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Universidad Autónoma de Madrid - Escuela Politécnica Superior
4º Curso de Ingeniería de Telecomunicación
Transmisión por Soporte Físico
PRACTICA 3
Enunciado de la práctica
En esta práctica se pretende estudiar tanto la guía rectangular como la guía
circular mediante el software CST Microwave Studio. Así mismo, se realizarán
adaptadores en guía para estructuras con diferente apertura en guía en la entrada y salida
del sistema.
La manera más efectiva y rápida de hacer simulaciones de guías de onda en CST
es utilizar el “template” denominado Coupler (Waveguide), y que aparece en la lista de
templates al crear un nuevo proyecto. Dicho template establece las siguientes
condiciones de simulación:
 Background material: PEC (Perfect Electric Conductor)
 Unidades: mm, GHz
 Condiciones de contorno: Pared eléctrica en X,Y Z (
)
En realidad lo que se dibujará en el entorno gráfico del CST es el dieléctrico de
aire que hay dentro de las paredes metálicas de la guía. El “background material”
indica que todo aquello que no se dibuje será de material PEC. Para reforzar todavía
más este aspecto, las condiciones de contorno de pared eléctrica en X,Y, Z indican que
en los límites del dibujo en dichas direcciones se fija una pared eléctrica. Esto es así
siempre que no se encuentre el programa con un puerto de guía de onda (Waveguide
port). Este puerto es similar a los terminales (Term) de ADS. La principal diferencia es
que los Waveguide port son capaces de detectar el tipo de modo (TE, TM o TEM) que
se propaga a partir de dicho puerto.
Pared
eléctrica
Pared
eléctrica
Waveguide
port 1
b
Waveguide
port 2
Pared
eléctrica
a
Pared eléctrica
Fig.1 : Estructura y condiciones de simulación en CST
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Transmisión por Soporte Físico
PRACTICA 3
1. Análisis de guía rectangular WR-62
En este apartado se va a analizar la guía normalizada WR-62, cuyas dimensiones
establecidas son:
a = 15.8 mm (0.62’) , b = a/2




Tome como banda de simulación: ( 5 – 21 GHz)
Calcule la longitud de onda en la guía WR-62 a 13 GHz, y tome dicho resultado
como longitud física de la guía
Establezca un Waveguide-port en cada una de las dos bocas de la guía. Establezca
el mínimo número de modos que debe tener dicho puerto acorde con la banda de
simulación.
Para ello tendrá que realizar simulaciones Transient solver con la opción Calculate
modes only hasta que el Warning de modos no considerados desaparezca.
Introduzca como monitorización de campo (“Field monitors”) el campo eléctrico
(E-field) en el interior de la guía a 13 GHz y a 20 GHz. De igual modo incluya el
monitor H-field/Surface current, pero solo a 13 GHz.
Realice la simulación
Se pide:
1. Compruebe qué modos se propagan en la guía en la banda de simulación antes
mencionada. Para ello revise los resultados 2D/3D Results\Port Modes\Port1\ei
(donde i es el número de modo)
Muestre los campos en el puerto1 tanto el campo total con su sentido vectorial,
así como la representación modular de cada componente en los modos
propagados en la guía.
Compruebe los valores de frecuencia de corte, impedancia y constante de
propagación  de cada modo que da el programa con cálculos teóricos (13GHz).
2. Compruebe qué modos se propagan en la guía en la banda de simulación,
aunque en esta ocasión hágalo con los parámetros S. Para ello muestre los
parámetros de transmisión S21 y de reflexión S11 aparecidos en cada modo.
Comente los resultados.
3. Compruebe qué modos se propagan en la guía en la banda de simulación,
aunque en esta ocasión hágalo para el campo eléctrico propagado por el interior
de la guía. Para ello revise los resultados 2D/3D Results\E-field
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Transmisión por Soporte Físico
PRACTICA 3
Muestre los campos propagados desde el puerto 1 para todos los modos (módulo
de sus componentes Ex, Ey, Ez). Para ello realice una animación de los campos,
y muestre el resultado de las componentes de campo correspondientes a los
estados de fase 0º,45º,90º, 135º y 180º.
Comente los resultados indicando si las componentes de campo que se propagan
son las que teóricamente se esperaba tener.
4. Muestre la densidad de corriente superficial en las paredes conductoras. Para
ello revise los resultados 2D/3D Results\Surface Current
Muestre, únicamente desde el puerto 1, y para el modo fundamental, las
componentes de corriente (Jx, Jy Jz) en el estado de fase 0º.
Comente los resultados indicando si las componentes de corriente son las
teóricamente esperadas. ¿Qué ocurre con las compontes tangencial y normal?.
Comente este último aspecto.
2. Diseño de una guía de onda rectangular
Diseñe una guía de onda rectangular de la que se sabe que la frecuencia de corte del
modo fundamental es 0.7 veces menor que la frecuencia de corte del primer modo
superior (de valor 17.1 GHz). Las dimensiones a , b de la misma cumplen que:
a > b > a/2
Se pide:
1. Realice una simulación en un ancho de banda de frecuencias que permita ver 3
modos en la guía. Tome la longitud de la guía igual a la longitud de onda en la
misma para el modo fundamental a la frecuencia central de simulación
2. Identifique dichos modos, dando las frecuencias de corte de las mismas según el
programa y los campos en el puerto 1.
3. Muestre los modos que se propagan con los parámetros S de reflexión y
transmisión, así como con las componentes de campo dentro de la guía desde el
puerto 1 (hágalo solamente para la frecuencia central de simulación en este
último caso).
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Transmisión por Soporte Físico
PRACTICA 3
3. Análisis de guía circular Ku-middle
En este apartado se va a analizar la guía de banda Ku-middle cuyo diámetro es d =
15.08 mm.



