Colección de Problemas (2014)

Ejercicio Español
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación - 2º curso
Asignatura Radiación y Propagación
Año del apunte 2014
Páginas 40
Fecha de subida 13/11/2014
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Tema 1: Conceptos básicos 1) Calcule la potencia en dBm de una señal de 65 dBV en un sistema de 75.
2) Sobre una carga de 50 Ω se disipa una potencia de 4 W. Expresar dicha potencia en dBW y dBm. Expresar la tensión eficaz sobre la resistencia en dBV y dBμV.
3) Un atenuador de 6 dB tiene a la entrada una señal de 10 dBW. Calcule en dBm la potencia a su entrada, a su salida y la potencia disipada en el propio atenuador.
4) En bornes de una antena en recepción existe una tensión de 0,8 mV. La antena se conecta al receptor mediante una línea con pérdidas de 45 m de longitud, de forma que la tensión medida a la salida de la línea es de 0,1 mV. Expresar dichas tensiones en dBμV y la atenuación de la línea en dB y en dB/m. Considérese que se trabaja en un sistema de 75 Ω totalmente adaptado.
5) A la salida de una antena de impedancia 75 se tiene una señal de –40dBm. Ésta se conecta a un receptor mediante un cable de 25 m y 0.5 dB/m de atenuación. ¿Qué ganancia mínima debe tener (en dB) el amplificador de entrada del receptor, si la tensión mínima a la entrada del demodulador debe ser de 10 mVef? (el sistema se halla referido a una impedancia de 75) 6) ¿Cuándo la señal de entrada de un amplificador de impedancia 50 es de Vent=50 mV la señal a la salida es de Vsal=1V. Calcule la ganancia del amplificador en dB. Si la máxima potencia de salida que puede entregar dicho amplificador a una carga de 50 es de 500 mW, ¿cuál es la máxima tensión que podemos tener a la entrada del mismo? 7) Se inyecta una señal de 12 mV eficaces a una línea de transmisión de 40 m de longitud e impedancia característica Zo=50. Si a su salida la tensión es de 0.2 mV eficaces, ¿cuál es la atenuación de la línea en dB/100m? 8) La máxima potencia que puede disipar un atenuador de 6dB es de 10 mW. ¿Cuál es la potencia máxima en dBm que podemos tener a su entrada? 9) En una red de distribución de señal de TV de 75, se utiliza un derivador de dos salidas, perfectamente adaptado, con una atenuación de derivación de 15 dB. ¿Cuál es la mínima atenuación de paso que podría tener (caso sin pérdidas)? La atenuación directiva del dispositivo es de 30 dB.
Por el ramal principal se inyecta a su entrada una señal de 95 dBV, mientras que por su salida entra una señal procedente de una reflexión (fenómeno de doble imagen) de 80 dBV. ¿Cuál es la relación de señal útil a señal interferente en las salidas de derivación? Derivador Atenuación de paso Atenuación de derivación Atenuación directiva 10) En un sistema de distribución de señal de TV de 75 se tiene un distribuidor perfectamente adaptado de 4 dB de atenuación de paso. Si se inyecta a su entrada una señal de 95 dBV, ¿cuál es la señal disponible en cada una de sus salidas, en dBm? Distribuidor Atenuación de paso Aislamiento entre salidas 11) Por una admitancia de valor Y=0.01(2-j3) S circula una corriente eficaz de valor I=0.8e-j23.5ºA.
Calcule la potencia que disipa la admitancia, el fasor de tensión y el desfase entre la tensión y la corriente en bornes ( V   I ).
12) Se tiene una tensión de V=0.45j Vef. que se aplica en bornes de una impedancia de valor Z=50+j50  . Se está trabajando en RPS a una frecuencia f=10MHz. Si para t=10s la tensión instantánea vale 0V, calcule el tiempo transcurrido (en s) desde t=10s hasta que la corriente sea nula. Calcule la excursión pico-a-pico de la corriente en mA.
13) Un generador de impedancia interna Zg=10+j20  y tensión en circuito abierto de Vg=7Vef se conecta a una impedancia ZL=25-j10  . Halle la potencia disponible del generador, la potencia entregada a la carga y el coeficiente de desadaptación de potencia.
14) Un generador de impedancia interna Zg=50  y potencia disponible 1mW se conecta a una carga ZL=40+j40  .
a. Calcule la potencia que esta disipando la carga y el coeficiente de desadaptación de potencia.
b. ¿Qué impedancia compleja Zx debería conectarse en serie con la carga ZL para que el generador entregase la máxima potencia? Calcule en este supuesto la potencia que esta disipando la carga ZL=40+j40  y el nuevo coeficiente de desadaptación de potencia.
c. Calcular la potencia que disiparía ZL y el coeficiente de desadaptación de potencia, si la impedancia Zx fuese imaginaria pura (sólo se cancelaría la parte reactiva de ZL).
15) Medimos con un osciloscopio la tensión VL (t ) sobre la carga del circuito adjunto. Con los cursores del osciloscopio hallamos dos máximos consecutivos de tensión: c1 (t1=2.102 ns, V1=6.325 V) y c2( t2=4.102 ns, V2=6.325 V). Determine: a. La frecuencia de trabajo del generador b. La potencia [mW] disipada por la carga.
c. El desfase en grados entre vg(t) y vL(t) si v g (t )  Vg cos  t . Escriba la expresión vL(t).
x 6 c1 x c2 4 2 VL [V] d. La capacidad CL [pF] Vg=10Vp Rg=100Ω VL(t): tensión sobre la carga 8 VL 0 -2 -4 ~ CL RL=200Ω -6 -8 0 1 2 3 t [ps] 4 5 6 16) Medimos con un osciloscopio la tensión VL (t ) sobre la resistencia RL del circuito adjunto. Con los cursores del osciloscopio hallamos dos máximos consecutivos de tensión, cuyos valores se han recuadrado sobre el gráfico (t1=1,249 ns, V1=3,52 V, t2=11,15 ns, V2=3,52 V ~ L VL(t): tensión sobre la carga 4 VL X: 1.249 Y: 3.52 X: 11.15 Y: 3.52 2 IL RL=50Ω VL [V] Vg=10Vp Rg=50Ω 0 -2 -4 0 5 10 15 t [ns] 20 25 30 a). Halle la expresión fasorial de la corriente que circula por la carga RL dada como I L  I L e j L .
b) Halle el valor de la inductancia L en H 17).- Se miden -12 dm en una de las salidas de un distribuidor de señal de TV de 75  simétrico, no ideal, perfectamente adaptado y con 4 dB de atenuación de paso. ¿Cuál es la potencia total que se disipa en el interior del distribuidor (en dBm)? SOLUCIONES Tema 1 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) P  43,75 dBm 6dBW ; 36dBm ; 23dBV ; 143 dBμV Pe  40 dBm; Po  34 dBm; Pat  38.7 dBm 0.8mV  58dBμV ; 0.1mV  40 dBμV ; A=18dB  0.4dB/m G=23,74 dB G=26 dB, VeMAX  250 mV A=88,9 dB/100m PeMAX  11,25 dBm Atenuación mínima de paso: L p  0.284 dB. Relación señal útil a interferente: 30 dB 95 dBμV 15 dB 15 dB 15 dB 15 dB 80 dBμV 80 dBμV 50 dBμV 50 dBμV 0,28 dB 30 dB 30 dB 80 dBμV 10) Pout  -17.75 dBm 11) Y  0.01(2  j 3) S ; I  0,8 e  j 23,5* / 180 ; Z  P  I ReZ   9.84W ; V  2 1 100  ( 2  j 3)  Y 13 I  22,18 32,81º V ; V   I  32,81  (23,5)  56,31º Y 12) 1 v (V) 0.5 0 -0.5 -1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.6 0.8 1 t/T 0.01 0.005 i (A) t  v(t )  0.45 2 sin  2  ;  T t   i (t )  0.009 cos 2   / 4  ;  T  T=1/f=0,1μs.
T i (t1 )  0  t1   0,0125 s (  nT ) 8 0 -0.005 -0.01 0 0.2 0.4 t/T 13) Potencia disponible de generador: Pav  1,225 W .
Potencia entregada a la carga: PL =0.924 W. Coeficiente de desadaptación: ca =0.755 14) a. PL=0.825 mW; ca =0.825 b. Zx=10-j40 Ω; PL=0.8 mW; ca =0.8 c. Zx=-j40 Ω; PL=0.988 mW; ca =0.988 15) a. f=500 MHz b. PL  100 mW c.   -18.36º; v L (t )  6.325 cos t  0.32  . d. C L  1.59 pF 16) a. | | 70 b. L=0,159 17) -14.9 dBm (valor de pico),y =-0,79 rad TEMA 2. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN A: TRANSITORIOS EN LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 1) Un generador en escalón de amplitud 2V0 e impedancia interna Rg=Z0, se conecta a la línea de la figura, de impedancia Z0, velocidad de propagación vp y longitud ℓ. Determinar la tensión a la entrada de la línea, Vi(t) para 0<t<6T, siendo T=  /vp ,en los siguientes casos a) RL=0, b) RL= y c) RL=Z0.
