DISEÑO, IMPLEMENTACIÓN Y CARACTERIZACION DE LOS MODULOS RF, PARA LA REALIZACIÓN DE LOS BLOQUES

ANÁLOGOS DE UN SISTEMA DE MICROONDAS.

OMAR ALE XI SILVA GAONA

Proyecto de grado para optar al titulo de Ingeniero Electrónico

Director

NÉSTOR MISAEL PEÑA Phd. Ingeniería Electrónica

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA SANTAFE DE BOGOTA

2005

IEL2-I-05-45

2

AGRADECIMIENTOS

El autor desea expresar sus mas sinceros agradecimientos a las personas que hicieron posible este proyecto, en especial al profesor Néstor Misael Peña Traslaviña, por la asesoría brindada durante el proyecto, y los valiosos aportes a nivel profesional y humano; de igual manera al grupo de Microondas de la Universidad de los Andes, en especial al Ingeniero Julián Herrera y David Senior, por el apoyo incondicional y los consejos brindados; a mis padres y hermano y todos mis seres queridos, por su ayuda y comprens ión.

IEL2-I-05-45

3

CONTENIDO

Pág. Introducción 9 Resumen de las actividades realizadas 11

PARTE I CONCEPTOS BÁSICOS 1. Aspectos generales de los Sistemas de comunicación 13

1.1. Elec trónica de alta frecuenc ia 13 1.2. Transmisores 14 1.3. Receptores 15 1.4. Mezcladores 16 1.5. Osc iladores 18 1.6. Antenas 19

PARTE II DISEÑO, SIMULACIÓN Y VALIDACIÓN 2. Diseño del sistema 22

2.1. Sistema heterodino 22 2.2. Selecc ión de los componentes 26

2.2.1. Mezcladores 2.2.2. Osciladores 2.2.3. Antenas

2.3 Simulación y validación del s istema y los componentes 27 2.4 Diseño de los módulos frontales 34

2.4.1 Amplificador Tx 35 2.4.2 Filtro 39 2.4.3 LNA 40 2.4.4 Amplificador Rx 45

IEL2-I-05-45

4

PARTE III IMPLEM ENTACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LOS MODULOS 3.1 Implementación de los módulos frontales 48

3.1.1 Amplificador Tx 48 3.1.2 Filtro 50 3.1.3 LNA 51 3.1.4 Amplificador Rx 53

Conclusiones 55 Bibliografía 56

IEL2-I-05-45

5

LIS TA DE TABLAS

Tabla 1. Mezcladores comerc iales seleccionados Tabla 2. Dispos itivos comerc iales seleccionados. Tabla 3. Dispos itivos diseñados y parámetro a optimizar

IEL2-I-05-45

6

LIS TA DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama s implificado de un s istema de comunicaciones. Figura 2. Línea de transmisión de microcinta, a) balanceada; b) campos

eléctr icos y magnéticos c) dimensiones. Figura 3. Esquema general de un transmisor . Figura 4. Transmisor heterodino. Figura 5. Diagrama general de las func iones de un receptor. Figura 6. Receptor heterodino. Figura 7. Símbolo de un mezclador Figura 8. Respuesta de un mezc lador Figura 9. Esquema de un oscilador. Figura 10. Esquema de un dipolo eléctr ico. Figura 11. Circuito equivalente de una antena. Figura 12. Secc ión análoga y digital de un sis tema de comunicaciones. Figura 13. Diagrama del transmisor y receptor heterodino. Figura 14. Mezc lador Up converter Figura 15. Respuesta del Mezc lador up converter: a) tiempo; b) espectro de

entrada, c) espectro de salida. Figura 16. Mezc lador dow n converter. Figura 17. Respuesta del Mezc lador dow n converter: a) tiempo; b) espectro de

entrada, c) espectro de salida. Figura 18. Resistencia de un dipolo. Figura 19. Sistema en Ansoft Designer Figura 20. Valores de las especificaciones de los módulos RF de diseño

IEL2-I-05-45

7

Figura 21. Respuesta del sistema: a) espectro del Tx ; b) BER del receptor. Figura 22. Transistor BFP 420. Figura 23. Parámetro Mu amplificador Tx. =1.33 a 2.45 GHz Figura 24. Acoples de entrada y salida amplificador Tx. Figura 25. Transformador de λ/4, respuesta y f ísico. Figura 26. Prototipo final amplificador Tx (circuital), con acoples (rojo) , Tes de

polarizac ion (verde) y capac itores de acople y bypass(amarillo) . Figura 27. Resultados por simulación Electromagnética amplificador Tx: a)

ganancia; b) NF Figura 28. Filtro (diseño c ircuital.) Figura 29. Resultados simulación Electromagnética filtro. Figura 30. Parámetro LNA Mu =5.25 a 2.45 GHz Figura 31. Acople entre las dos redes LNA. Figura 32. Redes de acople de entrada y salida (rojo), y los transistores (azul)

LNA. Figura 33. Stubs radiales , (respuesta y fís ico) Figura 34. Prototipo final LNA (circuital) , con acoples (rojo) , Tes. de

polarizac ion (verde) y capac itores de acople y bypass (amar illo). Figura 35. Resultados por simulación Electromagnética LNA: a) ganancia; b)

NF Figura 36. Prototipo final amplificador Rx (c ircuital), con acoples (rojo), Tes. de

polarizac ion (verde). Figura 37. Resultados por simulación Electromagnética amplificador Rx: a)

ganancia; b) NF Figura 38. Circuito fís ico final amplificador Tx. Figura 39. Prototipo fís ico amplificador Tx .

IEL2-I-05-45

8

Figura 40. Circuito fís ico Final filtro. Figura 41. Prototipo fís ico Filtro. Figura 42. Circuito fís ico final LNA Figura 43. Prototipo fís ico LNA. Figura 44. Circuito fís ico final amplificador Rx. Figura 45. Prototipo fís ico amplificador Rx.

