Técnicas de radio frecuencia

2.1 Acoplamiento de impedancias, coeficiente de reflexión, VSWR y Return Loss.
Idealmente los circuitos de radio frecuenta y microondas están constituidos de interconexiones de componentes. Estos componentes incluyen elementos pasivos discretos, tales como, capacitores, bobinas y resistencias. Incluyen también elementos distribuidos tales como, cables, microstrip y guías de onda. . Y incluyen también elementos activos tales como, transistores FETs y bipolares, y diodos.
Configurar modelos de circuitos con los elementos mencionados, de acuerdo a una topología determinada, con el uso de una herramienta de CAD, usualmente lleva a un circuito cuyas especificaciones cubren nuestros requerimientos.
Desafortunadamente, esta visión simplista de diseño de RF y microondas, usualmente no concuerda con la realidad. La razón de esta discrepancia puede ser atribuida a una de las siguientes razones:

• La frecuencia de operación es tal, que los elementos del circuito muestran un comportamiento complejo, no representado por la definición pura, utilizada durante el análisis y diseño.

• El diseño del circuito impreso incluye vías de acoplamiento, no consideradas en el diseño.

• El tamaño de las dimensiones transversales de las líneas de transmisión con respecto a la longitud de onda, no es despreciable. Por lo tanto, energía adicional no deseada es almacenada.
• El empaque del dispositivo o circuito se convierte en una cavidad de almacenamiento de energía, que absorbe algo de la energía que pasa a través de el.
• La fuente de alimentación no esta suficientemente desacoplada

El grado de acoplamiento de impedancias entre las diversas partes del circuito no es bueno, de tal manera que VSWR altos se generan en el circuito, provocando ineficiencia transferencia de energía y rizo en la repuesta a la frecuencia del circuito.

Acoplamiento de impedancias.
Cuando se hacen implementaciones prácticas de aplicaciones de RF, siempre aparece un problema que debe ser tratado con especial cuidado, este problema es el de “acoplamiento de impedancias”, este término se refiere a hacer todo lo necesario para que exista una transferencia adecuada de señales y potencia de una “fuente” a una “carga”. Por ejemplo, de un amplificador a otro, de un amplificador al cable, del cable a un receptor.
A frecuencias de RF (mas de 100 MHz), los elementos espurios tales como; la inductancia de las conexiones, la capacitancia de los circuitos impresos, la resistencia de los conductores, etc. Tienen un impacto significativo e impredecible sobre el circuito y su acoplamiento de impedancias. A frecuencias arriba de unas cuantas decenas de Megahertz, los cálculos teóricos y simulaciones de computadora a menudo son insuficientes. Mediciones de laboratorio y trabajo de sintonización adicional, es necesario para obtener resultados satisfactorios en nuestro circuito. Hay muchas maneras de relaizar el acoplamiento de impedancias, algunas de estas son:

• Simulaciones con computadora. Un método complejo, ya que requiere que quien las usé este familiarizado con múltiples datos de entrada que requiere la simulación. Asimismo, se requiere saber seleccionar los resultados correctos y útiles, dado que este tipo de simulaciones arrojan una gran cantidad de resultados.

• Cálculos manuales. Demasiado tediosos, ya que requieren la solución de ecuaciones muy largas y debido ala complejidad de los datos que manejan.

• Instinto. Se adquiere después de muchos anos de experiencia, en suma, método usado solo por los especialistas.

• Carta de Smith. Método explicado más adelante.

Para obtener una máxima transferencia de energía de una fuente a una carga, la impedancia de la fuente debe ser igual a la impedancia compleja de la carga, puesto en ecuación:


Figura 2.1 Diagrama de impedancias de carga y fuente.


Bajo esta condición, la energía transferida de la fuente a la carga es la máxima. Además, esta condición se requiere para evitar que exista reflexión de energía de la carga de regreso a la fuente. Esto es especialmente verdadero para ambientes de alta frecuencia como líneas de video y redes de microondas y RF. Ver figura 2.1.
Reactancia. La reactancia es la tendencia de un circuito de oponerse al paso de corriente y es dependiente de la frecuencia.
Reactancia inductiva. Xl es la reactancia debida a los devanados de bobinas, chokes y transformadores. Cualquier dispositivo que tenga un arrollamiento de alambre es un inductor, la reactancia inductiva se define como



Donde la ω es la frecuencia angular y L es el valor de la inductancia. La reactancia es un valor imaginario.
Reactancia capacitiva. Xc es la reactancia en un circuito causada por la capacitancia del mismo y se define como:



Donde C es la capacitancia y ω es la frecuencia angular.
La impedancia de un circuito, típicamente esta formada por resistencia y algún tipo de reactancia, ya sea inductiva o capacitiva.



Por lo tanto la impedancia puede ser un número real o un número complejo.



Figura 2.2 Coeficiente de reflexión.