MODERNIZACIÓN DE LA PROTECCIÓN DE LA LÍNEA

DE RECEPCIÓN DEL ROJ

Darwin Córdova Vivas

Radio Observatorio de Jicamarca

Laboratorio de Electrónica e Instrumentación

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 2

Contenido• ¿ Qué es un limitador de señal?.• Antiguo limitador de señal de Jicamarca.• Comportamiento del limitador antiguo de señal de

Jicamarca.• Análisis del limitador de Jicamarca en la Carta de

Smith.• Circuito equivalente del limitador antiguo de señal de

Jicamarca.• Nuevos requerimientos del limitador de señal del ROJ.• ¿Cómo es posible limitar una señal utilizando diodos?.• Características que debe tener el diodo.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 3

Contenido• Modelamiento del diodo a distintos anchos de

pulso.• Elementos utilizados para resolver el problema.• Análisis del limitador con diodos.• Disposición del limitador utilizado.• Medición del limitador con diodos.• Módulos de diodos construidos.• Primeros datos tomados.• Conclusiones.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 4

¿Qué es un limitador de señal?

• El dispositivo que protege a los equipos electrónicos de un exceso de potencia en la señal de entrada.

• Dependiendo del tipo de control que tiene puede ser:– Activo: Este requiere de algún tipo de señal de control

( por ejemplo: los diodos pin utilizados en el Blanking del Radar).

– Pasivo: Este no requiere ningún tipo de control externo y se activa al pasar una señal de voltaje alto (por ejemplo: barras de Tungsteno, diodos)

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 5

Antiguo limitador de señal de Jicamarca

• El limitador de señal de Jicamarca consta de una línea de transmisión de cobre de 3 metros de longitud aproximadamente.

• Los diámetros externos e internos son 15.3 y 6.5 cm. respectivamente.• Ambos extremos presentan cortos circuitos de 7 cm. de longitud,

hechas con la misma línea de transmisión.• En la parte media del limitador se tienen barras de tungsteno,

espaciadas en una fracción de milímetro, las cuales son conocidas como “Spark Gaps”.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 6

Comportamiento del limitador antiguo de señal de Jicamarca

• El efecto de los cortos circuitos en la señal que atraviesa al limitador en su punto medio, es semejante al de un elevador de voltaje.

• La ganancia en voltaje en el punto medio es aproximadamente igual a 20.

• La elevación de voltaje en el punto medio del limitador provoca la ionización del aire entre los tungstenos, como consecuencia, se genera un arco eléctrico.

• Es decir, si la señal que ha ingresado es suficientemente alta para generar la ionización (ruptura eléctrica del aire es 30000 V/cm.) entre los “Spark Gaps”, se va a generar un corto circuito en estos.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 7

Comportamiento del limitador antiguo de señal de Jicamarca

• Esta forma de limitar no es 100% efectiva, porque permite el paso de señal que no ha alcanzado el voltaje de ruptura.Por ejemplo, cuando se trabaja con los transmisores de 1.5 Mega vatios se obtienen valores de 800 Vpp, antes que la señal ingrese al limitador, y 180 Vpp después de pasar por éste.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 8

Análisis del limitador de Jicamarca en la Carta de Smith

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 9

Circuito equivalente del limitadorantiguo de señal de Jicamarca

Limitador con: Voltaje de polarización directa VD (V)Barras de tungsteno (*) 2000 aproximadamente Diodos Schottky 1 (*) Voltaje de ruptura del aire es 30000V/cm

ENTRADADE SEÑAL

SALIDA DESEÑAL

VD

1:20 20:1

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 10

Características del antiguo limitador de señal del ROJ

• El sistema de recepción de Jicamarca está diseñado para cuatro receptores, cada uno de éstos con su respectivo amplificador de señal de etapa previa “Front End” y limitador de señal.