ℓ Rg 2V0 Vi(t) Z0, vp RL 2) En el circuito de la figura el interruptor se cierra en t=0.
a) Dibujar el diagrama espacio-tiempo, detallando el valor de los coeficientes de reflexión en cada extremo de la línea, así como el valor numérico de tensión de las sucesivas ondas que van generándose.
b) Determinar la tensión en un punto medio de la línea (z=  /2) y en la entrada de la línea (z=0) para 0<t<5T, con T=  /vp c) Determinar la tensión en la línea para el instante t=3T/2: v(z,3T/2).
3) Una línea ideal de longitud  , con sus dos extremos en circuito abierto, está cargada a una tensión continua V0. Se cortocircuita uno de sus extremos en el instante t=0. Represente la tensión y la corriente en los dos extremos de la línea en función del tiempo.
4) Una línea ideal de impedancia Z0 y longitud  , con sus dos extremos en circuito abierto, está cargada a una tensión continua V0. Se conecta en t=0 a una resistencia de valor R=Z0. Si su longitud es de 3 m y su velocidad de propagación es de 0.5c0. ¿Qué duración tiene el impulso de tensión que se produce sobre la resistencia? 5) Un generador de tensión continua V0 e impedancia interna Rg se conecta en t=0 a una carga resistiva RL a través de un tramo de línea de transmisión de impedancia característica Z0 y longitud  . Dibuje el diagrama espacio-tiempo del sistema indicando las magnitudes relevantes y determine el valor de tensión en la línea para t (régimen permanente).
6) En el circuito de la figura el interruptor se abre en el instante t=0. Dibuje las formas de tensión y corriente en la carga RL en el intervalo 0<t<6T, con T=  /vp, en los casos a) R0<RL b) R0=RL y c) R0>RL.
t=0 IL I0 ℓ VL Z0=R0 RL 7) En la figura el interruptor está cerrado desde t= - y se abre en el instante t=0. Dibuje la tensión en los extremos de la resistencia en el intervalo 0<t<6T, con T=  /vp, en los casos a) R0<RL b) R0=RL y c) R0>RL.
t=0 ℓ Z0, vp RL V0 8) En la figura el interruptor está cerrado desde t=- y se abre en el instante t=0. Si R1=Z0, determinar la variación de la tensión en R2 en función de V0, Z0 y  2 .
t=0 ℓ R1 V0 Z0, vp R2 9) A una línea con un extremo en cortocircuito se le aplica en el otro un impulso cuadrado de 10 ns de duración y amplitud 10 V. La línea está inicialmente descargada. Si Z0=50  , c=3108 m/s y  =9 m, construya el diagrama espacio-tiempo y dibuje la tensión y corriente en la línea para los instantes t=30, t=35 y t=40 ns.
10) El generador de la figura emite un único pulso de 40 V de amplitud y 1 de duración.
Representar la tensión y la corriente a la entrada de la línea y en el punto medio de la misma para el intervalo 0<t<15μs.
Rg=150Ω 40 V 1 μs ℓ Z0=50Ω, vp=300 m/μs z=0 RL=16,7Ω z=600 m 11) En el circuito de la figura el generador produce en t=0 un pulso de duración 1 ns y una tensión en circuito abierto de 4.5 . El gráfico adjunto representa la corriente a la entrada de la y acabada en una carga . Si la impedancia de línea de transmisión ideal de longitud ℓ 77.5 40Ω calcular la línea de transmisión es de I0 Rg 75 mA Vg 8 2 4 6 10 t(ns) -20 mA I0 Z0 =40Ω z=0 RL z=77.5 cm a) El valor de la impedancia interna del generador b) La capacidad por unidad de longitud de la línea de transmisión C, en pF/m.
(en Ohm) c) El valor de la resistencia de carga 12) La figura muestra un generador de pulsos rectangulares de tensión en circuito abierto Vg= 2.6 V y duración T0 =50 ns, que se conecta a un cable de bajas pérdidas e impedancia Z  50 , de forma similar al montaje del laboratorio. La figura adjunta muestra la tensión medida a la entrada del cable v1 (t ) para el caso de la línea de transmisión terminada en circuito abierto  RL    . Calcule: 0 a) La constante dieléctrica del cable εr. y la capacidad por unidad de longitud del cable C (en pF/m).
b) El valor de la impedancia interna Rg del generador en Ohms c) La atenuación del cable en dB/100m 13) La figura muestra un generador de pulsos rectangulares conectado a un cable de bajas pérdidas.
La tensión medida a la entrada del cable v1 (t ) para dos condiciones de carga externa diferentes son las que se muestran en las gráficas inferiores. La gráfica de la izquierda corresponde al caso del extremo de la línea de transmisión en circuito abierto RL    y la de la derecha corresponde al caso en el cual el extremo se conecta a una resistencia igual a la del generador RL  Rg  50  .
a) b) c) Calcule la constante dieléctrica del cable Para las dos condiciones de carga RL   y RL  Rg  50  deduzca la expresión de la amplitud del segundo pulso (que aparece entre 150 y 200 ns) en función de la amplitud del primer pulso, las características del cable y los coeficientes de reflexión de generador y carga.
Calcule los siguientes parámetros del cable: Impedancia característica Z 0   , atenuación por unidad de longitud A(dB/m), capacidad por unidad de longitud C(pF/m) e inductancia por unidad de longitud L H / m  .
SOLUCIONES Tema 2.A Transitorios en la línea de transmisión 1) v v V0 V0 2V0 V0 t 2T v t t 2T RL=∞ RL=0 t 2T RL=Z0 2) z=l/2 90 90 z=0 80 80 74 80 80 70 75.6 74 72 70 60 60 50 50 V V 50 40 50 40 30 30 20 20 10 10 0 0 0 1 2 3 4 5 6 0 0 0 7 t/T 1 2 3 t/T 4 5 6 t=3T/2 90 90 80 70 60 50 V 50 40 30 20 10 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 l/L 3) v i z=(circuito abierto) z=(cortocircuito) V0/Z0 V0 2T 4T -V0 2T 4T t t -V0/Z0 4) Duración del impulso de tensión: 2T 5) v1  V0 R  Z0 R  Z0 Z0 , g  g , L  L RL  Z 0 Rg  Z 0 Z 0  Rg V ()  v1 (1   L   g  L   g  L2  )  V0 RL RL  Rg g L2 v1+ 3T g L v1+ 2T L v1+ T v1+ g L RL Z 0 R  Z0 1   I 0 Z 0 (1   L ) ;  L  L RL  Z 0 RL  Z 0 2 R0<RL  L>0 R0=RL  L=0 VL    L v1   L3v1 6) v1   I 0 VL t  L2 v1 VL R0>RL  L<0 t t  L2 v1 v1  1   L3v1   L v1 v1 v 2T 4T 6T 2T 4T 6T 2T 4T 6T IL=VL/RL en cada instante. Las formas de la corriente son idénticas a las de tensión.
7) v1  V0 8) Z0 R  Z0 1  V0 (1   L ) ;  L  L RL  Z 0 RL  Z 0 2 VL Tiempo <0 0  2T Tensión total en RL V0  v1 2T  4T V0  v (2   L ) 4T  6T V0  v1 (2  2  L   L2 ) 6T  8T V0  v (2  2  L  2    ) R0=RL  L=0 V0 V0 V0/2  1  1 t 2T 4T 6T 2 L 3 L [R0<RL i R0>RL: ver tabla] VR2 V0 t T 9) v v t=30 ns 10 v t=35 ns t=40 ns 6 6 9 z 6 9 9 z -10 10) v 10 Tensió entrada 1,875 12 4 1 8 -0.468 15 t (μs) -7,5 i Corrent Entrada 0.05 0.2 0.0031 8 4 1 12 15 t (μs) -0.0125 v 10 Tensió punt mig 1,25 5 3 1 7 0,625 13 -0.3125 -0.1563 15 t (μs) 9 -2,5 -5 0.2 i Corrent punt mig 0,1 5 1 7 3 -0.05 -0.025 11) a) 20 Ω, b) 130 pF/m 12) a)  r  2,25 y L=250 nH/m C=100pF/m 13) a)  r  2,25 b) 11 V1ca  V1 e 2  1      V1RL  V1 e 2   1    0,0125 6,25e-3 11 9 c) b) 13 -3,125e-3 60 Ω 7,596 dB/100m con    g   L c) Z 0  75  ; A=0,0114 dB/m; C=66,66 pF/m; L=0,375 H / m t (μs) c) 50 Ω TEMA 2. LINEAS DE TRANSMISIÓN B: PARÁMETROS Y ATENUACIÓN 1) En una línea de transmisión terminada en su Z0, la corriente medida en dos puntos separados 100 m se ha atenuado en un factor 1.5 ¿En que factor se atenuará la tensión si se mide en dos puntos separados 50 m? ¿Cual es la atenuación de la línea expresada en dB/km? 2) Una línea de transmisión de bajas pérdidas, de Zo=50  , vp=3 108 m/s y atenuación 0,043 dB/m a 300 MHz, tiene una longitud  =100 m. Si en un extremo de la línea se conecta una carga resistiva RL =40  , escriba la expresión del coeficiente de reflexión a la entrada de la línea en función de L.
