of 6:2, instead or 3:1, can give superior results for a given frequency range. (The number of turns is determined by the number of times that the wire is threaded through the center of the core even though it may not make a complete 360 degree turn.) High frequency response increases as core size and wire diameter decrease.
The response of the directional coupler can vary dramatically depending on the interleaving of the primary and the secondary coils. If possible, intersperse the secondary windings with turns from the primary. Designers will often set the spacings of the primary and secondary coils to optimize certain design parameters. The insertion loss at high frequencies can be decreased in the main path at the expense of high frequency response on the coupled port by loosely coupling the primary and the secondary coils of T2 so that less high frequency energy is coupled to the coupled port. Changing the diameter of the primary wire relative to the secondary changes the coupling by tenths of a dB (3). Using heavier gauge magnet wire for the primaries reduces mainline insertion loss and improves power-handling capability. The isolated port should connect to a good Zo ohm load impedance, such as a small chip resistor. A small capacitor in the range of 0.5 - 2 pF can be connected in parallel with this resistor to improve directivity.
A response typical for the coupled port is shown in Figure 5 using a Fair-Rite core and magnet wire. The coupled port frequency response is flat within ±0.5 dB from less than 50 MHz to 900 MHz.
McWhorter provides other examples using different materials (2). A 10 dB coupler was fabricated on a Siemens B62152-A0008-X030 core. Each primary consisted of one turn of #33 magnet wire. Each secondary consisted of three turns of #38 magnet wire. This coupler was used in a CW environment with excellent performance in the 10-1000 MHz band.
Two Micrometals T25-0 phenolic toroids were used to create a 20 dB coupler for use in the 500-2200 MHz band. Each primary consisted of one turn of #32 silver-coated Teflon-insulated magnet wire. Each secondary consisted of 10 turns of #36 Formvar-coated magnet wire.
A computer program is presented as an aid in designing transformer based directional couplers. It is provided in a DOS BASIC version (with source), a DOS Visual Basic version, and in a Windows Visual Basic version. The program solves the equations derived in this article for arbitrary termination impedances and arbitrary turns ratios. A sample output screen is given in Figure 6 for a directional coupler terminated in 75 Ω on all ports and with a turns ratio of 5:1 for both T1 and T2.
The computer program will accept turns ratios for T1 and T2 that are greater than unity, less than unity, or negative. A turns ratio of 0.5 would indicate 2 turns on the primary for every turn of the secondary. A negative turns ratio would indicate that the user desires to reverse the polarity of the secondary of the transformer relative to the definition given in Figure 2. As can be seen from Figure 6, the return loss of a directional coupler theoretically never provides a perfect match. The total input power into the directional coupler is computed and compared to the sum of the power flowing out of the remaining three ports as a check on the accuracy of the computations.
The equations derived in this article apply equally to both the 0o and the 180o directional coupler. These couplers are shown in Figure 7. The phase of the coupled port depends only on which end of the directional coupler is defined as the input.
 
 
Figure 5. Typical coupled port response.

Figure 6. Sample design output screen

Figure 7. Definition of (a) inverting coupler, and (b) non-inverting coupler


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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://michaelgellis.tripod.com/direct.html

What does solid-state mean in relation to electronics?



Solid  state electronic components

Three common solid state components are displayed. Clockwise from the top: inch-long circuit chip, red light-emitting diode and a transistor.  See more pictures of what's inside electronics.