IEL2-I-05-45

9

INTRODUCCION En la actualidad las comunicaciones basadas en radiofrecuenc ia están creciendo en grandes proporc iones, y son la soluc ión a muchos de los inconvenientes en los sis temas de redes y comunicac iones en general. Este desarrollo ha estado impulsado por importantes avances en miniaturizac ión de los circuitos de radiofrecuenc ia y en la necesidad de transportar mayor informac ión con menor requerimiento de energía optimizando el manejo de recursos escasos como el espectro radioeléctr ico, los últimos sis temas de comunicación tienen en común su funcionamiento a frecuencias de microondas y la tendencia a medida que evolucionan es su incremento por las grandes ventajas inherentes a este tipo de ondas. La princ ipal diferencia de los s istemas de microondas es la etapa de radiofrecuencia del bloque análogo la cual incrementa la frecuencia intermedia a la frecuencia de emisión del s istema, en esta etapa debido a las altas frecuencias y las cortas longitudes de ondas que se manejan, los componentes que adaptan la señal para su propagac ión requieren especial diseño y considerac iones que no se tienen con dispositivos de baja frecuenc ia. El diseño e implementación de estos dispositivos es el objetivo de este proyecto, enfocándose en los tipos de amplificadores y filtros de RF, complementando trabajos anteriores del Grupo de Electrónica y Sistemas de Telecomunicac iones (GEST), en los que se desarrollaron diseños y simulaciones de diferentes tipos de modulación y se implementaron antenas tipo parche y ayudando en el desarrollo de los ac tuales proyectos del grupo los cuales trabaja amplificadores de potencia y filtrado activo. Cons iderando que las caracter ísticas de func ionamiento de cada dispositivo var ían según la ubicación y func ión dentro del s istema, se opto por diseñar los bloques análogos del transmisor (Tx) y receptor (Rx) de un s istema de microondas utilizando dispos itivos comerc iales con el fin de hallar el rango de los parámetros de cada dispos itivo a diseñar y tomando como referencia un modelo simulado fabricable; finalmente se implementaron 3 amplificadores diferentes cada uno con caracter ísticas propias de funcionamiento, y un filtro pasabanda que cumplía con los requerimientos en el Tx y Rx por lo que no fue necesario mas modelos. Para el correcto diseño y posterior implementac ión de cada modulo se tuv ieron en cuenta aspectos de todas las areas de comunicaciones sintetizadas de manera integral en el diseño de es tos dispositivos. Finalmente es de resaltar la gran importancia de investigar, estudiar, y comprender la elec trónica de altas frecuenc ias, sus componentes y circuitos, logrando un claro concepto de las necesidades del medio y sus posibles campos de desarrollo, partiendo desde sus elementos más fundamentales, como par te esencial de cualquier futura aplicac ión.

IEL2-I-05-45

10

RESUMEN DE LAS ACTIV IDADES REALIZADAS

Mediante la realizac ión de es te proyecto se diseñaron, implementaron y carac ter izaron los módulos de radiofrecuencia (RF) de un sistema de microondas en la banda de 2.45 GHz. Se implementaron tres amplificadores y un filtro; cada amplificador se desarrollo de manera especial para que cumpliera con las espec ificac iones de funcionamiento requeridas; el filtro es de tipo pas ivo con topología Edge Coupled y cubre los requer imientos en el emisor y el receptor por lo que no fue necesario el desarrollo de dos modelos. Para la elaboración de cada modulo se diseñaron los bloques análogos de un sistema de microondas tomando dispositivos comerciales, validados mediante simulación con los parámetros dados por sus fabr icantes ; esto con el fin de establecer el rango de los parámetros de diseño de los módulos de radiofrecuencia, dentro del marco de un sis tema fabr icable, el cual se aprobó mediante s imulac ión utilizando el softw are Ansoft Designer. En la etapa de diseño se le otorgo gran peso a los parámetros que influían de manera directa en el desempeño de cada modulo, enfatizándose: Ganancia, Figura de Ruido, Relaciones de Onda Estac ionaria en los puertos de entrada y salida; se optimizo mediante el acople de impedancias, utilizando líneas de transmis ión y stubs en c ircuito abierto; en los Tes. de polar izac ión empleando técnicas de transformadores λ/4 y stubs radiales. En la parte de s istemas se tuvieron presentes parámetros como: modelos de propagación, potenc ia transmitida, ancho de banda, relación señal a ruido y sens ibilidad. Este proyecto agrupa aspectos de todas las áreas de comunicaciones, sintetizándolas para realizar un trabajo integral a nivel de s imulación e implementación con aspectos técnicos en el área de sis temas RF y microondas.

IEL2-I-05-45

11

PARTE I

CONCEPTOS BASICOS En esta parte se abordarán aspectos generales de los sistem as de comunicaciones; así como una breve descripción de los dispositivos que se utilizaran en el desarrollo del proyecto, resaltando sus principales funciones y su papel en el sistema a desarrollar

IEL2-I-05-45

12

1. Aspectos generales de los sistem as de comunicaciones Los sistemas de comunicac iones son la transmisión, recepc ión y procesamiento de informac ión entre dos o mas lugares , mediante circuitos electrónicos, la fuente or iginal de información puede estar en forma analógica o digita; todo sistema de comunicac iones se compone de una fuente de informac ión un transmisor (el cual adecua la información para ser transmitida), un canal en el que se propaga la información, un receptor en el que la informac ión se procesa para ser entregada a su destino de manera entendible por esta ultima en la figura 1, se ilustra un diagrama simplificado de un s istema de comunicaciones.

Figura 1. Diagrama s implificado de un sis tema de comunicac iones.

Hay diferentes tipos de s istemas de comunicaciones, dependiendo de la frecuenc ia de emisión, y de la topología de su transmisor y receptor, estos sistemas tienen caracter ís ticas y funciones diferentes, lo que hace diferente su construcción y diseño.

1.1 Electrónica de alta frecuencia En los sistemas de comunicaciones microondas se manejan frecuenc ias desde los 300 MHz a los 30 GHz, con longitudes de onda de 10m hasta 10cm; en este tipo de frecuencias la teoría de circuitos convencionales no es suficiente para comprender el funcionamiento de estos circuitos, ni es el más adecuado para su modelamiento y posterior diseño. La teoría de líneas de transmisión traza un puente entre la teoría de campos y la teor ía de circuitos permitiendo el estudio de los c ircuitos de alta frecuenc ia, la pr incipal diferencia entre estas dos teor ías es el tamaño eléctr ico. El análisis de circuitos asume que las dimensiones físicas de un sistema son mucho más pequeñas que la longitud de onda eléctr ica, mientras que en las líneas de transmisión se puede considerar como fracciones de longitudes de onda de tamaño; para nuestro interés se manejaran las líneas de transmisión en el diseño de c ircuitos de acople en los puertos de entrada y salida, este tipo de líneas se sobre una tecnología de

IEL2-I-05-45

13

microcintas la cual no es mas que un conductor plano, separado de un plano de tierra con mater ial dieléctrico ais lante figura2; se escogió es te tipo de tecnología por su fácil fabricación y disponibilidad.

a)

b)

c)

Figur a 2 Línea de transmisión de microcinta, a) balanceada; b) campos eléctricos y

magnéticos c) dimensiones. En el diseño de las redes de acople es importante comprender la teor ía de desacople de impedancias, coeficiente de reflexión, y parámetros de esparcimiento o parámetros S (anexo A).

1.2 Transm isores La función de un transmisor en un sistema de comunicaciones es la de formar la señal a transmitir sobre la frecuencia de la portadora. Para ello un transmisor debe generar la señal portadora, con la es tabilidad adecuada, modularla con la señal que tiene la información, amplificarla para su transmisión, generando de este modo el mínimo de interferenc ias con otros s istemas, independiente del tipo de señal que se desee transmitir, el esquema general de un transmisor se ilustra en la figura 3.

IEL2-I-05-45

14

Figura 3. Esquema general de un transmisor.