Calcule a partir de éste la impedancia vista a la entrada de la línea. Repita el cálculo para el caso en que  =0.
3) Una línea de transmisión de Zo=75  está realizada con un dieléctrico de  r =4. Determine su capacidad e inductancia por unidad de longitud y la velocidad a la cual propaga una señal.
4) Un cable telefónico de pares tiene a 100 KHz los siguientes parámetros primarios: R=52 m  /m, L=0.54 μH/m, C= 50 pF/m y G=50 nS/m. Demostrar que el cable presenta bajas pérdidas a esta frecuencia. Calcular su impedancia característica Z0 y su constante de propagación γ. Determinar su atenuación en dB/km.
5) Un cable coaxial presenta a 1 MHz los siguientes parámetros primarios: R=3,1 m  /m, L=0.24 μH/m, C= 94 pF/m y G=3,8 μS/m. Demostrar que el cable presenta bajas pérdidas a esta frecuencia.
Calcular su impedancia característica Z0 y su constante de propagación  . Determinar su atenuación en dB/km.
6) Un cable coaxial RG-58 C/U tiene una capacidad de 101 pF/m y propaga las señales al 66.2% de la velocidad de la luz en el vacío. Calcular su impedancia característica Zo, su inductancia por unidad de longitud L y la permitividad  r del material dieléctrico. ¿Qué retardo introduce en la propagación de una señal un tramo de 100 m de dicha línea? 7) Una línea de transmisión de impedancia característica 50  y 40 m de longitud introduce un retardo de 0.4 μs en la propagación de un pulso entre sus extremos. Determine los cuatro parámetros de la línea L, C, Zo y vp.
8) En una línea telefónica de dos hilos se le han medido los siguientes parámetros: R=6,5  /km, L=2.3 mH/km, C=0,0052 μF/km y G=0,5 μS/km. Determine su impedancia característica y la velocidad de propagación en la línea.
9) Para las tres líneas de transmisión de la figura configure una tabla con las expresiones de sus cuatro parámetros fundamentales Zo [  ], vp [m/s], C [F/m] y L [H/m]. Para simplificar la expresión de su impedancia característica tenga en cuenta que la impedancia de una onda plana en el vacío es  o =  o /  o = 120 y que para la línea de placas paralelas puede aplicarse la aproximación de condensador plano.
coaxial hilos paralelos placas paralelas W εr b D a εr a h εr W>>h C 2 ln(b / a) L  D cosh 1     2a  10) Un cable coaxial viene caracterizado por los siguientes parámetros: b/a=3; b=0,5 mm,  r  2.25 ; A la frecuencia de f=400 MHz presenta una resistencia por unidad de longitud R=2,6  /m y una conductancia por unidad de longitud G=2.8·10-4 S/m. Verifique que la aproximación de pérdidas bajas se cumple a la frecuencia de trabajo. Determine la constante de propagación del cable     j y su atenuación por unidad de longitud en dB/m.
11) Calcule la impedancia característica para la línea triplaca (stripline) de la figura. Para realizar los cálculos utilice la aproximación W>>h y suponga que tanto el dieléctrico como el conductor son ideales con t=0 para el grosor del conductor interior W=2 mm; h=0,2 mm εr t 2h=0,4 mm  r =2,5;  0 =8,8542 pF/m W=2 mm 12) Un sistema de distribución de señal de televisión utiliza el cable coaxial CCF SAT 84102 de FAGOR. Utilice la hoja de características del fabricante para realizar los siguientes cálculos: a) Calcule la inductancia por unidad de longitud en H/m y la constante dieléctrica del PE expanso.
b) A la entrada de un tramo de cable de 30 m de longitud se inyecta una señal de frecuencia f= 2150 MHz y tensión eficaz Vi=60 dBV. Calcule la potencia de señal Po a la salida del cable, en dBm.
Considere que el sistema está perfectamente adaptado.
c) Demuestre la equivalencia entre la expresión de la atenuación del cable en dB y en Neper. Un tramo de cable de longitud   200  a f=2150 MHz se termina con una impedancia de valor RL  50 . Calcular la impedancia que presentara a su entrada. Utilice la expresión que da la variación del coeficiente de reflexión en una línea de transmisión, teniendo en cuenta sus pérdidas.
d) Teniendo en cuenta que f=2150 MHz la atenuación del cable se puede considerar exclusivamente debida a las pérdidas en el conductor, calcule el valor de R en  / m utilizando la aproximación de pérdidas bajas. Verificar si dicha aproximación se cumple.
SOLUCIONES Tema 2.B Parámetros y atenuación 1) A=35,21dB/km 2) Zi=46,07Ω. Si α=0, Zi=40Ω 3) C=88,88 pF/m ; L=500 nH/m ; v=1,5 108 m/s 4) ωL=0.339Ω>>0.052Ω ; ωC=3.14e-5 S>>5e-8S ; Se cumple la aproximación de pérdias bajas: -1   0.003274 m ; A=2,189dB/km Z 0  104  ; 5) ωL=1,5Ω>>3e-3Ω ; ωC=590e-6 S>>94e-6S ; Se cumple la aproximación de pérdias bajas: -1   0,0298 m ; A=1,1dB/km Z 0  50,53  ; 6) Z0=49,85 Ω ; L=251 nH/m ; εr=2,28 ; τ=0.50 μs 7) L=500 nH/m ; C=200 pF/m ; Z0=50Ω ; vp=108 m/s; 8) Z0665 Ω ; vp289157 km/s 0 b 60 b ln ln ; Z 0  2 a r a 120 D  cosh 1 ; Z0  Hilos paralelos C  D 2a r cosh 1 9) Coaxial: L  2a 120 h h w Z0  Placas paralelas: L   0 C  w h r w 10) G C  3,1  10 4  1 ; R L  0.0040  1 : Se cumple L=219,42nH; C= 113.8 pF/m Zo=43.94  -1  C  0,0296 Nep / m ;  D  0,0063 Nep / m ; γ= 0.0359+j12.56 m ; A=0,312 dB/m 11) Z0= 11.91Ω; 12) a) b) c) d) L=0.31 H / m ;  r  1.56 Po=-57.3 dBm Re=68,38  R=4,92  TEMA 2. LINEAS DE TRANSMISIÓN C: RÉGIMEN SINUSOIDAL PERMANENTE 1) Para el circuito de la figura, donde Vg (t )  V0 cos(t   / 4) , determine la expresión temporal de la tensión en la línea de transmisión, v(z,t) sabiendo que Z0=50Ω.
ℓ=10λ Rg=Z0 Vg(t) ZL=j50 Ω Z0, β z=-ℓ z=0 2) Para el circuito de la figura determine la expresión de los fasores de tensión y corriente, V(z), I(z), en función de la tensión eficaz de generador Vo y de la constante de fase de la línea β.
ℓ=3λ/4 Rg=150 Ω V0 RL=16,66 Ω Z0=50Ω e L z=0 z=-ℓ 3) En el circuito de la figura se mide la tensión Ve a la entrada de la línea a medida que se varía la frecuencia del generador de tensión. A f1 = 168 MHz se detecta Ve=0. Aumentando la frecuencia, el siguiente nulo de tensión se mide a f2 =224 MHz. Calcular: a. La frecuencia f3 a la cual se tendrá el siguiente nulo.
b. La permitividad dieléctrica de la línea εr.
c. L y Z0 si C=84 pF/m.
ℓ=2,08 m Vg Ve Z0 cc 4) En una línea de transmisión de impedancia característica Z0 =300 Ω, terminada en una carga desconocida ZL, se mide una ROE de 5 y una tensión máxima de Vmax = 150 V eficaces. Determinar la potencia que se está disipando en la carga ZL y la potencia asociada a la onda progresiva P+.
5) En una carga de 25 Ω conectada en el extremo de una línea de transmisión de 50 Ω, se está disipando una potencia de 2 W. Calcule la ROE y el valor máximo de tensión que se medirá en la línea.
6) Una línea de transmisión de Z0=50 Ω está terminada con una carga desconocida ZL. A la frecuencia de 0,75 GHz se mide una onda estacionaria de tensión eficaz Vmax=300 mV y Vmin=127 mV. La separación entre mínimos de tensión consecutivos es de 8 cm. Determinar la potencia entregada a la carga, la potencia asociada a la onda positiva, expresándolas en dBm, y la permitividad del dieléctrico de la línea.
