Archivos Mensuales: octubre 2018

Analizando dispositivos de microondas por elementos finitos

La simulación por el método de elementos finitos (FEM) permite el análisis de estructuras en varias dimensiones, en las que hay que tener en cuenta las características del material utilizado. Este tipo de análisis se está extendiendo a casi todas las ramas de la ingeniería a una velocidad vertiginosa, hasta el punto que ya hay varias ofertas de este tipo de software de ayuda a la ingeniería. Como expliqué en la entrada sobre simulación, publicada en marzo, estas herramientas de ayuda al diseño han evolucionado hasta el punto de combinar diferentes condiciones físicas y resolver problemas complejos que involucren a varias disciplinas. En esta entrada vamos estudiar un dispositivo electrónico muy común en telecomunicaciones vía satélite, que es el ortomodo (OMT). Analizaremos su comportamiento usando un simulador FEM y los resultados obtenidos.

La transmisión de servicios full-duplex (equipos de emisión y recepción simultánea) a través de propagación radiada se hace mediante la polarización del campo electromagnético. El aislamiento entre las bandas de emisión y recepción se obtiene gracias a la ortogonalidad conseguida polarizando los campos electromagnéticos,ya en modo de polarización lineal (horizontal o vertical) o circular (dextrógira o levógira) en función de la dirección de vibración del campo eléctrico.

Considerando el eje tridimensional cartesiano, la polarización horizontal (H-Pol) se produce en el eje Z de una antena, mientras que la vertical (V-Pol) se produce en el eje Y, siendo la propagación en el eje X.El campo eléctrico lejano vibra en el eje Z o en el Y ya que se trata de una onda plana. En el caso de que usásemos coordenadas esféricas (una antena isótropa), las componentes del campo serían THETA para la vertical y PHI para la horizontal. Esto proporciona un aislamiento importante que permite que en el mismo espectro de emisión o recepción podamos usar varios canales, debido a la ortogonalidad de las ondas.

Un dispositivo muy común, cuando se usan transceivers en bandas muy altas, es el ortomodo. Es un dispositivo que trabaja como un diplexor y que proporciona aislamientos muy fuertes en las polaridades contrarias. El resto del aislamiento lo proporciona la transición usada para conectar con los transmisores y los receptores.

La figura anexa muestra un ortomodo en banda Ku, usado en sistemas VSAT para conexión telefónica o de internet satélite. Consiste en un dispositivo de una entrada en guía de onda circular y dos salidas en guía de onda rectangular, orientada su anchura en ejes perpendiculares. Considerando que la guía circular está dibujada en el plano YZ, el eje Y será el eje horizontal (corresponderá al H-pol de la antena) y el Z el vertical (V-pol). La banda de frecuencias de polarización horizontal, en este estudio, será la banda baja de Ku (12÷12,5 GHz), usadas para la recepción en los dispositivos terrestres, mientras que la banda de frecuencias de la vertical será la banda alta de Ku (14,5÷14,75 GHz), que suelen ser usadas para la transmisión.

Las antenas usadas en estas bandas suelen ser de tipo parabólico, por lo que la alimentación de la antena es a través de una guía de onda circular por la que viaja el modo TE11, su primer modo de propagación, en el que el campo eléctrico se propaga en el plano YZ, siendo horizontal si el modo de vibración máximo está en el eje Y y vertical si está en el eje Z, mientras que el campo magnético tiene componente en la dirección de propagación X. El vector de propagación se define como \vec S = \vec E \times \vec H y es perpendicular al plano de propagación de \vec E.

Por tanto, el ortomodo tiene una entrada en guía circular, que tiene que adaptarse a una guía cúbica cuyas aristas sean el doble de la longitud de onda de corte, que es la máxima longitud de onda a la que funcionan las guías rectangulares. Esta dimensión es A en la figura siguiente

A partir de ahí, el ortomodo se adapta en la dirección principal (V-pol) usando una transición de impedancia, mientras que la dirección secundaria (H-pol) se extiende con las aperturas de la guía cúbica interna

De estas estructuras internas, se acaba en una guía WR75, que es la estándar para la banda Ku.

SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

El OMT se analiza usando un simulador de diferencias finitas (FEM), obteniendo los siguientes resultados:

Para la polarización horizontal, se excita en la guía de onda circular un modo TE11 con el campo principal vibrando en el eje Y, siendo el puerto 1 el que se excita en esta guía. Los puertos de salida son el puerto 2 para la polarización vertical y el puerto 3 para la horizontal. Tal y como tiene que funcionar el ortomodo, discriminando los modos de propagación, para el modo TE11 excitado en la guía circular tiene que verse un modo TE10 (modo dominante en una guía rectangular) en el puerto 3 y aislamiento en el puerto 2.

