Amplificador Sintonizado de Microondas

con Tecnología Microstrip

Alumnos

Gerardo Denenne, Adrián Mazza, Claudio Ortiz,

Federico Roux, Maximiliano Seffino, Pablo Szwajcer

Docentes

Juan Cecconi, Pablo De Césare, Damián Hidalgo, Augusto Musolino

Cátedra

Medidas Electrónicas II

Facultad Regional Buenos Aires

Universidad Tecnológica Nacional

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

2

Sumario

El presente detalla el procedimiento de diseño y construcción, y el posterior ensayo de un

amplificador sintonizado de 2,45 GHz basado en un amplificador de banda ancha y en una

red pasabanda de líneas microstrip acopladas, sintonizada a dicha frecuencia.

Para su construcción se utilizó un sustrato Rogers RO4350B con especificaciones definidas

en el rango de frecuencias utilizado y un amplificador integrado ISL55008 caracterizado

por el fabricante en sus parámetros S a la frecuencia de trabajo.

Introducción

Se planteó el desarrollo de un amplificador sintonizado de microondas con tecnología

microstrip, con una frecuencia central 2,45GHz y un ancho de banda de 100 MHz. Por

tratarse de la primera incursión en el área de las microondas, se optó por utilizar un

sustrato y amplificador de características conocidas y un filtro de tipo Butterworth de tan

solo 3 polos, intuyendo que esto facilitaría su posterior calibración.

Para el diseño del filtro microstrip de líneas acopladas se utilizó el software Ansoft

Designer en su versión Student, ajustando las características del filtro hasta obtener un

conjunto de líneas acopladas con dimensiones realizables bajo el método de construcción

de impresos con laca UV.

Diseño del Filtro

Se partió de un módulo de 4,5” por 1,5” con sustrato Rogers RO4350B de espesor

1,524mm y metalizaciones de cobre de 17um en ambas caras. De la hoja de

especificaciones del fabricante se obtuvo la permitividad eléctrica relativa, definida en

3,66 , y la tangente de pérdidas, definida en 3,1.10-3 .

Dado que el módulo utilizado resultó por sus dimensiones, incompatible con una

configuración de líneas acopladas estándar, se optó por construir los sucesivos pares de

líneas en forma perpendicular, asemejando el diseño a un conjunto de letras V en

contraposición. Esta modificación se basó en la hipótesis que dada su ortogonalidad los

pares contiguos no interferirían uno con otro mientras que los pares de líneas paralelos no

lo harían por su relativa lejanía.

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

3

La incidencia del uso de codos (bends) fue simulada con Ansoft como parte del diseño,

pero dada la naturaleza del software, la hipótesis anteriormente mencionada debió ser

contrastada en forma experimental.

A continuación se traza la simulación de parámetros S del amplificador en el rango de

frecuencia de interés. El circuito esquemático que sustenta la simulación se encuentra

anexo en el apartado 1.1.

Diseño del Amplificador

Para el diseño del amplificador sintonizado se tomó el circuito de aplicación dado por el

fabricante del amplificador integrado, a lo que se sumó el filtro pasabanda de entrada, la

electrónica auxiliar necesaria y los conectores de entrada y salida.

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

4

Se formó de este modo la estructura que se detalla a continuación:

La construcción del choque polarizador se realizó en base a un arreglo de dos stubs

conectados en paralelo en un mismo punto. Esta decisión se tomó por la imposibilidad de

contar con inductores correctamente caracterizados a la frecuencia de trabajo.

El arreglo se basó en la conexión paralela de dos stubs de longitud λ/4 dejando abierto el

primero y conectado el segundo a VCC (punto equipotencial para la corriente alterna).

Para disminuir aún más la impedancia de ese último e impedir cualquier lazo de

realimentación oculto se lo conectó a VCC por medio de un inductor estándar de 100nH y

al plano de masa a través del paralelo de dos capacitores de 100pF y 100nF.

Esta conexión de stubs se comporta a la frecuencia sintonizada como una conexión de dos

admitancias jY0 y –jY0, que al cancelarse generan el choque, pero proveen además la

corriente continua de polarización necesaria para el amplificador integrado.

Un dato a remarcar es el uso de múltiples vías para la conexión a masa del amplificador y

los capacitores de desacople, técnica que genera una disminución sustancial de la

inductancia serie de conexión y mejora la performance del diseño.

A continuación puede verse a escala real (1:1) el diseño definitivo del impreso.