7) En el circuito de la figura se ha medido el módulo del coeficiente de reflexión a la entrada referido a Z01=50 Ω en función de la frecuencia, y se ha obteniendo el resultado que se muestra en la gráfica adjunta. A partir de esta información calcule el valor de la impedancia característica Z02 y la constante dieléctrica εr2 de la línea central sabiendo que Z02<Z01 ℓ=5 mm || 1/3 Z01 Z02, εr2 Z01 Z01 10 || 20 30 40 f(GHz) 8) En relación al circuito de la figura, calcule la potencia asociada a las ondas progresiva y regresiva, P  , P  así como la potencia entregada a la carga PL si la potencia disponible del generador es Pmax =1 W, para los siguientes casos a) Z L  0, Z g  Z 0 b) d) Z L  Z0 , Z g  Z0 Z g  Z L  2Z 0 ,   Z g  Z L  2Z 0 ,    2  4  Zg Vg Pmax c) ZL Z0 Ze L 9) En el circuito de la figura el generador sinusoidal tiene una frecuencia de f = 375 MHz. La línea de transmisión está formada por un dieléctrico sin pérdidas y unos conductores con una resistencia total por unidad de longitud igual a la indicada en la figura.
a) Calcule la constante de atenuación de la línea en Nep/m. Son consistentes los valores de Z0, εr, R y f con la aproximación de bajas pérdidas? Razone la respuesta.
b) Calcular el coeficiente de reflexión y la impedancia de entrada de la línea. Calcular también los fasores complejos de las ondas positiva y negativa de tensión a la entrada de la línea (amplitud en V y fase en grados).
c) Calcular el fasor de corriente que circula por el cortocircuito (I) (amplitud en mA y fase en grados).
Rg=75Ω Vg=3V ℓ=3,9m Z0=50Ω; R=4Ω/m εr=4 I Nota: La solución es independiente del punto en el cual se elige la referencia de fase z=0 10) El circuito de la figura adjunta representa un montaje similar al de la práctica de RPS de laboratorio. Se dispone de un generador de tensión de frecuencia variable entre 0,5 MHz y 4 MHz, impedancia interna R g  75  y tensión de pico en circuito abierto V g  10 V p . El generador se ha conectado a un tramo de línea coaxial de impedancia interna Z o  75  y longitud   50 m , acabada en una carga resistiva incógnita R x . Para caracterizar el circuito, se mide la tensión de pico Ve a la entrada de la línea en función de la frecuencia (gráfica adjunta). La tensión de pico máxima y mínima que se miden son Vmax  6,36 V p y Vmin  3,64 V p respectivamente. Si se considera que la atenuación de la línea coaxial es despreciable (   0) : a) Determinar la velocidad de propagación en la línea coaxial v p [m/s], su capacidad por b) c) d) e) unidad de longitud C [pF/m] y su inductancia por unidad de longitud L [ H / m ].
Determinar el valor de la impedancia resistiva incógnita R x [Ω] Calcular la potencia entregada a la carga incógnita en dBm.
Si en este apartado se tiene en cuenta que la atenuación de la línea coaxial es A  1 dB / 100 m , constante en el margen de frecuencias de trabajo, y se debe exclusivamente a las pérdidas en el dieléctrico, comprobar si la aproximación de pérdidas bajas es válida en dicho margen frecuencial.
Si la carga incógnita R x se substituye por un cortocircuito R x  0 , calcular la tensión de pico Ve medida a la entrada de la línea a f=2 MHz. Tenga en cuenta que la atenuación es A  1 dB / 100 m .
Vg=10Vp   50 m Rg=75Ω ~ Ve Z0=75Ω Rx 11).- La tensión instantánea (en Volts) en cualquier punto de la línea de transmisión de la figura adjunta viene dada por la expresión: 3 , 5 3,12 2 2 Hallar el valor de Z L y la potencia PL disipada en la carga si Z 0  50  Rg Vg  v(z,t) Z0 ZL z=0 P12) Una línea de transmisión sin pérdidas e impedancia característica Z0=50acabada en una carga ZL=192-j171 presenta una onda de tensión progresiva √ . Calcule , .
P13) En el circuito adjunto el fasor de tensión eficaz en cualquier punto z de la línea de transmisión de impedancia Z 0  50 Ω viene dado por 6 3 . La referencia de fase (z =0 ) se ha tomado a la entrada de la línea.
a) Halle la potencia PL(mW) en la carga y el fasor de | | corriente eficaz a la entrada de la línea , (grados) b) Calcule el valor numérico de la carga ZL en Ohm.
Rg=Z0 Ie   λ /8 Vg V(z) z0 ZL Z0 z z SOLUCIONES Tema 2.C Régimen Permanente Sinusoidal 1) V0 V cos  ωt  βz  π / 4  0 cos  ωt  βz  3π / 4 V 2 2 V0 V i(z, t)  cos  ωt  βz  π / 4  0 cos  ωt  βz  3π / 4 A 2Z0 2Z0 v(z,t)  2) V ( z )  jV0   jz 1 jz  jV  1   e  ; I ( z )  0  e  j z  e j z  e 3  2 150  2   3) f3=280MHz ; εr=1.658 ; Z0=51,1Ω ; L=219nH/m 4) PL=15W ; P+=27W ; P-=12W ; 5) ROE=2 ; |Vmax|=14,14 V 6) PL=-1,18dBm ; P+=-0.40dBm ; εr=6,25 7) εr2=2,25; Z02=35,35Ω 8) a) P   1W ; P   1W ; PL  0W b) P   1W ; P   0W ; PL  1W  c) P  9) 10) 9 1 W ; P   W ; PL  1 W d) 8 8 P  2 16 18 W ; P   W ; PL  W 25 25 25 a)   0.04 Nep / m ; Bajas pérdidas: L  785 .4 / m  R  4 / m ; y C  G  0 b)  e  0,7320 ; Z e  323,10  ; V   1,4058V y V   1,029V c) I  48,11mA90º a) v p  2  108 m / s y C  66, 7pF / m; L  375 nH / m b) Rx  42,8  c) PL  21,9 dBm G  0,14  1 Bajas pérdidas de forma aproximada C d) R  0; G  2,93·10 5 S / m ; e) Z e  4,36  y Ve=0.55 Vp 11) 11,57 Ω; | , 12 12) 13) a) PL= 540 mW y | √ 0,134 0.25 ; ; /4 , 0,1526 ; 9 / b) 0,52 150 Ω TEMA 3. MEDIDA Y ADAPTACIÓN DE IMPEDANCIAS 1) Calcular la impedancia de entrada Ze del circuito de la figura a la frecuencia f0=2.4 GHz. ¿Cual será el valor de Ze a f=2 f0? DATOS: R=80  , C=1.1 pF,  =5 cm y vp=3 108 m/s ℓ Z0=50Ω C R Ze 2) En el circuito de la figura ℓ=0,2λ Rg=Z0 V0=10V Z0=50Ω ZL=100+j150 Ω Ze a. Calcule la impedancia de entrada Ze b. Teniendo en cuenta que la línea no tiene pérdidas, utilice dicha impedancia Ze para calcular la potencia que se disipa en la carga ZL c. Utilice el coeficiente de reflexión de carga  L para verificar el resultado anterior. téngase en cuenta para ello que Z g  Z 0 .
3) El circuito de la figura trabaja a 900 MHz. La línea de transmisión es de Z 0  50 con un dieléctrico de permitividad  r  3.4 . Si se toma la referencia espacial z=0 sobre la carga Z L a. Halle la posición de los mínimos y máximos de tensión (zmin y zmax) en cm.
b. Halle la impedancia asociada a zmin y zmax y la tensión Vmax y Vmin c. Halle el coeficiente de reflexión asociado a z min , z max y z    e  . Represéntelos de forma esquemática en un diagrama polar, incluyendo  L Rg=Z0 V0=10V ℓ=0,2λ  0.7  Z0=50Ω ZL=100+j150 Ω Ze 4) Un generador sinusoidal de f=300 MHz alimenta una carga desconocida ZL a través de una línea de transmisión de Z0=70 Ω. Se observa que |V|max=5,2 V y |V|mín=1,1 V. También se observa que reemplazando la carga por un cortocircuito las posiciones de |V|mín se desplazan 15 cm hacia la carga. ¿Cual es la impedancia ZL? 5) Una red de adaptación típica consiste en un tramo de línea de transmisión ideal seguida de un elemento reactivo serie o paralelo. Con este tipo de red se quiere adaptar una carga Z L  61  j 67  a 1.4 GHz. La línea de transmisión tiene una impedancia Z 0  50  con una permitividad dieléctrica  r  1. 8 .
 ZL=61-j67 YB=jB Z0 Ye Z0 L Y1 a. Demostrar que para diseñar la red de adaptación de la figura con un elemento capacitivo paralelo se debe forzar Y1  1  jB1 con B1  0 , siendo | | | | yℓ | | , siendo | | .
b. Obtenga el valor B   B1 que realiza la adaptación, así como el valor de la capacidad C (pF) que adapta el sistema a la frecuencia de trabajo.
c. Calcule la longitud  , en cm, del tramo de línea de la red de adaptación.