Se pueden distinguir dos conjuntos de transmisores según se realice la modulac ión sobre la frecuencia final de emisión (transmisores homodinos), o sobre una frecuencia intermedia (trasmisores heterodinos), estos últimos presentan ventajas sobre los pr imeros debido a su manejo de frecuencias diferentes en etapas, permite mantener constante la frecuencia en la que se hace la modulación, y la amplificac ión al hacerse en varias etapas evita la retroalimentac ión; para nuestro interés es te será el tipo de transmisor a diseñar y cuyo esquema se ilustra en la figura 4.

Figur a 4 Transmisor heterodino.

Como se puede observar este tipo de transmisor lo componen dispositivos que incrementan el valor de la frecuencia en un valor fijo (mezc lador, oscilador). En su etapa de radiofrecuencia el tratamiento de la señal la realizan amplificadores y filtros pasabanda, los cuales eliminan las posibles mezclas espurias y le dan un nivel adecuado a la señal para su transmis ión por la antena. Los parámetros que determinan las carac terísticas de func ionamiento de un transmisor se pueden resumir da la siguiente forma:

IEL2-I-05-45

15

• Frecuenc ia de transmisión: hace referencia a la señal radioeléctr ica en ausencia de modulac ión, y es la frecuenc ia caracter ística del s istema por medio de la cual se es tablece la emisión y recepc ión, dependiendo de esta frecuencia el s istema debe tener licencia de funcionamiento.

• Tipo de modulación: el tipo de modulación carac teriza de forma muy importante la señal a transmitir en un sistema de comunicac iones y condiciona el diseño de los subsistemas del modulador y demodulador.

• Ancho de banda: es la mínima de frecuencias requerida al que puede limitarse el espectro a una anchura de banda sin sufrir una distors ión importante, para efec tos prácticos se identifica la anchura de banda como la diferencia entre los valores de las frecuencias mas altas y mas bajas de las componentes significativas contenidas en la señal.

• Potencia de emisión: es el valor de la potenc ia que irradia la antena del transmisor en s istemas de radio por microondas se puede calcular por la Potencia Isótropica Radiada Equivalente (PIRE), en la practica el nivel de potencia de radiación esta limitado por los dispos itivos de salida del transmisor.

1.3 Receptores Las func iones del receptor en un sistema de comunicac iones se pueden resumir en selecc ionar, amplificar y demodular la señal deseada, separándola en lo posible del resto de señales y del ruido que la acompaña. En la figura 5 se ilustra un diagrama general de func iones de un receptor.

Figura 5. Diagrama general de las funciones de un receptor.

Al igual que en los transmisores, los receptores se pueden clasificar por su manejo de frecuenc ia en la etapa de recepción y demodulac ión, si la demodulación se hace en la misma frecuencia de recepción, el receptor es de tipo (homodino) , s i por el contrar io la frecuencia de demodulac ión es diferente a

IEL2-I-05-45

16

la frecuencia de recepción es de tipo (heterodino); para el diseño del receptor se tomara uno de tipo heterodino por las ventajas que estos representan ante los homodinos, la figura 6 ilustra el receptor heterodino.

Figura 6. Receptor heterodino.

De la misma forma que en el transmisor, la conversión de frecuencia se efectúa por medio de un c ircuito mezclador, el cual decrementa el valor de la frecuencia en un valor fijo (mezc lador, oscilador). En la etapa de radio frecuenc ia un LNA (Low Noise Amplifier), amplifica la señal y un filtro pasabanda elimina las frecuenc ias que no son de interés. Las especificaciones que mayor influencia tienen sobre el funcionamiento del receptor son las siguientes.

• Sens ibilidad: es la capacidad del receptor de recibir señales débiles cumpliendo con una determina relac ión señal a ruido (S/N) en el detec tor . La sens ibilidad puede estar limitada por ruido o por ganancia, su cálculo se expone en la secc ión de diseño del sis tema.

• Selectiv idad: es la capacidad del receptor de rechazar las señales radioeléctr icas no deseadas, próximas en frecuencia a la deseada.

1.4 Mezcladores El mezc lador es uno de los subsis temas bás icos en radiocomunicac iones. Su función es esencial en le receptor heterodino para convertir la frecuenc ia RF a FI (dow n converter), pero además puede serv ir para elevar la frecuencia de un transmisor sin recurr ir a multiplicadores de frecuenc ia (up conver ter) . De esta forma podemos procesar la señal (modular la en el transmisor y demodular la en el receptor) a frecuencias bajas lo que s iempre resulta mas sencillo antes de subir la frecuenc ia de transmisión, la figura 7 ilustra el s ímbolo de un mezclador.

IEL2-I-05-45

17

Figura 7. Símbolo de un mezclador

El mezclador es un dispositivo no lineal el cual genera a su salida var ios productos de la señal con los diferentes tonos de la señal de entrada por sus dos puertos, en la figura 8 se muestra la respuesta de un mezc lador teniendo como entradas los tonos W1 y W2.

Figura 8.

Respuesta de un mezclador Para evaluar el func ionamiento de un mezc lador se analizan los siguientes términos.

• Frecuenc ia de func ionamiento: proporc ionan los márgenes de frecuenc ias dentro de los cuales el mezclador cumple determinadas espec ificac iones.

• Gananc ia o pérdidas de conversión: es la relac ión entre la potencia de salida (FI), y la potenc ia de entrada.

• Factor de ruido: es la relación entra la SNRi y la SNRo. • Aislamiento: mide la atenuac ión que sufre la señal de una de las

entradas, en la otra entrada o en la otra salida. • Nivel de compres ión: nivel de potencia de entrada, para el cual la

potencia de salida se desviar ía en 1 dB. • Margen dinámico: esta definido por la potenc ia mínima y máx ima entre

las cuales el mezclador opera sin deterioro de sus caracter ísticas, la potencia inferior esta limitada por el ruido y la superior por el nivel de compres ión.

• Distorsión por intermodulac ión de tercer orden y dos tonos: dis tors ión que aparece a la salida s i en las entradas se tienen dos señales de RF.

La evaluac ión de es tos términos permite escoger la mejor elecc ión de las muchas opciones que se tienen en el mercado, dependiendo del tipo de aplicación que se requiera, en la secc ión de diseño se escoge uno de es tos dispositivos el cual es el que mejor se ajusta a los requer imientos y a los recursos disponibles.

IEL2-I-05-45

18

1.5 Osciladores El oscilador es un sistema que proporc iona una señal per iódica de RF (KHz a GHz), transforma la señal de la energía continua en la energía de la señal periódica, y es de vital importancia porque genera la portadora sobre la cual la señal se modula y se efectúa la mezcla, todo osc ilador tiene una estructura resonante, cuya frecuencia propia de resonancia es cercana a la frecuencia de funcionamiento del oscilador; un elemento amplificador o res istencia negativa, que permita compensar las perdidas de los elementos pas ivos y genera la oscilación, y una estructura de acoplamiento, que optimiza el osc ilador con las condiciones deseadas, en la figura 9, se ilustra el esquema de un osc ilador.

Figura 9. Esquema de un oscilador .

Como es de importanc ia para el proyecto la elección de un osc ilador que cumpla con ciertas condiciones de funcionamiento, a continuación se descr ibe brevemente los parámetros característicos de un oscilador que determinan la calidad del mismo.