• La protección requerida no era excesivamente critica, debido a que los “Front End's” antiguos de Jicamarca pueden soportar picos de voltaje del orden de 200 Vpp, en sus entradas.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 11

Nuevos requerimientos del limitador de señal del ROJ

• Necesidad de una mejor protección de los nuevos sistemas de recepción (receptores digitales, interruptores digitales, pre-amplificadores de bajo ruido).

• Necesidad de mayor ancho de banda.• Necesidad de una línea que no afecte a la

señal recibida, es decir, bajas perdidas y baja degradación del nivel de ruido.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 12

¿Cómo es posible limitar una señal utilizando diodos?

• El voltaje alto es limitado por el voltaje de polarización directa de los diodos, los cuales se arreglan en forma paralela de sentido inverso, permitiendo manejar los voltajes positivo y negativo.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 13

Características que debe tener el diodo

• Debe tener capacidad de disipar el calor que va a soportar durante su funcionamiento.

• Debe tener poco efecto en la línea de transmisión, es decir, tener baja capacitancia.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 14

• Parámetros del diodo– Eléctrico.

-Voltaje de polarización directa (VD).-Voltaje máximo de polarización inversa (VR).-Capacidad de juntura (Cj).-Corriente máxima no repetitiva (IFSM), es aquella que pasa por el semiconductor teniendo entre pulso y pulso un periodo largo de descanso.-Tiempo de transmisión no repetitiva (TFSM), es el máximo ancho del pulso para una señal no repetitiva.-Corriente máxima repetitiva (IFRM), es aquella que pasa por el semiconductor para una señal periódica.-Tiempo de transmisión síncrona (TFRM), es el ancho del pulso para una señal repetitiva.-Corriente directa (IFD), es la máxima corriente que circula en forma continua

– Térmico.-Temperatura de estabilidad (Tj), es la temperatura de la unión en

la cual se estabiliza el semiconductor y comienza el intercambio de calor entre éste y el medio ambiente ó el disipador.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 15

Elementos utilizados para resolver el problema

• Elementos teóricos:– Línea de transmisión:

CjGLjRZ o ϖ

ϖ++

=

( )xZZxZZZxZ

LO

oLo β

βtantan

++

=

ticacaracteríspedanciaImZondadelongitud

fasedeconst

o =

=

==

λλ

πβ 2.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

dDZ

ro log*138

ε

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 16

Se tiene:T(i,t) es la temperatura de la unión en el semiconductor que es función de la corriente (i) y el tiempo de duración (t), éste valor tendrá las unidades en grados Kelvin.Ki es una constante que nos da el crecimiento de la curva, éste tendráunidades en grados Kelvin sobre mA.K1 es una constante de decrecimiento.n es un exponente que afecta el decrecimiento del exponencial.t es el tiempo de transmisión en ms.Ta es la temperatura ambiente normalmente en 25 grados centígrados.

Modelamiento del diodo a distintos anchos de pulso

( )nitki eiktiT **11**),( −−=

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 17

Análisis del limitador con diodos• El arreglos esta conformado por:

– 8 diodos en serie– 4 líneas en paralelo

2.5pF=

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 18

Disposición del limitador utilizado

• Se dispuso módulos distanciados 82 cm., lo cual equivale a 2 metros de cable RG8, RG58

DIODOS

85 cm85 cm

RG8RG8

DIODOS

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 19

Medición del limitador con diodos• Medición de ancho de banda• Perdidas a través del limitador

5010 20 30 40 60 70 80 90 100MHz

REFERENCIA 1dB

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 20

Módulos de diodos construidos

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 21

Primeros datos tomados

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 22

Conclusiones

• La solución propuesta permite lo siguiente: – Soportar la remanente de la potencia de transmisores de

alta potencia del ROJ– Bajas perdidas– Ancho de banda mayor a 4 MHz– Baja degradación de la figura de ruido

• Todo ello va a permitir realizar experimentos usando los nuevos preamplificadores de alta sensibilidad y, por lo tanto, mejorar la calidad de señal.

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 23

FIN

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 24

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 25

09/01/2006 Radio Observatorio de Jicamarca 26