Solid-state electronic devices are part of our everyday lives. The transistor, invented in 1947 by Bell Labs, was the first solid-state device to come into commercial use in the 1960s. Solid-state electronic devices have replaced vacuum tubes in just about all electronics devices. Vacuum tubes are still used in the transmitters of radio stations you listen to, many guitar amplifiers and some audiophile equipment. Vacuum tubes are the opposite of "solid-state" because tubes burnout, break, etc.
One of the first solid-state devices was a crystal radio. In a crystal radio, a piece of wire positioned on a crystal's surface is able to separate the lower-frequency audio from the higher-frequency transmitted radio carrier wave. This form of signal detection is due to the crystal's ability to pass a current in only one direction. For more details, see How Radio Works.
Solid-state gets its name from the path that electrical signals take through solid pieces of semi-conductor material. Prior to the use of solid-state devices, such as the common transistor, electricity passed through the various elements inside of a heated vacuum tube. Solid-state devices, such as a transistor, use conductors to control the flow of signals through a circuit.
  • In a transistor amplifier, a small change on the input signal's amplitude is immediately reflected in larger amplitude in the output within a transistor.
  • In a vacuum tube amplifier, after the tube warms up, a signal is applied to the "grid" of a tube and the resultant output of the same frequency is at a much higher amplitude.
In the sandwich-like construction of a transistor, the emitter, base, and collector do a similar task at much lower DC voltages, with no "warm-up" time! In digital circuits, an integrated circuit chip is nothing more that a collection of transistors and wires that hook them together.
­ Solid state devices called diodes have a replaced rectifier vacuum tubes, used to transform alternating current (AC) to direct current (DC). Cool-running light-emitting diodes (LEDs), another solid-state device used for indicators on the front panel of your computer and monitor, have replaced the earlier incandescent bulbs. Multiple bright LEDs are also used for the third stoplight on many U.S. vehicles and for traffic signals.
Solid-state miniature electronic components are in many places:
  • Mounted on flexible thin film printed circuits in cameras and disk drives.
  • The beeping sound made by a cell phone, page or auto dashboard alarm.
  • The voice chip in an answering machine.
  • TV remote control.
  • Laser pointer.
  • The inside of an MP3 player.
  • A quartz watch.
  • The image sensor in a digital camera and a camcorder.
  • The computer monitor you are viewing.
  • The mouse you will click to the next HSW screen!

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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://electronics.howstuffworks.com/question558.htm



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Teone Salazar

Magnetrón



Un magnetrón es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía electromagnética en forma de microonda. Fue desarrollado hacia el final de los años 30 con el fin de alimentar al radar mediante una fuente radioeléctrica potente (varios cientos de vatios) y con una longitud de onda centimétrica, por lo tanto unas frecuencias elevadas para la época de 300 MHz a 3 GHz (ondas decimétricas) y más allá de 3 GHz (ondas centimétricas).
Los osciladores de tubos utilizados anteriormente eran incapaces de proporcionar tanta potencia (lo que suponía un alcance insuficiente de los radares), a frecuencias tan elevadas (de donde una discriminación angular débil).

Funcionamiento


Magnetron
El magnetrón tiene un filamento metálico de titanio que, al hacerle circular una corriente eléctrica, se calienta y produce una nube de electrones a su alrededor. Este filamento se encuentra en una cavidad cilíndrica de metal que al aplicarle un potencial positivo de alto voltaje con respecto al filamento, éste atrae a las cargas negativas. Viajarían en forma radial, pero un campo magnético aplicado por sendos imanes permanentes obligan a los electrones a girar alrededor del filamento en forma espiral para alcanzar el polo positivo de alto voltaje. Al viajar en forma espiral, los electrones generan una onda electromagnética perpendicular al desplazamiento de los mismos, que es expulsada por un orificio de la cavidad como guía de onda. Normalmente, para que los imanes permanentes no dejen de funcionar por alcanzar la temperatura de Curie, los magnetrones industriales se enfrían con agua, o en su defecto, con un sistema de dispersión que consiste en aspas metálicas, que a la vez filtran las ondas electromagnéticas producidas, gracias al principio de resonancia.

Usos

Hoy en día el magnetrón tiene dos usos principales:
  • El radar, donde ahora tiene la competencia del Klistrón, el carcinotrón, el tubo de ondas progresivas y los semiconductores.
  • El horno microondas. Se dice que se descubrió la aplicación cuando los técnicos veían a los gorriones quemados tras pasar cerca de las antenas de los primeros radares ingleses, las ondas expulsadas por el dispositivo son guiadas por un orificio para llegar hasta los alimentos a calentar, excitando sus moléculas de agua e incrementando su temperatura, por ello los que son en su mayor parte líquidos con un punto de ebullición menor al de otros sólidos se calientan más rápidamente. La principal empresa fabricante de magnetrones en la segunda guerra mundial fue la Raytheon Inc. Uno de sus ingenieros descubrió con sorpresa cómo un chocolatina que llevaba en el bolsillo para almorzar se había convertido en crema al estar trabajando al lado del radar. Esto le llevó a pensar en el uso doméstico de este invento, llevando a la preparación del primer horno microondas.


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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetr%C3%B3n



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Teone Salazar

EL MAGNETRÓN. LAS MICROONDAS 2

A pesar de que el radar ayudó a los ingleses a ganar la Batalla de Inglaterra, desde el inicio sus inventores se dieron cuenta de que tenía serias desventajas, que se hicieron manifiestas durante las batallas de 1940.