• Margen de sintonía: la s intonía es el margen de frecuencias que puede barrer el oscilador cuando se modifica un parámetro de ajuste de frecuenc ia, para nuestro interés este tipo de sintonía es electrónica y viene controlada por tensión (VCO).

• Estabilidad: este parámetro indica en que valor la frecuenc ia central del oscilador se desv ía teniendo en cuanta los cambios de carga y desv iaciones de los parámetros del osc ilador .

• Pulling: mide la var iación de frecuencia del oscilador cuando se modifica la impedanc ia de carga, depende en gran medida del factor de calidad Q del c ircuito de s intonía.

• Pushing: es la var iación de frecuenc ia del oscilador con la var iación de la tensión de polar ización del dispositivo.

• Espectro de ruido: es la magnitud del ruido generado por el dispos itivo alrededor de la frecuenc ia fundamental esta magnitud se expresa en dBc/Hz para indicar que la banda de medida de la dens idad espectral de potencia es de 1 Hz.

IEL2-I-05-45

19

La evaluac ión de es tos términos permite escoger la mejor elecc ión de las muchas opciones que se tienen en el mercado, dependiendo del tipo de aplicación que se requiera, en la secc ión de diseño se escoge uno de es tos dispositivos el cual es el que mejor se ajusta a los requer imientos y a los recursos disponibles.

1.6 Antenas Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y capturar ondas electromagnéticas . Las antenas son para conectar las líneas de transmis ión con el espacio libre, el funcionamiento de una antena es el de irradiar las ondas estacionarias que se ver ían en una línea de transmisión abierta reflejadas por desadaptac ion, a una antena la cual se le separan los conductores para irradiar mas energía se le conoce como dipolo figura 10.

Figura 10

Esquema de un dipolo eléctr ico. Para obtener una correcta representac ión de una antena es necesar io obtener un c ircuito equivalente de la antena en transmis ión y recepción, representada como una red de cuatro terminales, la figura 11 ilustra el circuito equivalente de una antena en transmisión y recepción.

Figura 11. Circuito equivalente de una antena.

IEL2-I-05-45

20

Los parámetros caracter ís ticos de una antena se describen a continuación.

• Diagrama de radiación: es una grafica polar que representa intens idades de campo o dens idades de potenc ia en diversas pos iciones angulares en relación con una antena isótropica.

• Gananc ia: es el valor de amplificación de la señal en una direcc ión, respecto a una antena isótropica, cabe señalar que las antenas son pasivas y por lo tanto generan perdidas, el termino de gananc ia es con respecto a una antena en una determinada dirección por lo general se encuentra este valor en dBi (respecto a una antena isótropica), o en dBd (respecto al dipolo).

Una vez entendido estos aspectos relac ionados con los sistemas de microondas, se pasa a la parte de diseño del sistema, la cual nos permite hallar las especificaciones de diseño de los módulos de RF, con base en un s istema validado por simulación.

IEL2-I-05-45

21

PARTE II

DISEÑO, SIMULACION Y VALIDACION En esta parte se diseña el sistema de microondas con sus respectivos bloques análogos y digitales, se realizan los cálculos de los parám etros que discriminan por completo el funcionamiento de un sistema y se valida m ediante simulación utilizando dispositivos comerciales con las especificaciones dadas por sus fabricantes, finalmente se hallan las especificaciones de los módulos de RF, y se diseñan de acuerdo a las necesidades del sistema.

IEL2-I-05-45

22

2. Diseño del sistem a

Los s istemas de microondas se componen de una secc ión o bloque análogo y uno digital; el bloque análogo se encarga de adecuar la señal procesada digitalmente para su correc ta transmisión, mientras que el bloque digital se encarga de digitalizar la señal en banda base, modular la/demodular la y controlar el sis tema completo; cada uno de estos dos bloques se div ide en módulos con diferentes funciones; en nuestro caso de interés el modulo de RF se encuentra ubicado en el bloque análogo del Tx y Rx en sus partes frontales de fin e inic io respectivamente. Cada modulo requiere condiciones de funcionamiento diferentes dependiendo del tipo de transmisor y receptor que se diseñe, en la figura 12 se ilus tra cada sección con su respectiva funciones.

Figura 12. Sección análoga y digital de un s istema de comunicaciones.

2.1 Sistema heterodino Para nuestro sistema se trabajo sobre un transmisor heterodino en donde la frecuenc ia de modulación es diferente de la frecuenc ia de emis ión, de igual forma el receptor es de tipo heterodino; la convers ión de frecuenc ia se hace mediante un mezc lador en el Tx y Rx. Para nuestro diseño nos centramos en la parte de radiofrecuencia de cada bloque análogo, la figura 13, muestra el diagrama general del transmisor y el receptor, la línea verde delimita el bloque digital, al línea roja delimita el bloque análogo y el c írculo encierra los módulos de RF diseñados.

IEL2-I-05-45

23

a)

b)

Figura 13. Diagrama del transmisor y receptor a) Tx b) Rx.

Los módulos RF diseñados son mas exigentes en el receptor (LNA, Amplificador, Filtro) , debido al gran cuidado que se debe tener con la relac ión señal a ruido a la entrada del bloque, manteniendo un nivel adecuado de la señal para que pueda ser demodulada correc tamente. En el transmisor se diseño (Amplificador, Filtro.) Bloques análogos El propósito del diseño y validación de los bloques análogos del s istema por simulación es el de establecer el rango de los parámetros de diseño de los módulos de radiofrecuenc ia, para lo cual se debe tener espec ial atención a las diferentes especificaciones de merito en el transmisor y en el receptor que influyen de manera direc ta en el buen funcionamiento del s istema en conjunto; las especificac iones tenidas en cuenta son:

A. Frecuenc ia de transmisión B. Tipo de modulación C. Ancho de banda D. Relación señal a ruido E. Sens ibilidad del receptor F. Modelo y perdidas de propagac ión G. Potencia de emisión

IEL2-I-05-45

24

Este conjunto de especificac iones caracter izaran el funcionamiento del s istema y establecerá el rango de los parámetros de diseño, su calculo se describe a continuac ión.

A. Frecuencia de transmisión La frecuencia de transmisión es de 2.45 Ghz, este valor de frecuencia se encuentra en la banda (ISM) de frecuencias de uso libre.

B. Tipo de modulación Aunque en los sis temas de microondas se maneja de manera mas general al modulac ión por frecuenc ia, El tipo de modulac ión escogido es BPSK (Binary Phase Shitf Keying), es un tipo de modulación digital, es de amplio uso, tiene eficiencia de ancho de banda de un bit /cic lo y esta siendo usada recientemente en los últimos sistemas de microondas.

C. Ancho de Banda El ancho de banda escogido es de 50MHz, tomando un tiempo de bit de 24MHz a la entrada del modulador; es te valor de ancho de banda es de banda angosta desde la perspectiva de los elementos de electrónica, y de banda ultra ancha desde la perspectiva de la regulación de la banda.

