Grupo de Investigación en
Tecnologías Avanzadas
de Telecomunicación y
Procesamiento de Señales
Introducción
Maytee Zambrano N., Ph. D.
Universidad Tecnológica de Panamá, Panamá.
maytee.zambrano@utp.ac.pa
http://gitts.utp.ac.pa/
1
Examples of EM Applications
2
1
Líneas de Transmisión y Antenas
Temario
1.
2.
3.
4.
5.
Introducción
Líneas de Transmisión
Propagación de Onda Plana
Guías de Onda y Cavidades Resonantes
Radiación y Antenas
3
3
Grupo de Investigación en
Tecnologías Avanzadas
de Telecomunicación y
Procesamiento de Señales
Capítulo 1.
Introducción
Repaso y temas básicos para el
desarrollo del temario del curso
LCD technology relies on special electrical and optical properties of a class of materials known as liquid crystals,
which are neither pure solids nor pure liquids but rather a hybrid of both. The molecular structure of these materials is
such that when light travels through them, the polarization of the emerging light depends on whether or not a voltage
exists across the material
4
2
Red de Comunicaciones
por Microondas
5
5
Dimensiones, Unidades
y Notación
• Sistema Internacional de Unidades
 Estas son las seis dimensiones fundamentales
 Las unidades para todas las otras dimensiones se consideran
secundarias porque están basadas y pueden expresarse en
términos de las seis unidades fundamentales.
6
6
3
Prefijos
• Para cantidades cuyos
valores están en los
rangos entre 10-18 y
1018, se utilizan un
conjunto de prefijos,
ordenados en pasos de
103, para denotar
múltiplos y
submúltiplos de las
unidades.
7
7
8
4
9
10
5
Fundamental Forces of
Nature
11
Gravitational Force
Force exerted on mass 2 by mass 1
Gravitational field induced by mass 1
12
6
Charge: Electrical
property of particles
Units: coulomb
• One coulomb: amount of charge accumulated in one second by
a current of one ampere.
• 1 coulomb represents the charge on ~ 6.241 x 1018 electrons
• The coulomb is named for a French physicist, Charles-Augustin
de Coulomb (1736-1806), who was the first to measure
accurately the forces exerted between electric charges.
Charge of an electron
e = 1.602 x 10-19 C
Charge conservation
Cannot create or destroy charge, only transfer
13
Electrical Force
Force exerted on charge 2 by charge 1
14
7
Electric Field In Free
Space
Permittivity of free space
15
Electric Field Inside
Dielectric Medium
• Polarization of atoms
changes electric field
• New field can be
accounted
for
by
changing
the
permittivity
Permittivity of the material
Another quantity used in
EM is the electric flux
density D:
16
8
Magnetic Field
• Electric charges can be isolated, but magnetic poles always exist
in pairs.
• Magnetic field induced by a current in a long
wire
Magnetic permeability of free space
Electric and magnetic fields are
connected through the speed of light:
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Static vs. Dynamic
• Static conditions: charges are stationary or moving, but
if moving, they do so at a constant velocity.
Under static conditions, electric and magnetic fields are
independent, but under dynamic conditions, they become coupled.
18
9
Material Properties
19
Notación
• Cantidades Escalares
• Vectores
E  xˆ E
• Vector unitario (dirección)
• Cantidades Instantáneas
E(t )
• Cantidades Fasoriales (de funciones que varían
senoidalmente en el tiempo)
~
E
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20
10
Campos Estáticos y
Dinámicos
Ya que:
• E está gobernado por la carga q,
• H está gobernado por I = dq/dt,
• La carga q y d/dt son variables independientes,
Entonces:
• Los campos inducidos eléctrico y magnético son independientes
uno del otro mientras I permanezca constante.
Electrostática y Magnetostática:
• Corresponden a cargas estacionarias y a corrientes constantes.
• Representan ramas independientes del electromagnetismo,
caracterizadas porque los campos eléctrico y magnético inducidos
no están acoplados uno al otro.
21
21
Campos Estáticos y
Dinámicos
Dinámica:
• Involucra campos variables con el tiempo inducidos por fuentes
variables con el tiempo (corrientes y densidades de carga).
• Los campos eléctrico y magnético están acoplados uno al otro.
• Un campo eléctrico variable con el tiempo generará un campo
magnético variable con el tiempo y viceversa.
Parámetros que caracterizan a los materiales – Parámetros
Constitutivos de un Material
•
•
•
•
Permitividad eléctrica
 (F/m)
Permeabilidad magnética  (H/m)
Conductividad
 (S/m)
Medio homogéneo: los parámetros constitutivos son constantes a
través del medio.
22
22
11
Ondas Viajeras
 Las ondas son una consecuencia natural de muchos procesos físicos:
olas, sonido, luz, etc.
 Todos estos tipos de ondas exhiben un número común de propiedades:
 Las ondas viajeras llevan energía de un punto a otro.
 Las ondas tienen velocidad.
 Algunas ondas presentan la propiedad de linealidad.
Las ondas electromagnéticas y de sonido son lineales.
 Tipos de Ondas
 Ondas Transitorias causadas por perturbaciones de corta
duración.
 Ondas armónicas continuas generadas por una fuente oscilatoria.
 Una característica importante de una onda que se propaga es que es
una perturbación auto sostenida del medio a través del cual viaja.
23
23
Ondas Viajeras
 Onda uni-dimensional: si la perturbación
varía como una función de una variable de
espacio.
 El desplazamiento vertical varía con el
tiempo y con la localización a lo largo de la
cuerda.
 Onda de dos dimensiones: se propaga a
través de una superficie hacia fuera. La
perturbación se puede describir por medio
de dos variables de espacio.
 Onda de tres dimensiones: se propaga a
través de un volumen y su perturbación se
puede describir como una función de las
tres variables de espacio.
• Ondas planas, cilíndricas y esféricas.
24
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12
Onda Sinusoidal en un
Medio Sin Pérdidas
 Medio Sin Pérdida: Es aquel que no produce atenuación de la
amplitud de una onda que viaja a través del mismo o sobre su
superficie.
 Ecuación de una onda uni-dimensional: y denota la altura de la
superficie del agua con respecto a la altura media (condición sin
perturbación) y x denota la distancia de la onda viajera, la
dependencia funcional de y del tiempo y la coordenada espacial x
tiene la forma:
 2π t 2π x