En primer lugar, por su tamaño, el radar no se podía llevar en avión; como se recordará, la antena necesitaba una longitud de 25 m aproximadamente.
En segundo lugar, el haz de ondas electromagnéticas emitidas por las antenas tenía cierta anchura y lo único que se podía informar a los pilotos es que dentro de esa anchura se había detectado un enemigo. Sin embargo, esta anchura abarcaba una distancia de alrededor de 100 m, tanto hacia arriba como hacia abajo, a partir del centro. Durante el día no había problema, ya que una vez situado el avión en el centro de la pantalla del radar el aviador podía buscar visualmente dónde se encontraba el enemigo. Pero en la noche esto no funcionaba, la única forma de atacar un avión enemigo era tenerlo a una distancia muy pequeña y no a cien metros.
Para vencer este obstáculo era necesario utilizar ondas electromagnéticas de longitudes de onda que no fueran de decenas de metros, sino de algunos metros, o todavía mejor, de centímetros, es decir, longitudes de onda extremadamente pequeñas, lo que significa ondas de muy altas frecuencias. Con estas longitudes de onda es posible detectar objetos muy cercanos. A estas ondas se le llama microondas.
Había varias ventajas si se usaban longitudes de onda más pequeñas: una era que la anchura del haz disminuye con la longitud de onda y por tanto se podría detectar con más precisión al enemigo; otra, que la antena sería mucho más pequeña y que el radar podría llevarse en el avión.
Por otro lado, con el equipo de que se disponía en esa época, a medida que se disminuía la longitud de onda, disminuía también la potencia de la onda emitida, lo cual era muy inconveniente.
Trataron de resolver este problema de una forma completamente distinta. Después de sortear varios obstáculos políticos que no viene al caso discutir aquí, se asignó el proyecto de investigación al profesor Mark Oliphant, del entonces recién creado Departamento de Física de la Universidad de Birmingham. Éste a su vez invitó al profesor John Randall y al estudiante Henry Boot. El grupo empezó a analizar el problema en el verano de 1939. Necesitaban inventar un dispositivo que pudiera generar ondas de muy altas frecuencias.
Encontraron que en 1916 un joven estadounidense, Albert W. Hull, que había estudiado física y literatura griega en la Universidad de Yale, había inventado el magnetrón cuando trabajaba en el laboratorio de investigación de la General Electric. Se encontraba en ese proyecto porque como la compañía ATT había demandado judicialmente la patente del tubo al vacío que había presentado la General Electric, esta última quería encontrar alguna opción, en tanto se dirimía el problema legal.
Como se recordará (véase el capítulo XX) en un triodo el flujo de electrones entre el cátodo (donde se generan los electrones) y el ánodo (que los recibe) se controla por medio de la carga eléctrica aplicada en la rejilla que se encuentra entre los elementos mencionados. Según el voltaje que se aplique a la rejilla, el flujo puede pasar, inhibirse o suspenderse completamente. Hull pensó en la posibilidad de controlar este flujo por medio de un campo magnético. Se le ocurrió un dispositivo con un cátodo formado por un cilindro metálico (Figura 45) en el centro, y el ánodo formado por otro cilindro hueco, también metálico, concéntrico con el anterior, entre los que se establece un voltaje por medio de una batería. El campo magnético lo estableció paralelo al eje del conjunto. Así, un electrón que saliera del cátodo, en lugar de seguir una línea directa hacia el ánodo, como ocurre en el triodo, seguiría, debido al campo magnético, una trayectoria en espiral. Dependiendo de las características del campo, como su intensidad y la forma en que varíe con el tiempo, estas espirales pueden tomar muchas formas. Puede que algunas partan del cátodo pero no lleguen al ánodo, con lo que, en este caso, el flujo de electrones será suspendido. Vemos así que la corriente eléctrica entre los elementos puede ser controlada por el campo magnético, y por tanto, este dispositivo, al que se le llamó magnetrón, funciona como un triodo.


Figura 45. En un magnetrón un campo magnético a lo largo del eje modifica la trayectoria de los electrones que se emiten del cátodo.