Construcción del Prototipo

Para la construcción del prototipo se trasladó el diseño al programa Altium Designer 2006

y se realizó la preimpresión negativa de la filmina. Cabe destacar que el uso de una

Conector de Entrada

Línea de Transmisión

de 50Ω

Filtro Pasabanda

Amplificador de Banda

Ancha

Línea de Transmisión

de 50Ω

Conector de Salida

Fuente de

3,3VDC

Choque

Polarizador

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

5

preimpresión offset es esencial para realizar una transferencia exitosa con laca UV, ya que

solo esta técnica de impresión genera la opacidad requerida en la tinta.

Luego se aplicó la laca UV a una de las metalizaciones con un pincel de pelo suave, se dejó

secar, se expuso la placa a la luz UV a través de la filmina y se realizo el revelado.

Finalmente se enmascaró la otra cara del impreso (plano de masa), se realizó el ataque

químico con percloruro férrico, y se soldaron los componentes a la placa.

Este procedimiento se realizó en concordancia con lo especificado por el fabricante de la

laca UV Fotoresist®.

Ensayo

El ensayo de parámetros S del amplificador fue realizado con un analizador de espectro

IFR Systems modelo AN940 que incluye generador de tracking. Se configuró el generador

para una salida de 0dBm y se lo ensayó utilizando un cable de longitud reducida. El ensayo

del generador de tracking se encuentra anexo en el apartado 2.1 y fue realizado utilizando

el siguiente setup:

Generadorde Tracking

Analizador deEspectro

Luego se realizó el ensayo del acoplador direccional HP modelo 87301E. Para ello inyectó

señal en su puerto de salida, se desadaptó su puerto de entrada dejándolo desconectado

y se conecto su puerto de medición al analizador de espectro. Se midió de este modo el

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

6

acoplamiento de las ondas reflejadas al puerto de medición. Los resultados del ensayo se

encuentran anexos en el apartado 2.2 y el setup utilizado se detalla a continuación.

Setup para medición de

acoplamiento.

Generadorde Tracking

Analizador deEspectro

OUT IN

SENSE

Finalmente se repitió el ensayo adaptando la entrada del acoplador por medio de un

atenuador de 30dB (S11 = -60dB), y se analizó la señal reflejada en condiciones de

adaptación. El ensayo fue realizado con el setup que se detalla a continuación y sus

resultados se encuentran anexos en el apartado 2.3.

Setup para medición de

desadaptación del adaptador.

Generadorde Tracking

Analizador deEspectro

OUT IN

SENSE

ATT.

A continuación se intercaló el amplificador sintonizado entre el generador de barrido y el

analizador, alimentándolo con una batería de 9V PP3 estándar. El amplificador fue

sintonizado utilizando un elemento abrasivo, ya que había sido desintonizado levemente

en su diseño para acomodar las tolerancias del método de transferencia por laca UV y

ataque químico.

Debe tenerse en cuenta que la desintonía debe ser siempre a la baja (elementos

resonantes más largos) ya que únicamente devastando material y acortando por ende su

longitud, pueden obtenerse buenos resultados en la sintonía.

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

7

Finalmente se ajustó el stub abierto del choque polarizador (también desintonizado en el

diseño) hasta obtener máxima respuesta en la banda de paso.

A continuación se detalla el setup utilizado para la medición de la transferencia del

amplificador entre sus puertos de entrada y salida, y la comparativa entre los resultados

del ensayo y de la simulación, indicando los puntos de interés. La medición original se

encuentra anexa en el apartado 2.4.

Setup para medición de

Transferencia (S21).

Generadorde Tracking

Analizador deEspectro

IN OUTDUT

Simulación de la Transferencia del amplificador (S21). Trazado de la respuesta del amplificador (S21).

El ensayo de la adaptación de entrada (S11) y salida (S22) fue realizado con el acoplador

direccional en la configuración previamente mencionada, conectando alternativamente

cada puerto del amplificador a la entrada del acoplador y adaptando el restante por

medio del atenuador. A continuación se detalla el setup utilizado en cada caso y la

comparación entre resultados corregidos del ensayo y valores simulados.

Setup para medición de

Desadaptación de Entrada (S11).

Generadorde Tracking

Analizador deEspectro

OUT IN

SENSE

ATT.IN OUTDUT

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

8

Simulación de la desadaptación de entrada (S11). Trazado de la desadaptación de entrada (S11).

Setup para medición de

Desadaptación de Salida (S22).

ATT.

Generadorde Tracking

Analizador deEspectro

OUT IN

SENSE

INOUT DUT

Simulación de la desadaptación de salida (S22). Trazado de la desadaptación de salida (S22).

Los resultados originales de ambas mediciones se encuentran anexos en los apartados 2.5

y 2.6 respectivamente.