D. Relación señal a ruido Esta figura de merito es de mucha importancia, ya que me determina el grado de complejidad de los componentes a usar y la calidad de emisión y recepc ión del s istema, se tomo relac ión de 25dB en el receptor (tomando como referencia la norma móvil en donde se exige una relación S/N de 9.8 dB para un ancho de banda de 25 KHz).

E. Sensibilidad del receptor La sensibilidad del receptor es el mínimo valor de potencia de por tadora que debe entregarse al receptor para satisfacer la relac ión señal a ruido elegida, la sens ibilidad esta limitada por ruido o ganancia as í:

• Sens ibilidad limitada por ruido N=KTB N=-174 dBm + 10 LOG (B)

IEL2-I-05-45

25

N= -174 dBm + 76.98 dB N= -97.02 dBm Pmin= 25 dB -97.0.2 dBm Pmin=-72dBm

• Sens ibilidad limitada por ganância Se calcula hallando al gananc ia total del receptor t tomando el valor mínimo que produzca en el demodulador -10dBm Gtr=56 dB Pmin=-10dBm -56dBm Pmin=-66dBm. De esta forma la sens ibilidad de nuestro receptor esta determinada por ruido y tiene un valor de -72dBm ( tomando como referencia el sistema Bluetooth en donde la sensibilidad del receptor es de -70 dBm par un rango de distancia máximo de 10 m).

F. Modelo y perdidas de propagación Para una correcta caracterizac ión del canal de propagación es fundamental escoger un modelo de propagac ión que se ajus te a las caracter ísticas del sistema. Se escogió el modelo de gran escala, trabajando con una longitud máxima de 10m y una longitud de onda de 12.24 cm., para este modelo es necesario calcular las perdidas por espacio libre (Lp) para luego hallar la potencia mínima de transmis ión (Ptmin) mediante la formula de Fr iis. Lp= 32.44 +20 LOG d(Km) +20 LOG f(MHz) - Gt- Gr Lp=32.44dB -40dB + 67.78 dB -10.2 dB Lp=50 dB

G. Potencia de emisión La potencia de emisión es la mínima potenc ia de salida del transmisor, para que en el receptor se satisfaga la sensibilidad requerida con un rango de distancia es tipulado.

dBmP

LantiPP

T

PRT

2010

log

min

minmin

−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

Para un sistema Bluetooth el rango mínimo de potencia de emisión a uno distancia de 10 m, es de -30 dBm.

IEL2-I-05-45

26

2.2 Selección de los componentes Luego de haber caracter izado nuestro sistema, se seleccionaron los componentes comerc iales los cuales por medio de los datos ofrecidos por los fabricantes se caracterizaron sus respuestas vía simulac ión utilizando el softw are Ansoft Designer . 2.2.1 mezcladores Los mezcladores selecc ionados son del fabr icantes NEC, se escogieron este tipo de mezc ladores por su buen comportamiento dentro del rango de frecuenc ias utilizado, además por su buen punto de intercepto de tercer orden a la salida del mezclador (up converter ), y a la entrada del mezclador (dow n converter), también muestran una gananc ias por conversión del orden de 10 dB y un punto de saturac ión de 2.5 dBm; además de sus buenas caracter ísticas sus prec ios osc ilan entre los $ 3 US, lo que los hace muy asequibles, en la tabla 1 se muestra el dispos itivo usados para el Tx y Rx, su gananc ia y punto de saturación.

Serie ganancia P saturación Tx UPC 8187TB 10 dB 2.5 dBm Rx UPC 2728GR 10 dB 4.5 dBm

Tabla 1.

Mezcladores comerciales seleccionados 2.2.2 oscilador El oscilador selecc ionado es del fabricante Crys tek Corporation, de la familia (VCO), este dispos itivo, tiene un rango de frecuencias de 2050 MHz y 2475 MHz, controlado por voltaje entre valores 0 y 16 V respectivamente, también tiene un excelente comportamiento de estabilidad lo cual es de vital importancia para el buen func ionamiento del sistema, y tiene una potencia máx ima de salida de 0 dBm y -5 dBm. 2.2.3 antenas Las antenas selecc ionadas para el sistema son del fabricante Cushcraft Corporation, estas antenas se selecc ionaron por su disponibilidad y su buen funcionamiento a 2.45 GHz, es un arreglo de dos dipolos con ganancia de 3dBd, omnidireccionales, de longitud 29.2 cm.

IEL2-I-05-45

27

En la tabla 2 se exponen un resumen los dispositivos seleccionados, su fabricante y su grafica.

Dispositi vo Fa brica nte Imagen Oscilador Crystek

corporation Mezclado r NEC

AP NEC

Tx

Antena Cushcraft corporation

Oscilador Crystek corporation

Mezclado r NEC

Rx

Antena Cushcraft corporation

Tabla 2. Dispositivos comerciales seleccionados.

2.3 Simulación y validación de los componentes y el sistema. Con los datos ofrec idos por los fabr icantes se realizo la validac ión de los mezcladores del Tx y Rx respectivamente, en conjunto con el osc ilador , para la prueba. Validación del mezclador (up conver ter) .

Figura 14. Mezclador Up conver ter

IEL2-I-05-45

28

Se utilizo una fuente de 150MHz con una frecuencia de oscilación de 2.3 GHz y una potencia de entrada del oscilador de -5 dBm y una potenc ia de -20 dBm de la fuente, en la figura 15 , se observa la entrada y salida del mezclador en el tiempo y espectro.

a)

b)

IEL2-I-05-45

29

c)

Figura 15. Respuesta del Mezclador up conver ter: a) tiempo; b) espectro de entrada, c)

espectro de salida. Observando el espectro de salida se puede observar la frecuencia del oscilador a 2.3 GHz y las mezclas a 2.45 Ghz y 2.15 GHz, la grafica en el tiempo muestra la curva de color rojo a una frecuenc ia de 150Mhz, mientras la azul es la mezc la, es interesante observar que contiene armónicos de intermodulac ion de dos tonos y no es una suma. Validación del mezclados (Dow n-converter )

Figura 16. Mezclador dow n converter.

IEL2-I-05-45

30

Se utilizo una fuente de 2.45GHz con una frecuenc ia de oscilación de 2.3 GHz y una potencia de entrada del osc ilador de -5 dBm y una potenc ia de -20 dBm de la fuente, en la figura 17 , se observa la entrada y salida del mezclador en el tiempo y espectro.

a)

b)

IEL2-I-05-45

31

c)

Figura 17. Respuesta del Mezclador dow n converter: a) tiempo; b) espectro de entrada, c)

espectro de salida. Observando el espectro de salida se puede observar la frecuencia de la mezcla hacia abajo arrojando una curva con una frecuencia de 150MHz y un potencia de -39 dB, la grafica en el tiempo muestra la curva de 150 MHz con una señal espur ia igual a la del oscilador , es ta señal es fác il de eliminar la con un filtro pasabajos. Ya carac ter izados cada componente, se realizo el s istema completo en Ansoft Designer, para simular la carga en el Tx y Rx se calculo la res istencia de radiación de la antena, tomando una relac ión:

10002

=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

aL

Y una relación de longitud del dipolo respecto a longitud de onda.