• A es la amplitud
y(x,t)  A cos

 o 
(m)
λ
 T

• T es el periodo
•  es la longitud de onda espacial
• o es la fase de referencia
25
25
Onda Sinusoidal en un
Medio Sin Pérdidas
 Fase:
(x,t)
y(x,t)  A cos   x , t 
(m)
 Velocidad de Fase: Se puede determinar si se escoge un nivel
o altura específico y se monitorea su movimiento como una
función de t y x. Esto equivale a fijar la fase (x,t) en un valor
constante.
 2π t 2 π x 

y(x,t)  yo  A cos

λ 
 T
o
2π t 2 π x
y 

 cos 1  o   constante
T
λ
 A
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26
13
Onda Sinusoidal en un
Medio Sin Pérdidas
 Derivando la expresión anterior con respecto al tiempo,
encontramos la velocidad de fase up =dx/dt:
up 
dx λ

dt T
m / s 
 up también se denomina velocidad de propagación.
 La dirección de propagación se determina inspeccionando los
signos de los términos de t y x en la expresión de (x,t):
• Si son de signos opuestos, la onda se propaga en dirección +x
• Si ambos signos son iguales, la onda se propaga en dirección
–x.
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Onda Sinusoidal en un
Medio Sin Pérdidas
 Otras relaciones:
1
• Frecuencia de una onda senoidal, f 
T
• Velocidad de fase,
• Onda,
2π

y(x,t)  A cos 2πft 
λ

 A cos t   x 
up  f λ
Hz 
m / s 

x

 Donde  es la velocidad angular de la onda y  es la
constante de fase ( o número de onda).

