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Propuesta
Trabajo de Grado
TÍTULO:
Diseño e implementación de un test-fixture para la caracterización de
materiales moldeables a un recipiente a una frecuencia de 2.4 GHz
ÁREA:
Telecomunicaciones
LINEA DE INVESTIGACIÓN: Instrumentación
PROPONENTES:
Jamer Leandro Acero Rodríguez
Código: 261056
E-mail: [email protected]
Jorge Alberto Cadena García
Código: 261074
E-mail: [email protected]
DIRECTOR:
Carlos Eduardo Sánchez Díaz
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
E-mail: [email protected]
PROGRAMA CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
2010
1.
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
En la electrónica a altas frecuencias generalmente se necesita saber las características
electromagnéticas de los materiales que se vallan a usar en una aplicación. Estos parámetros,
(constante dieléctrica y tangente de perdidas), en nuestro caso serán evaluadas a una
frecuencia determinada de 2,4 GHz. La constante dieléctrica de un material sencillamente es la
cantidad física que nos dice como un campo eléctrico afecta y es afectado por nuestro material,
es decir esta constante la podemos relacionar con la capacidad que tiene un material de
transmitir o permitir el paso de un campo eléctrico. Por otro lado la tangente de perdidas es la
medida que nos dice y nos cuantifica la pérdida de potencia en el medio.
Estas características son medidas actualmente con diferentes métodos experimentales, en
diferentes practicas, podemos ver métodos como las técnicas de reflectrometrìa en el tiempo
(TDR), el método de la guía cortocircuitada o el método de Roberts-Von Hippel, que a la larga
constituyen técnicas que llevan a realizar un experimento como tal para obtener las constantes
de carácter electromagnético después de un análisis de resultados. Además de este tipo de
experimentación, en el mercado podemos encontrar diferentes aparatos de medición que
automatizan estos tanteos y que nos arrojan resultados, es decir el valor de las constantes, de
una manera clara. Empresas dedicadas a desarrollar estos elementos de medición como lo son
Agilent Technologies nos ofrecen productos (test-fixtures), a un costo relativamente alto, que
permiten medir las características electromagnéticas, usando métodos como el de platos
paralelos o de recipientes simuladores de capacitores. También tenemos trabajos realizados
por estudiantes de la universidad (Oliver Silva y John Pantoja) como trabajo de grado en
donde se hicieron mediciones de parámetros electromagnéticos sobre arcilla lo cual demuestra
que el trabajo en esta área es posible y realizable
Como vemos actualmente para obtener las características anteriormente descritas de un
material, el cual pueda ser moldeable en un recipiente (esto incluye elementos en polvo o
líquidos) para aplicaciones como resonadores o antenas, es complejo o tiene un costo elevado,
por tal motivo la implementación de un elemento tal es justificable si su funcionamiento es
óptimo y el precio de su construcción en comparación a los que se encuentren en el mercado,
sea bajo.
2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
En este proyecto se busca lograr obtener el diseño e implementación de un elemento capaz de
obtener de manera precisa la caracterización electromagnética, específicamente constante
dieléctrica y tangente de perdidas, de algunos materiales que se puedan acomodar en un
recipiente (liquido y polvos para la construcción de dispositivos cerámicos), a una frecuencia
de 2,4 GHz. Hacer una debida calibración del instrumento de medida, teniendo en cuenta los
valores de cálculos teóricos y los dados por el fabricante del material a medir. Además de esto,
hacer un análisis comparativo entre los diferentes métodos que se encuentran disponibles
para obtener dichos parámetros, obteniendo así la técnica más eficiente en cuanto a costo y
efectividad.
1
3. OBJETIVOS

General:
Realizar el diseño y la implementación de un dispositivo capaz de medir parámetros
electromagnéticos como constante dieléctrica y tangente de pérdidas a una frecuencia
de 2,4 GHz a materiales que se acomoden a un recipiente.

Específicos:

Investigar y conocer las diferentes técnicas para la elaboración de test-fixtures
utilizadas en la actualidad para encontrar la más adecuada, en lo que respecta a
costos y eficiencia.

Realizar las simulaciones respectivas utilizando un software de simulaciones
electromagnéticas para obtener de manera teórica los
parámetros antes
mencionados.

Diseñar y construir prototipos del dispositivo medidor a partir de las
especificaciones de frecuencia para así obtener al más optimo.

Realizar la calibración del test-fixture (comparaciones teórico –experimentales)
4. ALCANCE DE LOS OBJETIVOS
El dispositivo a construir tendrá las siguientes características:

Operación en Banda angosta, específicamente 2.4 GHz.

Utilización de materiales moldeables a un recipiente tales como líquidos y polvos para
la creación de dispositivos cerámicos.

La permitividad del material,
(también llamada constante dieléctrica) estará
restringida al rango de medición: 1≤ εr≤100.