38.224.122.29

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

cmcmL

λ

IEL2-I-05-45

32

Figura 18. Resistencia de un dipolo.

Se obtuvo una res istencia de 83 Ohm. Con esta resistenc ia de radiac ión y tomando una muestra de 1000 bits total generada a una frecuenc ia de bit de 25 Mbps, utilizo el modulador PSK de ansoft con codificación de bits M=2, y un tiempo de muestreo de 12 GHz, la figura 19 ilustra el s istema montado en Ansoft Designer.

Figura 19. Sistema en Ansoft Des igner.

Para el s istema se unió el transmisor con el receptor colocando una resistencia de radiación equivalente de 83 ohm en cada ex tremo. Para caracter izar el

IEL2-I-05-45

33

funcionamiento del sistema se observo el espectro de salida del Tx y la BER en el receptor , tomando como potenc ia de salida -12 dBm, en la figura 21 se grafica el espectro de salida del Tx y la tasa de errores de bit en el receptor.

Figura 20. Valores de las especificaciones de los módulos RF de diseño.

Con este valor de potenc ia de salida se calcularon los diferentes valores de las espec ificac iones de los módulos de diseño, en la figura 20 se ilustra el s istema con los valores de gananc ia de cada uno.

a) espectro de salida del Tx .

IEL2-I-05-45

34

b) BER en el receptor.

Figura 21.

Respuesta del sistema: a) espectro del Tx; b) BER del receptor.

2.4 Diseño de los módulos RF. Se diseñaron en total 3 amplificadores y un filtro de microondas, se utilizo la tecnología microstr ip sobre sustrato FR4; para el diseño de cada modulo se optimizo el parámetro de mayor importancia según la ubicación y func ión del dispositivo, en la tabla 3 se detalla el modulo y los parámetros de mayor peso. Se utilizo el trans istor BFP 420 (figura 22) de infineon, por su disponibilidad y sus buenas caracter ísticas de funcionamiento en la banda de frecuenc ias requerida.

Figura 22. Transistor BFP 420.

IEL2-I-05-45

35

Este transis tor tiene una ganancia de 21 dB a 1.8 GHz y una NF de 1.1 a esta misma frecuencia, presenta 2 emisores para una mejor conexión y posible disminuc ión de la inductancia a través de via a tierra en paralelo.

Disposit ivo Parámetro a optim izar

Tx Am plificador Gananc ia Filtro Perdidas de retorno Rx LNA Gananc ia ,figura de

ruido Filtro Perdidas de retorno Am plificador Ruido

Tabla 3.

Dispositivos diseñados y parámetro a optimizar . En la etapa de diseño se le otorgo gran peso a los parámetros que influían de manera directa en el desempeño de cada modulo, enfatizándose: Ganancia, Figura de Ruido, Relaciones de Onda Estacionar ia en los puertos de entrada y salida. Se optimizo mediante el acople de impedanc ias, utilizando líneas de transmis ión y stubs en circuito abierto; y en los Tes. de polarizac ión empleando técnicas de transformadores λ/4 y s tubs radiales . Para realizar un diseño fabricable se tuvo en cuenta las líneas de acceso al dispositivo, los campos de desbordamiento en los bordes del c ircuito, los conectores, y las posibles perdidas por los Tes. de polar izacion. A continuac ión se presentan los resultados de los módulos implementados, los parámetros de mayor peso en su diseño y fabricac ión, y una descr ipc ión s implificada del procedimiento.

2.4.1 Amplificador del Tx El diseño de este amplificador se realizo en torno a la necesidad de una amplificación de la señal proveniente del filtro de RF; este filtro al ser pasivo le introducía perdidas a la señal del orden de 8 dB, por lo que era necesar io una amplificación posterior a esta etapa, y prev ia al amplificador de potenc ia, el cual neces ita un nivel mínimo de entrada de la señal.

IEL2-I-05-45

36

La gananc ia del amplificador debe ser mayor a 8 dB, conservando su estabilidad en todo el rango de frecuencias de func ionamiento y conservando una figura de ruido menor a la que introduce el mezc lador (6dB), para evitar un distorsionamiento alto de la señal de salida. Para evaluar el rango de estabilidad del transis tor se tomo el parámetro Mu, el cual debe ser mayor o igual a 1, la figura 23, muestra es te parámetro.

Figura 23. Parámetro Mu amplificador Tx. =1.33 a 2.45 GHz

Como el transistor es incondicionalmente estable en la banda, se utilizo un acople conjugado a la entrada y salida de la red de dos puertos para obtener la máxima ganancia, se diseñaron los respectivos circuitos de acople utilizando líneas de transmis ión y stubs en circuito abierto. La figura 24 muestra el diseño circuital del amplificador resaltando los acoples de cada puerto.

Figura 24. Acoples de entrada y salida amplificador Tx.

IEL2-I-05-45

37

Para los Tes. de polarizaron se utilizaron transformadores de λ/4; es tos transformadores asilan la señal RF de los c ircuitos de polar izacion, son una buena soluc ión ya que ev itan el uso de elementos concentrados como bobinas y capac itores de valores poco comerc iales, aunque generan un incremento en la figura de ruido, la figura 25 se ve el diseño de este Tes. y su respuesta.

Figura 25. Transformador de λ/4, respuesta y físico.

El prototipo final del amplificador (circuital) se muestra en al figura 26, se añadieron líneas de acceso, Tes. de polarizacion, los capacitores de acople, y bypass de la fuente, y se optimizaron los acoples (Método Gradiente) para obtener la mayor ganancia posible, con una figura de ruido dentro del rango.

IEL2-I-05-45

38

Figura 26. Prototipo final amplificador Tx (c ircuital), con acoples (rojo), Tes. de

polarizacion (verde) y capac itores de acople y bypass (amar illo). Los resultados por simulación Elec tromagnética se ilustran en la figura 27.

a)

IEL2-I-05-45

39

b)

Figura 27. Resultados por simulación Electromagnética amplificador Tx : a) ganancia;

b) NF El amplificador expone una gananc ia de 12dB con una NF de 2.88 dB a 2.45 GHz.

2.4.2 Filtro de RF El diseño del filtro se realizo para eliminar las frecuencias espur ias a la salida del mezclador , tomando como frecuenc ia central la mezc la a 2.45 GHz y rechazando 25Mhz en cada banda lateral, se implemento un filtro pas ivo Chebyshev, con topología Edge Coupled, en tecnología microstrip, la figura 28 muestra el diseño c ircuital del filtro.

Figura 28. Filtro (diseño circuital.)

IEL2-I-05-45

40

Como es un filtro pas ivo, se optimizo las líneas de acceso y las longitudes de cada línea paralela para obtener la menor perdida pos ible. El orden del filtro es 4, se eligió este orden para obtener un r izo menor a 0.1dB, la figura 29 ilustra los resultados de la simulación Electromagnética.

Figura 29. Resultados simulac ión Electromagnética filtro.