• Velocidad de fase,
up 
m / s 

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28
14
Onda Sinusoidal en un
Medio con Pérdidas
 En un medio con pérdidas la onda viajera reduce su amplitud
por un factor exponencial, e-x, llamado factor de atenuación,
y  se llama constante de atenuación del medio, y tiene
unidades de Np/m.
y(x,t)  Ae
 x
 En general,
cos t   x   o 
29
29
El Espectro
Electromagnético
 Espectro Electromagnético: familia de ondas que incluye la luz visible,
los rayos gama, rayos x, ondas de radio, ondas infrarrojo, entre otras.
 En general se denominan Ondas Electromagnéticas.
 Propiedades fundamentales:
• Una onda EM consiste de intensidades de campo eléctrico y magnético
que oscilan a la misma frecuencia f.
• La velocidad de fase de una onda EM que se propaga en el vacío es una
constante universal dada por la velocidad de la luz, c:
c
1
 o o
 3  108
(m / s)
• En el vacío, la longitud de onda  de una onda EM está relacionada con
la frecuencia de oscilación f por:
c
λ
f
30
30
15
El Espectro
Electromagnético
 Las ondas EM se distinguen por su longitud de onda, , o en forma equivalente por
su frecuencia de oscilación, f.
• Espectro visible:  = 0.4 m (violeta) a  = 0.7 m (rojo)
• Ondas más cortas: ultravioleta, rayos x y rayos gama
• Ondas más largas: infrarrojo, región de radio.
31
31
El Espectro de Radio
 Consiste de varias
bandas individuales.
 Cada banda cubre una
década del espectro de
radio y tiene una letra
para designarla
definida por el UIT.
32
32
16
33
Tech Brief 1: LED Lighting
•
Incandescence is
the emission of
light from a hot
object due to its
temperature
Fluoresce means to
emit radiation in
consequence to
incident radiation of a
shorter wavelength
When a voltage is applied in a forwardbiased direction across an LED diode,
current flows through the junction and
some of the streaming electrons are
captured by positive charges (holes).
Associated with each electron-hole
recombining act is the release of energy
in the form of a photon.
34
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Tech Brief 1: LED Basics
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Tech Brief 1: Light
Spectra
36
18
Tech Brief 1: LED
Spectra
Two ways to generate a broad spectrum, but the phosphor-based
approach is less expensive to fabricate because it requires only one LED
instead of three
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Tech Brief 1: LED Lighting
Cost Comparison
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Repaso de Números
Complejos
– Un número complejo z se escribe de la forma:
z = x +j y
– Alternativamente, z puede escribirse en forma
polar como:
j
z  ze
 z 
• Identidad de Euler:
e  j  cos  j sin 
• Complejo conjugado:
z *   x  jy   x  jy  z e  j  z   
*
• Operaciones: Adición, Multiplicación, División, Potenciación
39
39
Repaso de Fasores
• Análisis fasorial:
– Herramienta matemática útil para resolver problemas que
involucran sistemas lineales con una función de excitación
que sea periódica en el tiempo.
• El análisis fasorial permite:
– convertir las ecuaciones integro-diferenciales en ecuaciones
algebraicas lineales sin funciones senoidales.
– el análisis simplificado de sistemas lineales con excitaciones
periódica no senoidales, aplicando la expansión en series de
Fourier de la función periódica no senoidal – Principio de
superposición.
~
~e j t t
• Fasor Z de una función instantánea z(t): z ( t )  Re Z


40
40
20
Phasor Domain
Phasor counterpart of
41
Time and Phasor
Domain
It is much easier to deal
with exponentials in the
phasor domain than
sinusoidal relations in
the time domain
Just need to track
magnitude/phase,
knowing that everything
is at frequency 
42
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Phasor Relation for
Resistors
Time Domain Frequency Domain
Current through resistor
Time domain
i  I m cos  t   
  iR  RI m cos  t   
Phasor Domain
V  RI m 
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Phasor Relation for
Inductors
Time domain
Phasor Domain
Time Domain
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Phasor Relation for
Capacitors
Time domain
Time Domain
Phasor Domain
45
ac Phasor Analysis:
General Procedure
46
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47
Tech Brief 2:
Photovoltaics
48
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Tech Brief 2: Structure
of PV Cell
49
Tech Brief 2: PV Cell
Layers
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Tech Brief 2: PV System
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Transmisión de Ondas
Electromagnéticas
• Objetivo
– Transmisión de energía eléctrica o información de un punto a
otro.
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52
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Transmisión de Ondas
Electromagnéticas
Existen 2 métodos generales para la transmisión en ingeniería de
ondas EM:
– Propagación no guiada (ejemplo, antena-a-antena)
– Propagación guiada
• Líneas de transmisión (2 o más conductores) para ondas en
el rango de las RF a las mm del espectro EM, ondas de baja
energía.
• Guías de onda (conductores huecos) para ondas en el rango
de las RF a las mm del espectro EM, ondas de alta energía.
• Guías de onda dieléctricas, para longitudes de onda
infrarroja a visible (fibra óptica), ocasionalmente usada para
ondas m y mm.
• Sistemas de Tx Quasi-ópticos (lentes y espejos) para ondas
en el rango de mm a rayos-x.
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53
Transmisión de Ondas
Electromagnéticas
54
54
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Aplicaciones de
Transmisión de Onda EM
• Transferencia rápida de información codificada
–
–
–
–
Alta velocidad digital (chip-a-chip, intra-chip)
Comunicaciones celulares
Radio, televisión, Internet
GPS, comunicación satelital, comunicación de espacio profundo
• Detección o imagen
– Radar,
– Evaluación de salud no-invasiva, evaluación de estuctura nodestructiva
• Entrega de potencia
– Cocina por microonda
– Tratamiento de cáncer
– Procesamiento de materiales microondas o lásers
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55
Criterios de Diseño
• Eficiencia para transmisión de energía
– Pérdidas debido a absorción, reflexión, dispersión o expansión
difractora
• Integridad de la señal
– Con información (codificada), existe distorsión de señal?
(debido a absorción, reflexiones, dispersiones)
• Manufacturabilidad
– Puede ser fabricado? ¿Se puede llevar a cabo para
especificaciones incluso si las dimensiones varían
ligeramente? Es barato o caro de hacer? ¿Cuánto usuarios
quieren o lo necesitan? ¿Depende en gran medida de los
materiales o componentes con disponibilidad limitada?
56
56
28