6) Una línea de transmisión ideal de impedancia característica Z 0  50  y longitud  está conectada a una carga incógnita Z L . Determine: a. El valor de dicha carga incógnita Z L a partir de la medida de la tensión en la línea de transmisión en función de la posición z, dada en voltios eficaces V z  .
b. b) La potencia disipada en la carga Z L y la tensión en circuito abierto del generador Vg .
7) Se quiere diseñar una red adaptadora para un generador de impedancia Z g  75  y voltaje VG=12 Vef y una carga de impedancia Z L  10  j 20  como la de la figura adjunta. Esta consta de una línea de cuarto de onda de impedancia característica incógnita Z 01 y un stub acabado en cortocircuito de impedancia característica Z 02  25  . La frecuencia de trabajo del generador es de 1 GHz y el dieléctrico de las líneas de transmisión tiene una permitividad  r  2.1 en ambos casos.
a. Calcúlese la longitud l del stub en cm y el valor de Z 01 para que la carga esté adaptada al generador.
b. Supóngase ahora que el stub acaba en circuito abierto. En este caso calcúlese también la correspondiente longitud del mismo en cm.
c. Calcule la potencia disipada por la carga Z L , una vez realizada la red de adaptación.
8) Una antena presenta una impedancia de 75 Ω a 400 MHz. Se quiere alimentar por medio de una línea de hilos paralelos de impedancia Z0 =150 Ω y permitividad dieléctrica εr=2,2. Diseñar las siguientes redes de adaptación calculando el valor de sus elementos: a. Red de adaptación para cargas resistivas compuesta por un tramo de un cuarto de longitud de onda de un cable de impedancia Z0'.
b. Red LC serie-paralelo o paralelo-serie.
9) Para adaptar la carga ZL a una impedancia Z0=50se utiliza la red adaptadora de la figura consistente en un tramo de línea de transmisión de longitud ℓ seguida de un transformador en Calcule el coeficiente de reflexión en la carga L que quedaría adaptada por la red si Z0’=80.9 y ℓ=0.1.
λ/2. El coeficiente de reflexión asociado a la 10).- El circuito de la figura trabaja a f=1800 MHz y ℓ carga ZX viene dado por Rg=Zo Vg 0,25 .
ℓ Z0=50 Ω, εr 1 Ze ℓ / ZX z a) Calcular M y Z2().
b) Calcular la corriente mínima en la línea de transmisión Imin(mA) y la longitud ℓ constante dieléctrica de la línea esr=2.5.
si la 50 Ω mediante una red formada 11) La admitancia de la figura se adapta a una impedancia conectada en paralelo y un tramo de línea de transmisión de por una admitancia reactiva y longitud ℓ. .
impedancia  YB =jB YL =0.8+j0.5 P0 =7 mW IL Z0=1 Z0=50 Ω Y1 =1-j0.6021 ρL =0.288e-j1.461 ρ1 =0.288ej1.863 a) Si la frecuencia de trabajo es f=3.2 GHz, calcular el valor de la capacidad C, (en pF) o la inductancia L (en nH) necesaria para tener adaptación b) Calcular la longitud ℓ (en cm) del tramo de línea de la red de adaptación del problema anterior si 1 la constante dieléctrica de la línea es 7 hallar la potencia c) Si por la línea de acceso fluye una onda de tensión de potencia disipada en la carga (en mW). Calcular el módulo de la corriente que circula por la carga (en mA eficaces).
Ye =1 Soluciones Tema 3. Medida y adaptación de impedancias 1.- fo=2.4 GHz: Ze=118,97-j56,2  ; f=2fo: Ze=136,33+j155,35  2.- a) Ze=9,91-j29,45  ; b) PL=222 mW; c) PL=222 mW; 3.a) zmin=5,2 cm ; zmax=0,67 cm ; ze=-12,65 cm b) Zmin=7,29  ; Zmax=342,8  ; Vmin=1,273 Vef; Vmax=8,727 Vef c)  L  0,745  26,5º ;  e       0,745  117,5º ;  zmin  0,745 ;  zmax  0,745 4.- Z L  39,6  j84,8    0,2623λ  4,19 cm ; B  1, 223 ; C=2,79 pF 5.6.a) Z L  14  j 48  ; b) PL  8,75 mW ; VG  2Vef 7.- 8.- a) Z 01  61,24 ; stub en cc:   7,76 cm b) stub en ca:   2,59 cm c) PL  480 mW a) Z 0'  106  ;   12,64 cm b) La red paralelo-serie no tiene soluciones válidas. La red serie paralelo tiene dos soluciones: L  29,8 nH C  5,3 pF C  2,65 pF L  59,7 nH Z e  150  9.-| | 0,448 y 10.- a) M=12 y 11.- a) C=0,6 pF RL RL Z e  150  72º 30Ω b) Imin= 106,5 mAef y ℓ 2,635 b) ℓ 2,21 c)PL= 7 mW y | | 12,47 mAef TEMA 4. PARÁMETROS DE ANTENAS 1) Demostrar, con ayuda de un gráfico, que la relación entre las coordenadas cartesianas y las coordenadas esféricas viene dada por: x  r  sen  cos    y  r  sen  sen   z  r  cos   A partir del resultado anterior demostrar que r  x 2  y 2  z 2 2) Demostrar, con la ayuda de un gráfico, que el vector diferencial de superficie sobre una esfera viene dada por dS  r 2 sen d d  rˆ . A partir de este resultado hallar la expresión de la superficie de una esfera de radio R.
3) Hallar y dibujar la dirección y el sentido de los vectores rˆ, ˆ, ˆ en función de los vectores unitarios xˆ , yˆ , zˆ para un punto P situado sobre el eje x. Verificar a partir del resultado que se cumple ˆ x ˆ  rˆ . Especifique en coordenadas polares el plano YZ, el plano XY, la dirección zˆ y la dirección  xˆ .
4) La densidad de potencia radiada por una antena situada en el origen de coordenadas viene dada por la expresión: ( ,  )  A cos  r2 para 0   /2 y 0    2 donde A es una constante con unidades de W. Para valores de θ y  fuera del margen especificado, la densidad de potencia es nula. Si se supone que en el plano XY el campo eléctrico tiene componente “x” y el magnético “y”, determinar los siguientes parámetros: a.
El ancho de haz a -3 dB en el plano E y H.
b.
La directividad en función de los ángulos θ y .
c.
La directividad máxima de la antena.
d.
La ganancia de la antena si la eficiencia es del 85% .
5) El diagrama de radiación de una antena es de la forma t(θ,)=cosn(θ) para θ comprendido entre 0 y π/2 y 0 para θ comprendido entre π/2 y π. Encontrar la expresión de la directividad de la antena de forma exacta y aproximada (a partir de los anchos de haz en dos planos ortogonales).
6) El campo radiado por un dipolo eléctrico elemental de longitud ℓ orientado según el eje z es: E θ  jωμ I ejkr sin θ 4π r a. Encontrar la expresión del diagrama de radiación normalizado y representado en coordenadas polares en el plano E y H.
b. Calcular la directividad y el área efectiva a la frecuencia de 300 MHz c. Obtener las expresiones de la resistencia de radiación y de la longitud efectiva en función de la longitud física ℓ.
7) Desde la Tierra el Sol se observa con un ángulo de aproximadamente 0,5º. ¿Cuál debe ser la directividad de una antena para que situada en la Tierra y apuntada hacia el Sol sólo observe al Sol como fuente de radiación? 8) Hallar la directividad y el ancho de haz a -3 dB de un dipolo de media onda que tiene la resistencia de radiación de 73Ω y un campo radiado dado por: E φ  j60 9) jkr e r π cos  cos θ  2  I0 sin θ La directividad de la antena de la figura es , 1.5 , su impedancia de entrada es 60 Ω y su resistencia de radiación es 56 Ω. Se alimenta a través de una línea de 50 Ω mediante un generador de impedancia 50 Ω y transmisión ideal de impedancia 4 .
potencia disponible Rg=Z0 Pmax=4W Z0=50 Ω D  θ,φ  Ze =Re Calcular la intensidad de campo eléctrico radiado elevación de 15º respecto del plano horizontal (XY).
/ a 5 km de la antenay con una 10) El campo eléctrico radiado por una antena que opera a f=3 GHz es el siguiente: Eθ   ejkr π  A senθ cos cos φ  1 , E φ  0 r 4 a. Escriba la expresión del diagrama de radiación t ( ,  ) . Halle la dirección del máximo de radiación y determine el plano E y plano H.
b. Dibuje el diagrama de radiación t ( )  t ( ,max ) con max el ángulo del máximo de radiación.