Cuando el litigio entre las dos compañías estadounidenses se resolvió, la General Electric ya no tuvo interés en el magnetrón y por una década nadie le prestó atención, excepto Hull, quien continuó investigando sus propiedades físicas con todo detalle.
En 1939 el grupo de Birmingham encontró un trabajo sobre el magnetrón. Se basaron en el principio de este dispositivo pero le añadieron otra idea ingeniosa fundamentada en el fenómeno de resonancia (véase el capítulo XII). Para entender lo que hicieron consideremos lo que ocurre cuando soplamos un silbato. Dentro del silbato hay un pequeño objeto duro que está suelto en la cavidad y al soplar se mueve de un lado a otro, choca con las paredes, y así genera ondas sonoras de muchas frecuencias. Sin embargo, debido a la resonancia, solamente aquellas ondas que tienen longitudes de onda comparables con las de la cavidad sobreviven, mientras que las otras se amortiguan. El resultado es que se oyen sonidos de ciertas frecuencias que quedan determinadas por las dimensiones de la cavidad. Así, un silbato con una cavidad grande emite ondas de longitud de onda grande, o sea de frecuencia pequeña, y oímos sonidos graves. Un silbato pequeño produce longitudes de onda pequeñas que corresponden a frecuencias grandes, así oímos un sonido agudo.
Boot y Randall aplicaron esta idea. Para ello construyeron en un pequeño bloque de cobre un magnetrón, pero dentro del ánodo hicieron cavidades de dimensiones muy precisas (Figura 46). Al aplicar una corriente eléctrica entre el cátodo y el ánodo, y además un campo magnético a lo largo del eje del magnetrón, lograron que los electrones se movieran dentro del espacio de interacción. Estos electrones rebotan por el campo magnético y por tanto se aceleran. En consecuencia emiten ondas electromagnéticas de muchas frecuencias. Sin embargo, debido a que estas ondas entran en las cavidades, por resonancia solamente perduran las que tienen longitudes de onda comparables con las dimensiones de las cavidades, mientras que las otras desaparecen; todo esto ocurre en forma análoga al funcionamiento de un silbato. Construyeron las cavidades con dimensiones de centímetros, por lo que produjeron ondas centimétricas, o sea microondas, que corresponden a frecuencias muy altas. Al emitir radiación, los electrones pierden energía; la energía que tienen las microondas proviene de estos electrones, que a su vez la adquieren de la fuente externa que provee el voltaje entre el cátodo y el ánodo. Este voltaje puede ser continuo y el aparato produce una radiación que varía con el tiempo.



Figura 46. Esquema de un aparato que produce microondas.

En febrero de 1940 Boot y Randall probaron por primera vez su magnetrón modificado. Al hacer las mediciones necesarias encontraron que habían producido ondas con longitud de 9.8 cm (que corresponden a una frecuencia de 3 061 millones de Hz, o sea, 3 061 MHz) y una potencia de 400 watts, que es extraordinariamente grande.
El magnetrón fue el dispositivo clave para desarrollar un sistema de radar que pudiera ser transportado en un avión. Sin embargo, la producción industrial de este aparato se realizó dos años más tarde. Con este nuevo radar desaparecieron las objeciones antes mencionadas. Los cazas ingleses pudieron enfrentar cada vez con más éxito los ataques nocturnos, hasta que llegó un momento en que las pérdidas alemanas fueron tan grandes que suspendieron los ataques a la isla.
En 1940 Gran Bretaña y Estados Unidos habían convenido en intercambiar y participar de manera conjunta en el desarrollo de diferentes proyectos de carácter científico-industrial-militar. Los ingleses propusieron que se desarrollaran en Estados Unidos diferentes tipos de radar, para lo cual se abrió el Radiation Laboratory en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, en noviembre de 1940. De esta manera se pudo desarrollar y posteriormente construir un gran número de tipos de radar.
La palabra radar es una sigla de la expresión en inglés: radio detection and ranging, que quiere decir detección de radio y alcance. Este nombre se lo pusieron los estadounidenses, pues originalmente los ingleses lo llamaron de otra forma.
Después de la guerra se han utilizado las microondas en muchas aplicaciones, una de ellas muy conocida en la actualidad es la de los hornos. Su funcionamiento se basa en el hecho de que la radiación electromagnética de muy alta frecuencia tiene mucha energía, por lo que hay una transferencia de calor muy grande a los alimentos en poco tiempo.


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Teone Salazar
Comunicaciones de Radio Frecuencia
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/112/htm/sec_28.htm