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#1 02-12-2017 21:28:23

Patcher
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Diseño y contrucción de un acoplador en anillo de 4 puertos (Rat-Race)

Antes de nada he de decir que este es un trabajo que desarrollé, hace ya un par de años, en el marco del proyecto Belgrano y que fué publicado en el foro de Zero13wireless. Desafortunadamente el foro de Zero13 ha ido callendo en una agonica decadencia hasta su enesima desaparición que ha ocurrido hace escasas semanas. Es por ello que he decidido publicarlo aquí para todos aquellos que todavía deseen consultarlo.

Divisores de potencia y acopladores direccionales

Los divisores de potencia y acopladores direccionales son dispositivos pasivos usados en el campo de la radio tecnología. Estos dispositivos acoplan parte de la potencia transmitida a través de una línea de transmisión hacia otro puerto. En toda la literatura es una constante que esto suponga unas perdidas por acoplamiento del orden de 3dB. Es decir, reparten la potencia a partes iguales entre los puertos acoplados, mitad en uno y mitad en el otro.

Los acopladores pueden ser fabricados de distintas formas, una de ellas es como un circuito híbrido en anillo, también conocido como rat-race (camino de ratas). Está formado por cuatro puertos de conexión, dispuestos sobre una estructura circular en forma de anillo. Se trata de un dispositivo bidireccional que pueden ser utilizado como divisor de potencia o como combinador de señales.

Anillo_dimensiones.jpg

El grafico anterior muestra la topologia teorica de un acoplador rat-race. Si una señal es aplicada al puerto 1 se dividirá en forma equitativa en dos componentes en fase en los puertos 2 y 3, y el puerto 4 quedará aislado. Cuando se opera como sumador, las señales aplicadas a los puertos 2 y 3 serán sumadas en el puerto 1, y la respectiva diferencia quedará en el puerto 4. Por lo tanto, los puertos 1 y 4 se definen respectivamente como la suma y la diferencia de los puertos 2 y 3.

Su funcionamiento se puede explicar de forma gráfica, o almenos yo es así como mejor lo he entendido, si descomponemos la fase de la señal en una gráfica cartesiana.

Si tomamos como referencia el puerto 1, la señal aplicada al mismo viaja, hasta cada uno de los otros puertos, a través del anillo, siguiendo dos caminos a derecha e izquierda de este.

De forma que los puertos acoplados(2 y 3) reciben ambas señales en fase:

Puertos_Acoplados.jpg

Miestras que el puerto 4 las recibe en contra fase y por tanto ambas se anulan, por lo que respecto al puerto 1 este no recibirá señal alguna, de ahí la definición de puerto aislado.

Puerto_Aislado.jpg

A los siguientes capítulos mostraré la simulación con CST y su construcción física, para finalizar con un vídeo con las pruebas de campo.

Ultima edición por Patcher (02-12-2017 21:53:39)

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#2 02-12-2017 21:34:12

Patcher
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Registrado: 14-01-2016
Mensajes: 500

Re: Diseño y contrucción de un acoplador en anillo de 4 puertos (Rat-Race)

Simulación

En toda la literatura que he consultado, siempre acaban construyendo estos acopladores sobre una placa de circuito impreso de doble cara, no los he visto de otra forma, pero para nuestra técnica no me pareció adecuado por la variabilidad en las características de los materiales y a las tolerancias en la construcción artesana, por lo que el acoplador en anillo que ahora os presento puede construirse con las mismas técnicas empleadas para la construcción de las antenas a las que ya estamos acostumbrados. solo se requiere un trozo de chapa y una pequeña placa de circuito impreso (PCB).

Antes de acometer su construcción y para certificar los cálculos teóricos realizados, decidí realizar su simulación mediante el software MicroWave Studio CST.