El parámetro definido como tangente de perdidas Tan δ deberá ser mayor a 0.01
2
5.
METODOLOGIA
Se desarrollará un estudio exhaustivo de las diferentes técnicas existentes para la
caracterización electromagnética y así lograr obtener la más adecuada para implementar, pues
es sabido que en el laboratorio de comunicaciones es totalmente necesario algún dispositivo
capaz de realizar dichas mediciones a altas frecuencias, ya que con los medios con los que se
cuenta se hace una tarea tediosa y costosa. Luego de tener totalmente identificada la técnica
más conveniente se procederá a la realización de medidas teóricas a partir de simulaciones y
posteriormente construir diferentes prototipos para el dispositivo y así, finalmente lograr
hacer la respectiva comparación experimental-teórica. El prototipo final a diseñar se
convertirá en una buena alternativa para la identificación de parámetros eléctricos necesarios
en la electrónica de altas frecuencias.
6.
ACTIVIDADES QUE SE DESARROLLARÁN:
1. Documentación: desarrollos de textfixtures actuales, clases de implementación que se han
llevado a cabo e investigaciones realizadas en caracterizar materiales en altas frecuencias.
Métodos de caracterización.
2. Estado del arte: hojas de datos de texfixtures desarrollados por diferentes empresas, métodos
más comunes y eficientes para la caracterización electromagnética.
3. Método de caracterización: estudio especializado sobre el método optimo para la
caracterización de substratos, teniendo en cuenta la frecuencia de 2,4 GHz
4. Diseño teórico del textfixture: estimar todos los cálculos pertinentes para la implementación.
Encontrar materiales adecuados para la construcción. Realizar las simulaciones pertinentes
usando software de simulación electromagnética, realización de cambios apropiados para la
para la construcción del prototipo.
5. Montaje: realizar la implementación física del medidor según las especificaciones obtenidas en
el diseño teórico, haciendo los cambios que se vean prudentes durante el proceso.
6. Pruebas y comparaciones: comprobar que el medidor de características electromagnéticas
funcione correctamente, es decir que tengamos resultados acerca de las variables a medir
(constante dieléctrica y tangente de perdidas). Comparación entre los resultados obtenidos y
los datos de los materiales a medir. Ajustes pertinentes para el óptimo funcionamiento.
7. Documentación del proyecto: soporte teórico del desarrollo del textfixture, especificaciones del
diseño, simulaciones explicadas, pruebas de funcionamiento con comparaciones y entrega
final de resultados con conclusiones.
3
7. CRONOGRAMA
semana/
actividad
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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1
2
3
4
5
6
7
8. COSTO DEL PROYECTO
Recursos físicos y/o humanos
costo
Presupuesto para la compra de componentes
electrónicos.
$ 500.000
Uso de equipos de laboratorio (por 4 meses)
$ 4.000.000
Director de proyecto
$ 1.200.000
Asesor de proyecto
$ 800.000
Remuneración de proponentes del proyecto (16
semanas)
$ 2.200.000
total
$ 8.700.000
4
9. FUENTES DE FINANCIACIÓN

Los equipos e instalaciones para el trabajo, la remuneración del director y el asesor del
proyecto van a ser financiados por la Universidad Nacional de Colombia.

Los costos de los componentes eléctricos van a ser financiados por los realizadores del
proyecto y, algunos elementos cuyo costo o ubicación sea mayor al presupuestado por los
proponentes, será financiado por la Universidad.

El recurso intelectual y el trabajo realizado, como diseño e implementación será asumido por
los proponentes del proyecto.
10. EQUIPOS E INSTALACIONES

Osciloscopios, fuentes, multímetros, sondas, puentes, generadores y demás instrumentos
serán suministrados por el departamento de eléctrica y electrónica, en el laboratorio de
comunicaciones.

Herramientas como soldador, implementación de PCB´s y otros elementos, estarán presentes
en el laboratorio.

Computadores y software libre pertenecientes a los proponentes del proyecto.
11. NUMERO DE ESTUDIANTES: __2___.
12. BIBLIOGRAFIA
[1] AGILENT TECNOLOGIES, “Basic Accurate Method to Measure the Dielectric Constant of a
Microwave Integrated-circuit substrate”, IEEE Trans. On microwave theory and technique, vol.
MTT-21
[2] NEBUT DEL BUSTO Eduardo, “caracterización de dieléctricos a frecuencia de microondas”,
julio 2004
[3] SILVA, Oliver – PANTOJA, John, “Diseño de Secador Industrial continuo a presión
atmosférica con microondas”, proyecto de grado ingeniería electrónica.
[4] WANG, Chen, “Determining Dielectric Constant and Loss Tangent in FR-4”, UMR EMC
laboratory technical report, March 2000
5
RESULTADO DE LA EVALUACIÓN DEL TEMA DE TESIS
DATOS GENERALES:
TITULO:
Diseño e implementación de un test-fixture para la caracterización de materiales que
se puedan acomodar a un recipiente a una frecuencia de 2,4 GHz.
NOMBRES:
Jamer Leandro Acero Rodríguez
Jorge Alberto Cadena García
DIRECTOR:
Ingeniero Carlos Eduardo Sánchez Díaz
Código: 261056
Código: 261074
RESULTADOS:
APROBADO
RECHAZADO
APLAZADO
OBSERVACIONES:
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PRESUPUESTO:
$8.700.000
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NOMBRE Y FIRMA DEL EVALUADOR.
6