En este apartado y en el siguiente calcule al menos cuatro puntos del diagrama de radiación: máximo, mínimo y dos valores intermedios. Calcule el ancho de haz a -3dB.
c. Dibuje el diagrama de radiación t ( )  t ( max , ) con  max, el ángulo del máximo de radiación. Calcule el ancho de haz a -3dB.
d. Una antena situada en el espacio libre a 10 km de la anterior, cuya área efectiva es de Aef=0.3 m2 y tiene una eficiencia óhmica del  =90%, detecta 1 nW de potencia en bornes, en condiciones de adaptación. Determine el valor de la constante A (V) del campo eléctrico radiado.
e. Si la directividad de la antena transmisora es aproximadamente D=4 dB, con una eficiencia Óhmica del 85% y una adaptación (pérdidas de retorno) de 10 dB. Calcule la potencia máxima Pmax (W) del generador que alimenta dicha antena transmisora.
11) Se desea analizar un enlace descendente satélite-tierra a partir de los siguientes datos del satélite y del receptor: Satélite TDF-l Receptor PIRE=60 dBW Paraboloide de 90 cm de diámetro y Banda: 11,7-12,5 GHz directividad 39 dB a 12,1 GHz Factor Ancho de banda de cada canal: 27 MHz de ruido del receptor F = 3 dB Polarización: lineal Temperaturas de ruido: Tcielo = 100 K Y Ttierra =290 K Distancia tierra satélite: 36.000 km Obtener: a. Nivel de densidad de potencia en la superficie terrestre.
b. Nivel de señal en el receptor.
c. Nivel de ruido en el receptor.
d. Relación señal-ruido (S/N) a la salida del receptor.
e. Empeoramiento de la relación S/N si el receptor se conecta a la antena con un cable de 20 m que tiene una atenuación de 15 dB/l00 m.
12) a) Para una antena determine los planos cartesianos que corresponden a los planos E y H.
Justifique la respuesta dibujando los vectores E y H y la dirección de máxima radiación. Halle las expresiones de los diagramas de radiación para cada uno de estos planos. El campo eléctrico radiado por dicha antena es: , siendo A un constante.
b) Halle los anchos de haz a -3 dB para ambos planos. Para ello, dibuje claramente los diagramas de radiación en cada uno de los planos, identificando los ejes y direcciones de forma adecuada.
13) Un dipolo de media onda, que presenta una impedancia de entrada Ze=75+j43 Ω y unas pérdidas óhmicas de 2Ω, se conecta, mediante un cable de impedancia característica 50 Ω a un generador de 10 V y de impedancia 50 Ω.
a. Obtener la potencia radiada, la disipada y la entregada por el generador; la relación de onda estacionaria y el coeficiente de desadaptación.
b. Si la antena anterior se conecta a un receptor con temperatura equivalente de ruido de 100K, obtener la relación señal-ruido cuando sobre la antena incide una onda de 20 μV/m a 300 MHz, la temperatura de antena es de 1000 K, el sistema se encuentra a una temperatura de 300 K y el ancho de banda es de 100kHz. La longitud efectiva de la antena vale λ/π.
14) - Los diagramas polares adjuntos dan el diagrama de radiación de una antena directiva en dos yΔ , de la antena. Calcule a planos ortogonales. a) Halle el ancho de haz a 3 dB, Δ partir del ancho de haz a 3 dB, de forma aproximada, la directividad de la antena (en dB).
b) Si la antena se utiliza como antena receptora. Calcule la potencia PL (en μW) que cedería la antena sobre una carga adaptada si su área efectiva Aef=5.5 cm2 e incide una onda de intensidad de campo |Ei|=3 V/m sobre la antena en la dirección yLa eficiencia de pérdidas de la antena esl=0.85.
15) El diagrama de radiación de una antena es t  ,    1 para otras direcciones del espacio.
45 º    90 º y 0º    120 º y nulo para a) Dibuje el diagrama de radiación para el plano    / 2 y para el plano   0 , rotulando claramente los ejes y los ángulos involucrados. Calcule la directividad máxima D (dB) de dicha antena.
b) Cuando la antena anterior se alimenta con una corriente I=5 A se mide una intensidad de campo eléctrico de 3V/m a una distancia de 500 m. Si podemos considerar que la antena tiene una directividad máxima de 10 dB, calcule la resistencia de radiación Rrad   de la antena.
c) En una determinada dirección el campo transmitido y recibido por la antena es, respectivamente:       ˆ ejkr E r  ˆ ˆejπ / 2 ejkr E t  2ˆ θ  φ θ  φ Determinar el tipo de polarización de las dos ondas, de forma razonada, y calcular las pérdidas por desacoplo de polarización.
d) Suponga que la antena anterior tiene una eficiencia de radiación    80% . También que presenta una desadaptación caracterizada por unas pérdidas de retorno (Return Loss) de RL=10 dB, con respecto de un generador cuya potencia disponible es Pmax  1.5 kW . Calcule la potencia radiada por la antena y la potencia disipada por la misma.
e) Una antena similar a la anterior tiene una eficiencia de radiación    80% y se halla perfectamente adaptada. Utilizada en recepción, se mide 1 pW de señal útil a la salida del conector de la antena. Si la temperatura de antena es aproximadamente Ta  100 K y la temperatura ambiente es de Tamb  27 º C , calcule la relación señal a ruido (S/N) (en dB), a la salida de la antena (plano del conector) en una ancho de banda de ruido Bn  8 MHz . Si la relación (S/N) mínima para una recepción de calidad es (S/N)min=10 dB, determine el máximo factor de ruido Fmax (en dB) que puede tener un amplificador de alta ganancia conectado directamente a la antena.
Datos: k=1.38 10-23 J/K; T0=290 K; K=ºC+273.
Soluciones Tema 4. Parámetros de antenas 1) Ver teoría; 2) S  4 R 2 3) rˆ  xˆ, ˆ   zˆ, ˆ  yˆ Plano YZ:    2 ; Plano XY:    2 ; Dirección  zˆ :  0  ; Dirección  xˆ :   y    2 4) Plano E: plano XZ; Plano H: plano YZ;  E3dB   H3dB  120º  60º ; D ( , )  4 cos ; Dmax=6 dB; G=3.4 con efficiencia del 85% 5) Expresión exacta: D  2n  1)  ; Expresión aproximada: D   arccos n 0,5  6) a)Plano E: Cualquier plano que contenga el eje z. Plano H: plano XY Z 0.25 0.5 0.75 0.25 1 plano E 3 2 c) Aef=0.12 m2 a 300 MHz; b) D  sen2 ; 7) D  53.2 dB 8) D=1.644 [=2.15dB]; 9) Eo=2494 / Δθ3dB=77,9º eficaces d)  ef 0.5 0.75 1 X plano H 4 Rr Aef   0 2   10) a) t  ,    sen 2  cos 2  cos   1 . Máx radiación:Eje x:   ,   0 ; P_E= XZ y P_H=XY 4 b), c) Plano E:  3dB  120 Plano E: t() 90 1 z  Plano H: 3dB   2  60 0.5 150 30 270 2 120 r 2 Aef  Rx ; A  11.82 0 x 210  30 180 330 300 60 0.5 2 150 x 240 Plano H: t() 90 y 1  0 210 E0 120 4 180 PL  2    330  2 240 4 300 270 V; e) inc  3.7 nW/m2; inc   2  Pmax 1   Tx 4 r 2 d) D ; Pmax  2.42W 11) a)   61.4 pW / m 2 ; b) Pc=-76.22 dBm; c) N=-98.39dBm; d) (S/N)= 22.16dB e) N’=-94.44dBm; Degradación de S/N=3,95dB 12) a) Max. radiación: b) Δ 13) 90º y Δ , | | ̂y . Plano E=YZ, Plano H=XY y 60º a) Pe  429.21mW ; P   500mW ; S  2 .2 ; c a  Pe  0.858 Pg b) Potència señal captada: Pc  1.38  10 13W ; (S/N)=19,57dB 14) Δ 15) 60º y Δ 90º y D=8,83dB b) PL=8,37 a) D=9.28 dB; b) Rrad=300  ; c) Pol lineal y circular respectivamente Cp=-3dB d) Prad=1080 W; Pdis=270 TEMA 5. GUÍAS DE ONDA CONDUCTORAS 1) En el interior de una guía de ondas rellena de un medio dieléctrico isótropo y homogéneo, en el  cual no hay fuentes (cargas o corrientes), los campos electromagnéticos instantáneos E x,y,z,t  y  H x,y,z,t  responden a la ecuación de onda:     2E  E -  0 2  t   .