Modelo_CST_Front.jpgModelo_CST_Left.jpgModelo_CST_Back.jpg

La forma de entender las gráficas es algo diferente al que estamos acostumbrados cuando simulamos antenas, pero son fácilmente comprensibles.


Graficas_S.jpg

Estas muestran un nivel de acoplamiento de 3dB entre el puerto 1 y los puertos 2 y 3, así como un nivel de aislamiento de 70dB entre el puerto 1 y el puerto aislado 4.

Lo siguiente es una animación de la circulación de campo a través del anillo, al excitar el puerto 1.

Animaci_n_EField.gif

Fijaos como se transfiere la señal a los puertos 2 y 3 y como el puerto 4 permanece aislado.


Tras unos pequeños ajuste sobre las dimensiones teóricas y varias simulaciones, parece que todo está en orden para acometer la construcción.

No quiero finalizar este apartado sin brindar un especial agradecimiento al maestro Synthex por sus manuales y tutoriales sobre CST, los cuales me han resultado imprescindibles.

Ultima edición por Patcher (02-12-2017 21:41:49)

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#3 02-12-2017 21:36:49

Patcher
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Registrado: 14-01-2016
Mensajes: 500

Re: Diseño y contrucción de un acoplador en anillo de 4 puertos (Rat-Race)

Construcción

Como ya mencioné el proceso de construcción es similar al de las antenas de PCB sobre reflector de chapa que ya estamos acostumbrados a construir. Aunque yo he preferido construir el anillo sobre PCB tambien sería posible hacerlo en chapa, sólo seria necesario recalcular las dimensiones adecuadas en ese caso, por ello creo que no me equivoco si afirmo que sigue el método de construcción Belgrano.

Consta de un plano de masa en chapa de 1mm y un PCB con el diseño del anillo, situado a 3mm del primero. En mi caso he empleado fibra de vidrio (FR-4), aunque podria construirse tambien en vaquelita, y aún sin cambiar nada estoy seguro de que los resultados no variarían sustancialmente pues este metodo de construcción los absorve sobre manera.

IMG_20150803_181007.jpgIMG_20150803_181938.jpgIMG_20150803_183633.jpg
IMG_20150803_184557.jpgIMG_20150803_185407.jpgIMG_20150805_171616.jpg
IMG_20150818_133811.jpgIMG_20150818_133829.jpgIMG_20150818_133840.jpg

Os adjunto aquí las plantillas de construcción para su construcción tanto en PCB como en chapa de 0,2mm, recordad que debeis imprimirlas a escala real.
Cotas anillo en chapa
Plantilla anillo en chapa
Cotas anillo PCB
Plantilla anillo PCB

A continuación podreis ver las primeras pruebas.

Ultima edición por Patcher (02-12-2017 21:56:48)

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#4 02-12-2017 21:43:25

Patcher
Very Important Usuario

Registrado: 14-01-2016
Mensajes: 500

Re: Diseño y contrucción de un acoplador en anillo de 4 puertos (Rat-Race)

Pruebas de funcionamiento, parte 1 - Modo sumador de señales

La intención de estas primeras pruebas de campo es comprobar como se comporta cada uno de los puertos del acoplador, para finalizar conectando una antena a cada uno de los puertos 2 y 3, comprobando como se genera un ligero aumento de la señal registrada en el puerto 1.

Como no tenia dos antenas iguales he optado por emplear la Belgrano cátaro del maestro Mandarache y la OWL del maestro Falcon622, puesto que ambas tienen prácticamente la misma ganancia.

IMG_20150820_141617.jpgIMG_20150808_125727.jpg


Para monitorizar las señales he empleado la versión 2 de WifiBabel por su capacidad de monitorizar varias señales al mismo tiempo.

en esta segunda prueba emplearé la Gamma M del maestro DragonFly, sus dos nucleo me vendrán muy bien para mostraros con mayor claridad el efecto de suma de señales del anillo, y además con una antena MIMO, con sus dos nucleos enfasado ya de serie . Esta es otra posible aplicación del anillo.