Como el filtro cumple con los requerimientos en el Tx y Rx, no fue necesario el diseño de otro modelo por separado, de esta forma es te filtro se utilizara en el Tx y Rx en sus etapas de radio frecuenc ia (RF). El filtro expone perdidas de 5 dB a la frecuencia central y un ancho de banda de 50MHz.

2.4.3 LNA (Low Noise Amplifier) El diseño de este amplificador demanda más ex igencia que cualquier otro diseñado. Como este amplificador es el primer dispositivo a la entrada del receptor después de la antena, debe tener una figura de ruido lo mas baja posible (menor a 5dB) y una buena amplificac ión (mayor a 18dB), para satisfacer los requer imientos de señal a ruido en el receptor y amplificar la

IEL2-I-05-45

41

señal lo suficiente para que pueda ser procesada y demodulada correctamente en el bloque digital. Para su diseño fue necesar io utilizar dos etapas de amplificac ión (utilizando en transistor BFP420), 2 transformadores de λ/4 y dos stubs radiales , se optimizo para obtener la mayor ganancia y una figura de ruido (manteniéndolo estable en el rango de frecuenc ias), de igual forma se optimizaron sus dimensiones, para finalmente obtener un amplificador de bajo ruido de dimensiones pequeñas. Para evaluar el rango de estabilidad del transis tor se tomo el parámetro Mu, el cual debe ser mayor o igual a 1, la figura 30, muestra es te parámetro.

Figura 30. Parámetro LNA Mu =5.25 a 2.45 GHz

Como es incondic ionalmente estable se diseñaron los circuitos de acople de entrada y salida para obtener la máx ima ganancia, el acople entre etapas se efectuó tomando el ЃMS2 conjugado, y acoplándolo a ЃML1, en la figura 31 se ilustra el diagrama de Smith y el respectivo acople.

IEL2-I-05-45

42

Figura 31.

Acople entre las dos redes LNA. Los acoples a la entrada y salida de la red se diseñaron de manera similar a los del amplificador ya diseñado, la figura 32, muestra los acoples y los transistores.

Figura 32. Redes de acople de entrada y salida (rojo), y los transistores (azul) LNA.

Para los Tes. de polarizaron se utilizaron transformadores de λ/4 y stubs radiales; los pr imeros ya los utilizamos y explicamos. Los stubs radiales tienen dos ventajas disminuyen las dimensiones del circuito y permiten obtener una figura de ruido baja, en la figura 33, se ve el diseño de es te Tes. y su respuesta.

IEL2-I-05-45

43

Figura 33. Stubs radiales, (respuesta y f ísico)

Finalmente se optimizaron los acoples y Tes. de polar izac ion para obtener la máxima ganancia, con una figura de ruido mínima, se integraron las v ias de acceso de los conectores, capac itores desacople y bypass de la fuente, se alteraron las líneas de 90 grados de un stub radial y un transformador para obtener un prototipo reducido, la figura 34, ilus tra el prototipo final (circuital).

Figura 34.

Prototipo final LNA (c ircuital), con acoples (rojo), Tes. de polarizac ion (verde) y capac itores de acople y bypass (amar illo).

IEL2-I-05-45

44

Los resultados por simulación Elec tromagnética se ilustran en la figura 35.

a)

b)

Figura 35. Resultados por s imulación Electromagnética LNA: a) ganancia; b) NF

IEL2-I-05-45

45

El LNA expone una ganancia de 23dB con una NF de 3 dB a 2.45 GHz

2.4.4 Amplificador Rx El diseño de este amplificador se realizo en torno a la necesidad de una amplificación de la señal proveniente del filtro de RF, al igual que en el Tx, pero este amplificador necesita una figura de ruido menor por la neces idad de tener una buena relac ión de señal en el receptor, Los pasos de diseño son los mismos, la diferencia se centra en la utilizac ión de Tes. de polar izacion diferentes (stubs radiales), para disminuir la figura de ruido, esto se logro a expensas de una menor ganancia, en la figura 36, se ilustra el prototipo final (c ircuital y fís ico).

Figura 36.

Prototipo final amplificador Rx (circuital) , con acoples (rojo) , Tes. de polarizac ion (verde) .

Los resultados por simulación Elec tromagnética se ilustran en la figura 37.

IEL2-I-05-45

46

a)

b)

Figura 37. Resultados por simulación Electromagnética amplificador Rx: a) ganancia;

b) NF El amplificador expone una gananc ia de 9 dB con una NF de 1.37 dB a 2.45 GHz

IEL2-I-05-45

47

PARTE III

IMPLEMENTACION DE LOS MODULOS RF En esta parte tomando los diseños ya realizados se organizaron los circuitos físicos utilizando Ansoft Designer, teniendo presente todas las consideraciones técnicas y finalm ente se implementaron los módulos RF.

IEL2-I-05-45

48

3.1 Implem entación de los módulos frontales Para la implementac ión de los módulos de radiofrecuencia, se utilizo la herramienta Layout de Ansoft Designer, esta herramienta permite organizar el circuito f ísico en base al diseño circuital realizado, aunque hay que tener muy en cuenta las líneas de acceso a los conectores con los campos de desbordamiento al momento de hacer el pos itivo, es te parámetro es importante ya que todos los diseños se hacen bajo la base de un plano de tierra infinito, suponiendo un comportamiento de los campos eléctr icos y magnéticos como los expuestos en la figura 2; s i no se tuviera en cuenta afectar ía de manera significativa el comportamiento del c ircuito, de igual manera la soldadura de los componentes y las líneas de polarizac ion consideraciones importantes que se deben tener. Para el transistor la pr incipal recomendación es su sensibilidad a estática. 3.1.1 Am plificador Tx. Al diseño circuital se le agregaron las líneas de acceso de los conectores, se eligieron condensadores de 1 nF, los cuales a la frecuenc ia de func ionamiento presentaban un buen comportamiento en desacople y Bypass, la figura 38, ilustra el circuito fisco final.

Figura 38 Circuito f ísico final amplificador Tx.

IEL2-I-05-45

49

El circuito final fís ico, resalta en verde los Tes. de polar izacion, en es te c ircuito, se utilizaron transformadores de λ/4, las líneas diagonales que salen de los transformadores, son las líneas de polar izac ion y se diseñaron de manera que ocuparan el menor espacio pos ible y funcionaran de manera cómoda en los circuitos de DC, el transistor se observe en azul, los circuitos de acople en rojo, los capacitores de bypass y acople en amar illo. El prototipo fís ico se ilustra en la figura 39.

Figura 39. Prototipo f ís ico amplificador Tx.

En el prototipo se tuv ieron en cuenta los campos de desbordamiento, por lo que el corte del PCB, no se efectuó sobre los limites del cobre del c ircuito, se dejo 1cm por cada lado para tener en cuenta este efecto, se utilizaron conectores SMA, por su tamaño y comodidad, además de sus bajas perdidas. Para las líneas de polar izaron, se puentearon cables hacia los c ircuitos de DC para mayor comodidad, el trans istor y los capac itores de acople se distinguen por la soldadura.