2   H   2 H -   0 2  t 2 En el caso de excitación sinusoidal (RPS) los campos instantáneos pueden escribirse en función de los fasores de campo eléctrico o magnético, con la notación habitual de considerar que la amplitud   del fasor es eficaz: E x,y,z,t   e  2E x,y,z e j t . Demostrar que para los fasores de campo eléctrico   y magnético, E x,y,z  y H x,y,z  , la denominada ecuación de onda en RPS viene dada por:    2E  k 2E  0      2 H  k 2 H  0 con k    y el operador Laplaciana  2  2 x 2  2 y 2  2 z 2  2) En el caso anterior, suponiendo que el campo electromagnético se propaga en la dirección  z , los fasores (eficaces) de campo electromagnético pueden escribirse en función de los campos       j z y H x,y,z   H ( x, y )e  j  z .
(eficaces) transversales E ( x, y ) y H ( x, y ) como E x,y,z   E ( x, y )e Demostrar que la denominada ecuación de onda en el plano transversal viene dada por.
   t2 E  kc2 E  0  2 2 2    con k c  k    t2 H  kc2 H  0 y el operador Laplaciana transversal  t2  2 x 2  2 y 2  3) En un medio en el cual los campos electromagnéticos se propagan en la dirección  z , éstos  suelen desglosarse en componentes vectoriales axiales (o longitudinales) y transversales: E  E z  Et          y H  H z  H t , donde las componentes transversales vienen dadas por Et  E x  E y y H t  H x  H y .
Las componentes transversales de campo pueden obtenerse directamente de las componentes axiales como:          1 Et  2  j  t E z  j t x H z   kc    con el operador gradiente transversal t  xˆ  yˆ .
     1   x y H t  2 j  t x E z  j  t H z   kc   Si definimos la impedancia de onda transversal para los modos TE ( E z  0 ) como ZTE  ETE t HTE t , demostrar que su amplitud (despreciando el signo) viene dada por : Z TE  120 1  r FD , con el factor de dispersión dado por FD  1   2 kc   .
 k  4) Determinar las componentes temporales del campo eléctrico del modo TE01 propagándose según z crecientes, , , , , si la componente Hz(x,y) del modo TE01 en el plano transversal de una guía rectangular de dimensiones a y b<a es , , en la cual | | Aef/m.
5) En el interior de una guía de ondas rectangular de dimensiones a, b la componente axial del   campo magnético TE01, en el plano transversal, viene dado por H z ( x, y )  H 0 cos  y  zˆ .
b   Hallar la expresión completa de los fasores (eficaces) de campo eléctrico y magnético, E x,y,z  y  H x,y,z  , para este modo.
6) En una guía rectangular de dimensiones a, b (a>b) las componentes de campo electromagnético del modo TE10 en el plano transversal vienen dadas por:  x E y  E0 sen   ,  a Hx   E0  x sen   Z TE  a y Hz   k c2 a  x E0 cos   j   a Con ZTE la impedancia transversal del modo.
a. Demuestre razonadamente que la potencia neta transmitida por el modo TE10 tiene dirección  zˆ y depende únicamente de las componentes transversales Ey y Hx.
b. Demuestre razonadamente que la potencia neta transmitida por el modo tiene dirección  z  ( PT  PT zˆ ) de valor PT  1 ab 2 E0 2 ZTE  W, con E0 (Vef/m). Ayuda: 0 sen2t dt   2 7) Una guía de ondas rectangular tiene dimensiones a=5 cm y b=2,5 cm. Si la guía se excita con una señal a f=5GHz, determinar cuales son los posibles modos de propagación tanto en los casos en que el dieléctrico sea aire como un material de  r =4.
8) Diseñar las dimensiones a y b, con a/2<b<a, de una guía rectangular de forma que la frecuencia de trabajo f=3 GHz se halle un 30% por encima de la frecuencia de corte del modo dominante y un 30% por debajo de la frecuencia de corte del siguiente modo que se propague, si la guía está vacía (  r =1.) 9) Una guía de ondas rectangular de dimensiones a=4 cm y b=1,5 cm se quiere llenar de un líquido de  r =2,4. Hallar el ancho de banda para el cual se propaga únicamente el modo dominante tanto con la guía llena como vacía del líquido.
10) Se desea medir la constante dieléctrica de un líquido por comparación de las longitudes de onda del modo TEl0 de una guía rectangular vacía -  g 0 - o bien llena del líquido -  g -. Obtenga la expresión de  r en función de dichas longitudes de onda.
11) En una guía de ondas rectangular de dimensiones a=2b=2,5 cm se transmite una señal de banda estrecha consistente en una portadora a 10 GHz modulada en pulsos. ¿En qué modo se propagará dicha señal? ¿Qué retardo introducirá un tramo de l00 m de dicha guía en la transmisión de uno de dichos impulsos? 12) Se desea diseñar un sistema alimentador de una bocina con polarización circular. Para ello se dispone de una guía "casi" cuadrada de dimensiones a y b=a-Δa (0<Δa<<a) en la cual se excitan en z=0 los modos TEl0 y TE01 en fase y con amplitudes idénticas. Calcule cuanto ha de valer Δa si se desea que para z=20 cm la polarización sea circular. (a=0,9", f=l0 GHz, 1"=2,54 cm) 13) En una guía de ondas de banda X (a=2,28 cm, b=1,016 cm) llena de aire se propaga a 10 GHz el modo TE10. El campo eléctrico de ruptura del aire es de Er=30.000 V/cm. ¿Cuál es la máxima potencia que se puede transmitir por la guía si el campo eléctrico en cualquier punto de la guía y en cualquier instante debe ser menor que el campo de ruptura? 14) En una guía rectangular de dimensiones a y b (a> b), en la cual solamente se propaga el modo dominante TEl0 en la dirección del eje z creciente, se sitúa un plano conductor en z=0. Para z<0 se tendrá una onda estacionaria. Los fasores de amplitud máxima de los campos progresivo y regresivo y . Determinar la expresión del campo eléctrico en el interior de la guía son, respectivamente, E x,y,z  para z<0 a partir de la nueva condición de contorno impuesta en z=0. Si la guía se excita con una señal a 9 GHz y sus dimensiones son a=2,28 cm, b=1,016 cm, determinar la distancia entre dos nulos consecutivos de campo eléctrico.
15) Una bocina conectada a una guía rectangular de dimensiones a=2,286 cm y b=1,01 cm presenta una impedancia normalizada de valor Z L  2  j1,5 a la frecuencia de trabajo de 11GHz.
a. Determine la ROE que se producirá en la guía y la potencia entregada a la bocina como fracción de la potencia asociada a la onda progresiva que fluye por la guía.
b. Calcule la distancia mínima ℓ (cm) de la antena de un diafragma reactivo para adaptarla.
c. ¿Qué valor d tendría el diafragma si se quiere adaptar la bocina? Tenga en cuenta que la susceptancia del diafragma inductivo puede modelarse como: d B  g  d  cot 2   a  2a  Y  jB b 16) Se utiliza una guía ranurada de dimensiones a=2,54 cm y b=1,26 a cm para realizar medidas de ROE del modo dominante TEl0. Cuando se conecta una bocina en su extremo se mide con la sonda una ROE de valor 3 y una separación entre mínimos consecutivos de 3 cm. Cuando la bocina se sustituye por un cortocircuito los mínimos de campo eléctrico se aproximan a la carga 1,3 cm.
Determine la frecuencia de trabajo y la impedancia normalizada de la bocina.
17) La transición guía de ondas a coaxial de la figura está ajustada de tal forma que las señales pueden pasar de una estructura a otra sin que se produzcan reflexiones. En el coaxial existe una onda progresiva a 10 GHz cuya tensión eficaz es de 7,07 V. Las dimensiones de la guía rectangular son a=2,29 cm y b=1 cm. Las del coaxial son D1=3mm y D2=6,9 mm. Calcule la amplitud máxima de campo eléctrico (valor de pico) existente en la guía para el modo. En los dos casos el dieléctrico nota: Z coax  D1 60 r ln j D2 ; ZTE  D1  D2 y coaxial coaxial ε0 b b x z -vista longitudinal- es aire, 1.
a -vista frontal- 18) Mediante un montaje similar al que se ha utilizado en el laboratorio, se utiliza una guía ranurada con un sonda deslizante para medir la onda estacionaria que aparece un una guía rectangular de banda X (WR-90). La sonda detecta una tensión continua Vm ( z ) proporcional al  2 cuadradado de la intensidad de campo eléctrico en el centro de la guía: Vm ( z )  cdet  E ( z ) . En el extremo de la guía ranurada (z=0, plano del dispositivo) se conecta primero un cortociruito y después un bocina rectangular. La tensión detectada por la sonda cuando se desplaza por la guia ranurada, Vm ( z ) , en cada uno de los dos casos se representa en las gráficas suministradas. Las dimensiones de la guía de banda X son a=22,86 mm y b=10,16 mm.
Determine: a. La frecuencia de trabajo del montaje en GHz b. El valor de E0 expresado en V/m, sabiendo que la constante del detector tiene el valor cdet = 1,28·10-4 mV·(V/m)-2.
c. La potencia disponible del generador, en dBm, suponiendo que está adaptado a la guía, que el aislador es ideal y la guía no tiene pérdidas. La impedancia del modo, a la frecuencia de trabajo es Z TE10  451 .
d. La adaptación de la bocina, expresada en dB (pérdidas de retorno).
e. La potencia que está radiando la bocina, considerada ideal, en mW.