Tome como banda de simulación: ( 9 – 17 GHz)
Calcule la longitud de onda en la guía Ku-middle a 13 GHz, y tome la mitad de
dicho resultado como longitud física de la guía
Establezca un Waveguide-port en cada una de las dos bocas de la guía. Establezca
el mínimo número de modos que debe tener dicho puerto acorde con la banda de
simulación.
Para ello tendrá que realizar simulaciones Transient solver con la opción Calculate
modes only hasta que el Warning de modos no considerados desaparezca.
Se pide:
1. ¿Por qué el número de modos en cada puerto para el que desaparece el warning
no coincide con el que debería tener según la teoría?.
2. Compruebe qué modos se propagan en la guía en la banda de simulación antes
mencionada. Para ello revise los resultados 2D/3D Results\Port Modes\Port1\ei
(donde i es el número de modo)
¿Cómo podría hacer que la orientación vectorial del modo fundamental fuese
vertical?
Muestre los campos en el puerto1 con su sentido vectorial, habiendo corregido la
orientación vertical del modo fundamental
Compruebe los valores de frecuencia de corte, impedancia y constante de
propagación  de cada modo que da el programa con cálculos teóricos (13GHz).

Introduzca como monitorización de campo (“Field monitors”) el campo eléctrico
(E-field) en el interior de la guía a 13 GHz.
Realice la simulación
Se pide:
3. Compruebe qué modos se propagan en la guía en la banda de simulación,
aunque en esta ocasión hágalo con los parámetros S. Para ello muestre los
parámetros de transmisión S21 y de reflexión S11 aparecidos en cada modo.
Comente los resultados.
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Transmisión por Soporte Físico
PRACTICA 3
4. Compruebe qué modos se propagan en la guía en la banda de simulación,
aunque en esta ocasión hágalo para el campo eléctrico propagado por el interior
de la guía. Para ello revise los resultados 2D/3D Results\E-field
Muestre los vectores totales de campo propagados desde el puerto 1 para todos
los modos. Para ello realice una animación de los campos, y muestre el resultado
de las componentes de campo (Ex, Ey, Ez) correspondientes a los estados de
fase 0º,45º,90º, 135º y 180º.
Comente los resultados indicando si las componentes de campo que se propagan
son las que teóricamente se esperaba tener.
4. Transformadores en guía rectangular ( b = cte)
En este apartado se va a realizar una adaptación de impedancias entre dos guías
rectangulares de distinta anchura “a”. Para ello se van a implementar una guía WR-62
seguida de una WR-51, ambas modificadas en altura “b”, que será la misma para ambas.
Se colocarán ambas centradas entre sí con respecto el eje Y.
Fig.2 : Estructura de guías WR-62 y WR-51modificadas
Se pide:
1. Calcule el ancho de banda de simulación para que ambas guías estén en
funcionamiento monomodo. Establezca el rango de frecuencias de simulación
dentro de ese ancho de banda monomodo, haciendo que la frecuencia central sea
15 GHz. Tome como frecuencia extremo inferior de simulación una frecuencia
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0.1 GHz por encima de la corte inferior del rango monomodo. Como frecuencia
superior de simulación la correspondiente para que 15 GHz sea la frecuencia
central de simulación.