 

El resultado que se puede ver en la figura muestra cómo la propagación del campo eléctrico llega al espacio central, se refleja en la guía correspondiente al puerto 2, y se propaga a través de la guía del puerto 3. El modo de propagación en este puerto es el TE10, vibrando en el eje Y (corresponde a la polarización vertical). La banda más favorecida en este ortomodo es la banda Ku baja (12÷12,5GHz).

Cambiando la orientación del modo de propagación en la guía circular, con el campo orientado en el eje Z, correspondiente a la polarización vertical, el campo excitado tiene que verse, en este caso, en la puerta 2, quedando la puerta 3 aislada. El modo en la puerta 2 será de nuevo un TE10, pero en este caso vibrando en el eje Z. La siguiente figura nos muestra la propagación de la polarización vertical.

La transmisión es directa hacia el puerto 2, quedando el puerto 3 aislado por reflexión en su guía de onda de salida, por lo que estamos discriminando ambas polarizaciones. En este caso, la banda que usa la polarización vertical es la banda alta de Ku (14,25÷14,75 GHz).

Los resultados obtenidos, en términos de parámetros S, son los siguientes:

Pol Freq (GHz) S11 (dB) S21 (dB) V-pol S31 (dB) H-pol
H 12,25 -17,95 -52,24 -0,07
V 14,50 -12,81 -0,23 -68,17

donde se puede comprobar que en la polarización horizontal hay más de 50 dB de rechazo a la vertical y en la vertical hay más de 65 dB de rechazo a la horizontal, lo que convierte al dispositivo en un excelente discriminador, realizado simplemente con un cuerpo mecánico. Representando los parámetros en la carta de Smith, se obtiene

Las excelentes pérdidas de retorno en la polarización horizontal proporcionan unas pérdidas de paso muy bajas, por lo que la figura de ruido del receptor no se ve apenas tocada en poco menos de una décima. Sin embargo, las pérdidas de retorno de la polarización vertical hacen que las pérdidas de paso sean algo mayores que dos décimas.

DISIPACIÓN DE ENERGÍA EN EL CUERPO DEL OMT

Calculando los campos, también podemos obtener la disipación de energía en el OMT. El cuerpo metálico del OMT es aluminio,y excitando ambas polarizaciones con 10kW, las pérdidas electromagnéticas obtenidas en el metal son las siguientes:

Pol Freq (GHz) Disipación de potencia total (mW)
H 12,25 148,64
V 14,25 128,18

donde se puede ver que la disipación de potencia que sufre el dispositivo diseñado es menor que 250 mW, con una alta potencia de entrada, lo que le hace un dispositivo idóneo para aplicaciones de mezcla de señales.

CAMBIO DE POLARIDADES

Generalmente, las polaridades en los equipos de satélite se intercambian. Se mantiene, sin embargo, que si la polarización del receptor es horizontal, la del transmisor es vertical. Y a la inversa.

Como el dispositivo es un dispositivo geométrico, para cambiar las bandas de las polaridades basta con rotar el dispositivo 90 deg. De este modo, lo que antes era polaridad horizontal y correspondía a la banda baja de Ku, pasa ahora a ser vertical, manteniendo las mismas características.

CONCLUSIONES

En esta entrada, una vez más, vemos la importancia que tiene la simulación para obtener un diseño lo más adecuado posible a las características que deseamos. Otra vez analizamos los resultados obtenidos gracias al método de los elementos finitos (simulación FEM) en un dispositivo muy utilizado en telecomunicaciones de satélite. En este caso, las características a obtener son muy críticas, debido a la distancia entre terminal y satélite, necesitando minimizar las pérdidas de inserción a valores inferiores a una décima de dB para lograr el máximo rendimiento del dispositivo.

REFERENCIAS

  1. Robert E. Collin, “Field Theory of Guided Waves”, Wiley-IEEE Press, Dec 1990, 2nd Edition, 864 pages, ISBN 978-0-879-42237-0
  2. O. A. Peverini, R. Tascone, A. Olivieri, M. Baralis, R. Orta and G. Virone, “A microwave measurement procedure for a full characterization of ortho-mode transducers,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 51, no. 4, pp. 1207-1213, April 2003.
    doi: 10.1109/TMTT.2003.809629
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