3.1.2 Filtro

IEL2-I-05-45

50

Para la implementac ión de filtro se le agregaron las líneas de acceso de los conectores, como es de tipo pasivo las consideraciones de capacitores y circuitos de polarizac ion no son necesarios. La figura 40, ilustra el circuito fisco final.

Figura 40. Circuito físico Final filtro.

Para es te c ircuito su implementac ión fue más sencilla, se le agregaron las líneas para los conectores y optimizaron las distancias verticales para obtener un diseño más reducido. El prototipo f ísico se ilus tra en la figura 41.

Figura 41.

IEL2-I-05-45

51

Prototipo f ís ico Filtro.

3.1.3 LNA Al diseño circuital se le agregaron las líneas de acceso de los conectores, se eligieron condensadores de 1 nF, los cuales a la frecuenc ia de func ionamiento presentaban un buen comportamiento en desacople y Bypass, se utilizaron 2 capac itores ex tras en la red de acople entre redes para ev itar cualquier paso de las señales de polarizaron; los circuitos de polarizacion se diseñaron de manera espec ial para ev itar el acople electromagnético debido a la proximidad. La figura 42, ilustra el circuito fisco final.

Figura 42. Circuito físico final LNA

IEL2-I-05-45

52

El circuito final fís ico, resalta en verde los Tes. de polar izacion, en es te c ircuito, se utilizaron transformadores de λ/4 en su parte infer ior par mejorar gananc ia, y stubs radiales en su par te superior para reducir dimensiones, mejorar ruido y ancho de banda, las líneas diagonales que salen de los transformadores y stubs radiales, son las líneas de polar izacion, se diseñaron de manera que ocuparan el menor espacio pos ible, funcionaran de manera cómoda en los circuitos de DC y tuvieran la menor interferencia con los s tubs en circuito abierto debido a su prox imidad , los transistores se observan en los rombos centrados, los circuitos de acople en rojo, los capacitores de bypass y acople en amar illo. El prototipo f ísico se ilustra en la figura 43.

Figura 43. Prototipo fís ico LNA.

En el prototipo se tuv ieron en cuenta los campos de desbordamiento, por lo que el corte del PCB, no se efectuó sobre los limites del cobre del c ircuito, se dejo 1cm por cada lado para tener en cuenta este efecto, se utilizaron conectores SMA, por su tamaño y comodidad, además de sus bajas perdidas. Para las líneas de polar izaron, se puentearon cables hacia los c ircuitos de DC para mayor comodidad, los transistores y los capacitores de acople se distinguen por la soldadura.

IEL2-I-05-45

53

3.1.4 Amplificador Rx Al diseño circuital se le agregaron las líneas de acceso de los conectores, se eligieron condensadores de 1 nF, los cuales a la frecuenc ia de func ionamiento presentaban un buen comportamiento en desacople y Bypass, la figura 44, ilustra el circuito fisco final.

Figura 44 Circuito f ísico final amplificador Rx.

El circuito final fís ico, resalta en verde los Tes. de polar izacion, en es te c ircuito, se utilizaron stubs radiales, para es te c ircuito no se utilizaron líneas diagonales que salieran de los stubs radiales, por la amplitud hacia el entro del c ircuito, los cables de polarizac ion se diseñaron de manera que ocuparan el menor espacio posible y funcionaran de manera cómoda en los c ircuitos de DC, el trans istor se observe en azul, los circuitos de acople en rojo, los capacitores de bypass y acople en amarillo. El prototipo f ísico se ilustra en la figura 45.

IEL2-I-05-45

54

Figura 45 Prototipo f ís ico amplificador Rx.

En el prototipo se tuv ieron en cuenta los campos de desbordamiento, por lo que el corte del PCB, no se efectuó sobre los limites del cobre del c ircuito, se dejo 1cm por cada lado para tener en cuenta este efecto, se utilizaron conectores SMA, por su tamaño y comodidad, además de sus bajas perdidas. Para las líneas de polar izaron, se puentearon cables hacia los c ircuitos de DC para mayor comodidad, el trans istor y los capac itores de acople se distinguen por la soldadura.

IEL2-I-05-45

55

CONCLUSIONES

Se implementaron los módulos de RF con las especificaciones indicadas a través de simulac ión utilizando dispos itivos comerciales, logrando resultados óptimos en los parámetros de diseño, y superando las expectativas de las espec ificac iones requeridas en cada uno de los dispositivos . Se agruparon aspectos de todas las áreas de comunicaciones, sintetizándolas para realizar un trabajo integral a nivel de simulac ión e implementac ión con aspectos técnicos en el área de sistemas RF y microondas. Se elaboraron módulos demostrativos a nivel de extracc ión bajo de los c ircuitos de microondas, y se logro su implementac ión con las herramientas que cuenta el GEST. Se implementaron amplificadores de alta frecuenc ia cubr iendo todos los aspectos que relacionan el buen funcionamiento de un sistema (ganancia, ruido, estabilidad). Se desarrollo el manejo de la herramienta Ansoft Des igner a nivel sis tema y circuital, permitiendo obtener prototipos mejorados. Aunque en el modulo de sistemas se pueden tener mejores resultados, ya que el diseño que se logro no involucraba el completo rendimiento del modulo.

IEL2-I-05-45

56

BIBLIOGRAFÍA [1] G. Gonzalez , “Microwave Transistor Amplifiers – Analysis and Design”,

Second Edition, Prentice – Hall. [2] R. Ludw ing and P. Bretchko, “RF Circuit Design – Theory and

Applications”, Prentice – Hall, 2000. [3] M. M. Radmanesh, “RadioFrequency and Microwave Elec tronics”,

Prentice – Hall, 2001. [4] M. Golio (Editor) , “RF and Microwave Semiconductor Device – Handbook”,

CRC Press, 2003. [3] U. L. Rohde and D. P. New kirk, “RF/Microwave Circuit Design for Wireless

Applications ”. [5] D. M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition, John Wiley &

Sons, 1998. [6] ANSOFT DESIGNER para la evaluación de kits de parámetros S. [7] Abracon catalogo de precios y distribuidores de sus productos

http://www .abracon.com/catalog.htm [8] Dis tribuidor de productos abracon con prec ios

http://www .mouser.com/abracon/ [9] Parámetros de s imulación S para ansoft

http://www .tdk.co.jp/ecat/index.htm [10] Dis tribuidor de dispositivos con sus prec ios diferentes productores

http://www .digikey.com/ [11] International semiconductor industry http://www .infineon.com/ [12] proveedores de parámetros S para simulac ión

http://www .emw onder.com/sparameters / [13] Johanson filtros de RF a 2.4Ghz y 5Ghz http://www.johansontechnology.com/library/aw r [14] Minicuricuits www.minicircuits.com [15] Manuel Sierra Perez “Electronica de Comunicac iones” Segunda Edicion,

PEARSON EDUCATION Madr id 2003 [16] Roy Blake “Sistemas Electrónicos de Comunicac iones” Segunda Edic ion

INTERNATIONAL THOMSON EDITORS 2004. [17] Tomasi, Wayne “Sistemas de Comunicaciones Electronicas” Cuarta Edic ion PEARSON EDUCATION Mexico, 2003.