Quedan cosas por pulir y más pruebas por hacer; El aumento de ganancia es muy ligero pero creo que se aprecia de forma clara, de momento me doy por satisfecho al constatar que las pruebas van coincidiendo con la teoría, ese es mi objetivo.

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#5 02-12-2017 21:44:51

Patcher
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Registrado: 14-01-2016
Mensajes: 500

Re: Diseño y contrucción de un acoplador en anillo de 4 puertos (Rat-Race)

Pruebas de funcionamiento, parte 2 - Compartiendo recursos

Hasta ahora nos hemos centrando en los puertos acoplados y no habíamos hablado mucho respecto a los puertos aislados. ¿Tiene el aislamiento entre puertos alguna utilidad practica?, en esta prueba veremos que tienen mucho que aportar...

Para ello he preparado un montaje con el que pretendo conectar dos tarjetas a una misma antena, es decir, ambas tarjetas emplearan la misma antena, al mismo tiempo y sin interferirse, ¿Es esto posible...?, hasta ahora sólo había oído hablar de esta posibilidad, pero no había tenido la oportunidad de verlo de forma practica.

Como ya hemos visto los puertos 2 y 3 están acoplados al puerto 1, lo que no hemos dicho hasta ahora es que además estos puertos, están aislados entre sí y este es el factor determinante que me permitirá realizar la prueba.


Graficas_S2.jpg

De igual forma que cuando analizábamos el puerto 1, si nos fijamos ahora en esta gráfica, podremos observar como existe un nivel de aislamiento de 70dB entre ambos puertos, así como el nivel de acoplamiento de 3Db con el puerto 1.

Me ha costado mucho realizar este vídeo, tanto que he tenido que grabarlo varias veces. El consumo de CPU al escanear con varias tarjetas es muy elevado y el refresco de señal se congelaba por momentos. Aunque esta toma ha sido de las mejores, todavía se aprecia ese efecto en algún momento y por ello os pido disculpas. Aun así, muestra claramente lo que quería que vierais.

Con esto finalizo de momento este hilo, ya sólo me queda agradecer vuestra atención así como vuestros amables comentarios. Si algo no se ha entendido bien, por favor preguntad.

Un saludo.

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#6 02-12-2017 22:22:04

crash
Usuario

Registrado: 25-10-2017
Mensajes: 829

Re: Diseño y contrucción de un acoplador en anillo de 4 puertos (Rat-Race)

buen trabajo. ultimamente el foro Zero13wireless, esta muy a menudo fuera de servicio. yo también ando por ahí registrado. hace 5 años o alguno mas.

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#7 03-12-2017 13:01:01

kcdtv
Administrator

Registrado: 14-11-2014
Mensajes: 4,124

Re: Diseño y contrucción de un acoplador en anillo de 4 puertos (Rat-Race)

Me da casi vergüenza: Wifi-libre no es digno de alojar un material tan bueno. big_smile
Pongo una chincheta a este pedazo de temazo. smile

Desafortunadamente el foro de Zero13 ha ido callendo en una agonica decadencia hasta su enesima desaparición que ha ocurrido hace escasas semanas

¡Vaya perdida! hmm
Acabo de poner "zerowireless" en google y está completamente "desreferenciado", las peticiones con url "zerowireless" están redirigidas directo hacía

http://www.zero13wireless.net/cgi-sys/suspendedpage.cgi

No pinta bien...   ...Haces bien Patcher en respaldar esto.
Y cualquiera que tenga material de este gran foro está por supuesto más que bienvenido a ponerlo aquí.
Es muy mala noticia: Zerowireless era el mejor foro del mundo sobre antenas wifi.
No he visto en ninguna parte  proyectos "open source" comparables al Belgrano.
Espero que sea solo una historia de facturas no pagadas y que zerowireless vuelva en linea.

Desconectado

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