Ayuda: El campo en la guía responde a la ecuación de onda: E ( z )  E0 e  j z  E0 e  j z con 2 kc2 2  k  2 . La potencia asociada a la onda progresiva del modo TE10 E0 1 es P  a  b 2 ZTE10  Watt 19) Se dispone del siguiente montaje en guía de ondas rectangular de dimensiones a=2,28cm y b=1,016 cm, similar al disponible en el laboratorio de prácticas: oscilador f=9 GHz aislador Lp a y ~ b z0 bocina ηℓ guía ondas x z z a) Determinar la frecuencia de corte (GHz) y la denominación de los cinco primeros modos que se propagan. Calcular el ancho de banda monomodo (GHz). Calcular el factor de dispersión monomodo de la guía definido como FD  1   f c / f  . Si en la guía de ondas 2 b) c) d) e) se produjese una onda estacionaria, ¿cuál sería la distancia (cm) entre dos mínimos consecutivos? El campo de ruptura del aire es Er=30.000 V/cm. Calcular la impedancia de onda transversal (Ohms). ¿Cuál sería, en condiciones de adaptación, la máxima potencia (MW) que se puede transmitir por la guía a la frecuencia f=9 GHz si el campo eléctrico no puede superar el campo de ruptura en ningún punto de la guía ni en ningún instante de tiempo? En el apartado anterior se quiere introducir un factor de seguridad para prever una posible desadaptación de la bocina con una relación de onda estacionaria de valor ROE=1.2. ¿Cuál sería, con este factor adicional de seguridad, la máxima potencia que se podría entregar a la bocina? Calcular la potencia radiada (W) por la bocina piramidal teniendo en cuenta que el generador tiene una potencia disponible P=1 W. El aislador están perfectamente adaptado y tiene una pérdidas de transmisión Lp=0.764 dB. La guía de ondas presenta unas pérdidas de 5 dB/m y tiene una longitud ℓ=6 cm. La bocina está perfectamente adaptada y tiene unas pérdidas de radiación (transmisión) del pérdidas ηℓ=98%.
Si tomamos la referencia de fase de la guía (0 rad) a la salida del aislador (z=0), calcular el fasor campo eléctrico en módulo (V/cm) y fase (rad) en el centro de la guía (x=a/2) para z=0. Hallar E y z  5λg / 4 en el centro de la guía teniendo en cuenta que la guía de ondas presenta unas pérdidas de 5 dB/m y puede considerarse de bajas pérdidas.
Expresión de los campos en la guía rectangular ideal y de la potencia transmitida para el modo dominante propagándose en la dirección +z:     E x  H x ( x, y, z )   0 sen( )e  j z  Z TE a  x  j z   H z ( x, y, z )  H 0 cos( )e  a  x a E y ( x, y, z )  E0 sen( )e  j z E oef 1  P  ab 2 Z TE 2 Soluciones Tema 5. Guías de onda conductoras 1.- Ver teoría 2.- Ver teoría 3.- Ver teoría 4.E x +(x,y,z,t)  2ωμ b π π    H0 sen  y  cos  ωt  βz   φ0  ; E y +(x, y,z, t)  0; E z +(x, y,z, t)  0 π 2 b    j    H 0 sen( y )e  j z  2 b kc b  E y ( x, y , z )  0   E z ( x, y , z )  0   E x ( x, y , z )  5.-    j    H y ( x, y, z )  2 H 0 sen( y )e  j z  b kc b     j z H z ( x, y, z )  H 0 cos( y )e  b H x ( x, y , z )  0 y 6.- Ver teoría 7.-  r  1  TE10 ; εR=4  TE10 TE01 TE20 TE11 TM11 TE21 TM21 TE30 Tabla: valores de fc en GHz para  r  4 m n 0 1 2 3 4 0 0 3 6 9 12 1 1.5 3.354 6.185 9.124 12.093 2 3 4.243 6.708 9.487 12.369 3 4.5 5.408 7.5 10.062 12.816 4 6 6.708 8.485 10.817 13.416 8.- a=6.5cm, b=3.5cm 9.-  r  1  de 3.75GHz a 7.5GHz ;  r  2.4  de 2.42GHz a 4.84GHz 1 1  2 2  g 4 a 10.-  r  1 1  2 2  g 0 4a 11.- τ=0.416μs 12.- a=2.286; b= 2,152 cm; Δa=0.134 cm 13.- Pmax  1,04 MW 14.- E y  2 jE0 sin x a sin  z ; d=2.44 cm 15.a) ROE  3,324 b) L=0,4374 cm c) d=1,0867 cm 16.- f=7,738 GHz Z B  2,23  j1,21 2 1 E pic ab 17. |Epic|=29.52 V/cm 2 Z0 Z TE 2 18.a) f=12 GHz b) E0 =197,64 V/m Vef2 c) Pmax=10 dBm d) RL=+20 dB e) Prad=9,99 mW 19.a) f cTE10  6,578 GHz; f cTE20  13,16 GHz; f cTE20  14,763 GHz; f cTE11  f cTM 11  16,16 GHz; BWmonomodo=6,578 GHz - 3,16 GHz; FD=0,6824; Δ b) Z TE10  552,45  ; Pmax  0,943 MW 2,44 cm; c) PL  0,786 MW d) Prad  0,76 MW e); E y(z  0)  20V / cm ; E y(z  5λg / 4)  j19,31V / cm TEMA 6. GUÍAS DE ONDA DIELÉCTRICAS 1) Una fibra óptica multimodo a    de índice de refracción n1 en el núcleo y n2 en la cubierta, està cortada perpendicularmente a la dirección de propagación y se excita desde el vacío con una fuente luminosa. Demuestre que el ángulo máximo de aceptación con respecto a la dirección longitudinal viene dado por  m  arcsenn1 2  con la diferencia relativa de índices dada por  n12  n22 2n12 .
2) Una fibra óptica multimodo a    de salto de índice, de longitud L= 6 km, presenta n1  1.470 , n2  1.455 y se excita con una fuente luminosa desde el vacío ( n0  1 ).
a. Calcule el cono de aceptación 2 m  y el ángulo crítico c .
b. Halle la máxima velocidad de transmisión (Mbit/s) y el producto velocidad de transmisión x distancia BL  en Mbit/s·km si la diferencia máxima entre pulsos admitida es la mitad del periodo de bit.  max  0,5Tbit  .
c. Repita el cálculo anterior si la FO es de gradiente de índice con perfil parabólico, que introduce un factor de mejora de la diferencia máxima de retardos de 0,5 .
3) Una lámina dieléctrica presenta los siguientes parámetros: n1  1.55 , n2  1.54 , grosor 2a  8 m .
Identifique los modos que se propagan si la lámina se excita con una fuente de   1m .
4) Una lámina dieléctica presenta los siguientes parámetros: n1  1.46 , n2  1.40 . se excita con una fuente longitud de onda   1,55m . Se quiere trabajar en el rango multimodo en el cual el número de modos es superior a 250. Calcule el grosor mínimo 2a de la lámina.
5) Una fibra óptica monomodo tiene un salto de índice =0.005 y el índice de refracción del núcleo es n1=1.45. Calcule el radio del núcleo de la fibra si la longitud de onda de corte es =1.2m. Si la frecuencia de portadora es fo=200THz. ¿Cuál será el ancho de haz w y la fracción de potencia que viaja por el núcleo? 6) Elija el radio del núcleo a para que una fibra de salto de índice con n1=1.55 y n2=1.52 sea monomodo en segunda ventana (1.3m). La longitud de onda de trabajo ha de estar un 20% por encima de la longitud de onda de corte del siguiente modo.
7) Se desea realizar un enlace de 100km con fibra óptica monomodo de pérdidas 0.3dB/km. Se conectan tramos de 5km de fibra, y los conectores presentan unas pérdidas de 0.2dB cada uno. Los conectores que unen la fibra al receptor y al transmisor presentan unas pérdidas de 1dB cada uno.
Calcule las pérdidas totales en el enlace y la potencia que llega al receptor si la potencia del transmisor es 1mW.
Soluciones Tema 6. Guías de onda dieléctricas 1.- Ver teoría 2.- a) Cono aceptación: 24.18º. Ángulo crítico:81.81º b) F.O de S.I.: Bmax=1.675 Mbits/s; BL=10,05 Mbits/s·km c) F.O de G.I.: Bmax=330 Mbits/s; BL=1.98 Gbits/s·km 3.- TE0, TM0, TE1, TM1, TE2, TM2, 4.- 2a  232 m   5.- a  3,2 m ; W  4.2 m ; Pnúcleo 68,7% PT 6.- a  1.37 m 7.- Pr  0,263 W ...