Establezca un Waveguide-port en cada una de las dos bocas de la guía. Fije solo un
modo en cada puerto.
2. Simule la estructura en las condiciones anteriores y refleje la curva de
parámetros S dentro de una misma gráfica. Comente el resultado.
3. Diseñe un adaptador /4 en guía entre ambas guías. Muestre el resultado de
parámetros S dentro de una misma gráfica. Comente el resultado.
4. Diseñe una sección adaptadora formada por dos transformadores /4 en guía.
Muestre el resultado de parámetros S dentro de una misma gráfica. Comente el
resultado comparándolo con el del punto anterior.
5. Transformadores en guía rectangular ( b ≠ cte)
En este apartado se va a realizar una adaptación de impedancias entre dos guías
rectangulares de distinta anchura “a” y altura “b”. Para ello se van a implementar una
guía WR-62 convencional (Apartado 1 de esta práctica) seguida de una WR-51
modificada en altura (Apartado 4). Ambas se colocarán centradas entre sí en los ejes X e
Y.
Fig.3 : Estructura de guías WR-62 convencional y WR-51modificada
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PRACTICA 3
Se pide:
1. Estudie la necesidad o no de modificar el rango de frecuencias de simulación en
función del ancho de banda monomodo de la nueva estructura

Establezca un Waveguide-port en cada una de las dos bocas de la guía. Fije solo un
modo en cada puerto.
2. Simule la estructura en las condiciones anteriores y refleje la curva de
parámetros S dentro de una misma gráfica. Comente el resultado.
3. Diseñe un adaptador /4 entre ambas guías. Al no tener datos suficientes para
establecer la altura “b” de la sección adaptadora tome dos opciones:
a) b = 7.9 mm (dimensión b de la WR-62)
b) b = 4 mm (dimensión b de la WR-51 modificada)
Muestre el resultado de parámetros S dentro de una misma gráfica para cada
valor de “b”. ¿Qué está ocurriendo en ambos casos?.
4. Diseñe una sección adaptadora primero con un transformador y después con dos
transformadores /4 en guía. Utilice para ello el método Uher
Método Uher
Es un método iterativo para determinar las anchuras “a” y “b” de secciones
transformadoras /4 en guía cuando las guías a adaptar tienen distintas “a” y “b”
Datos de partida
Ns = Número de secciones adaptadoras
N = Ns + 1
a1 = ainput
aN+1 = aoutput
Cálculo de las anchuras de los adaptadores “a”
For c = 2  N
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Cálculo de las alturas de los adaptadores “b”
For c = 2  N
es la longitud de onda en la guía de índice “c” ( c = 1 guía de
entrada, c = N+1 guía de salida ). Esta longitud de onda en la guía se determina a
partir de las frecuencias de corte del modo fundamental en cada guía, la
frecuencia de trabajo y la longitud de onda en el vacío
, donde
Los otros parámetros se definen del siguiente modo:
For c = 2  N
Valores de gc
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6. Transformadores en guía circular
En este apartado se va a repetir el ejercicio de adaptación anterior pero con guías
circulares. Se van a tomar las guías normalizadas de band ku-high y ku-middle para
ello. Los diámetros son:
d_high = 12.7 mm ; d_middle = 15.08 mm
10 mm
10 mm
Fig.4 : Estructura de guías circulares Ku-middle y Ku-high
Se pide:
1. Calcule el ancho de banda de simulación para que ambas guías estén en
funcionamiento monomodo. Establezca el rango de frecuencias de simulación
dentro de ese ancho de banda monomodo, haciendo que la frecuencia central sea
14.5 GHz. Tome como frecuencia extremo inferior de simulación una frecuencia
0.1 GHz por encima de la corte inferior del rango monomodo. Como frecuencia
superior de simulación la correspondiente para que 14.5 GHz sea la frecuencia
central de simulación.


Establezca un Waveguide-port en cada una de las dos bocas de la guía. Fije solo un
modo en cada puerto.
En el menú Mesh\Global mesh properties aumente los 3 parámetros del mesh
density control hasta 12
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PRACTICA 3
2. Simule la estructura en las condiciones anteriores y refleje la curva de
parámetros S dentro de una misma gráfica. Comente el resultado.
3. Diseñe un adaptador /4 en guía entre ambas guías. Muestre el resultado de
parámetros S dentro de una misma gráfica. Comente el resultado.
4. Diseñe una sección adaptadora formada por dos transformadores /4 en guía.
Muestre el resultado de parámetros S dentro de una misma gráfica. Comente el
resultado comparándolo con el del punto anterior.
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