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

9

Finalmente se determinaron el punto de intercepción de tercera armónica y el punto de

compresión de 1dB. Para ello se utilizó el analizador AN940 en conjunto con un generador

de radiofrecuencias Rhode & Schwarz SMP02 sintonizado en la frecuencia central del

filtro. El setup de medición se detalla a continuación.

Setup para medición de

distorsión

Generadorde Tracking

GeneradorMonotonal

Analizador deEspectro

IN OUTDUT

La estimación de los parámetros de distorsión se realiza mediante la medición de la

potencia de salida en frecuencia fundamental y tercera armónica para una entrada

monotonal a frecuencia central de amplitud variable. Las determinaciones son luego

proyectadas para obtener ambos puntos y ponderar por medio de ellos la distorsión

introducida por el amplificador para una potencia de salida dada.

En el apartado 3.1 del anexo se detallan las mediciones realizadas en forma numérica y en

el apartado 3.2 se encuentra anexa la gráfica de las mediciones en conjunto con las líneas

de proyección que estiman el punto de intercepción.

Conclusiones

El amplificador sintonizado funcionó adecuadamente según las especificaciones dadas, lo

que permitió validar los procedimientos de diseño y construcción.

Su frecuencia de corte inferior fue de 2,39GHz y su frecuencia de corte superior de

2,48GHz. Su máxima ganancia se registró en 2,44GHz y fue de 8,5dB.

La desadaptación de entrada a 2,44GHz fue de –7,2dB y la desadaptación de salida a dicha

frecuencia fue de –9dB.

Del análisis de estos tres parámetros en el rango de frecuencias de interés, surge que

mientras que la transferencia fue similar a la estimada en la simulación las

desadaptaciones de entrada y salida difirieron notablemente de los valores esperados.

El punto de compresión de 1dB fue determinado en 8,6dBm y el punto de intercepción de

tercera armónica fue determinado en 20,5dBm.

De este modo el amplificador fue caracterizado en su respuesta en frecuencia y en su

distorsión en frecuencia central.

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

10

Anexo

1. 1 – Circuito esquemático del amplificador sintonizado simulado con Ansoft Designer SV.

0

IZ=

0

PN

UM

=1

RZ

=50

IZ=

0

PN

UM

=2

RZ

=50

S=s1

W=w1

P=p2

S=

s1

W=

w1

P=

p2

S=

s2

W=

w2

P=

p3

S=s2

W=w2

P=p3

W 1 = w 2

W 2 = w 2

W1=w1

W2=

w2

W1=w2

W2=w1

AN

G=

45deg

W=w1

W1=

wz0

W2=

w1

AN

G=

45deg

W=

w1

W1=

wpad

W2=

w1

P=

9.0

1097m

m

W=

wz0

12

P=9.61756mm

W=2*wpad

W1=

wpad

W2=

wz0

1

2

3

4

W1=

wz0

W2=

2*w

pad

W3=

wz0

W4=

wpad

P=

9.0

1097m

m

W=

wz0

D=

1m

m

DG

=1m

m

100pF

ES

R=

0

100pF

ES

R=

0

220pF

ESR=0

P=

pscra

tch

W=

w2

P=

pscra

tch

W=

w2

W=w1

W=

w1

W=

W2

W=

W2

W=W2 W=W2

W=

w1

P=12mm

W=2*wpad

P=pscratch

W=w1

P=pscratch

W=w1

P=pscratch

W=w2

P=pscratch

W=w2

P=

pscra

tch

W=

w1

P=

pscra

tch

W=

w1

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

11

2.1 – Ensayo de planicidad del generador de tracking incorporado al analizador IFR AN940.

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

12

2. 2 – Ensayo de ruido de fondo en medición de onda reflejada con carga adaptada.

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

13

2. 3 – Ensayo de acoplamiento de las ondas reflejadas.

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

14

2.4 – Ensayo de transferencia del amplificador sintonizado ( Parámetro S21 ).

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

15

2.5 – Ensayo de desadaptación a la entrada del amplificador sintonizado (Parámetro S11 ).

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

16

2.6 – Ensayo de desadaptación a la salida del amplificador sintonizado (Parámetro S22 ).

Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA

17

3.1 – Tabla de medición de armónicas generadas por el amplificador sintonizado.

Entrada [dBm]

Salida [dBm]

3º Armónica [dBm]

-20 -13,1 -

-18 -10,9 -

-16 -8,7 -

-14 -6,5 -

-12 -4,6 -

-10 -2,1 -

-8 -0,3 -65

-6 1,8 -51

-5 2,6 -48,5

-4 3,7 -45

-3 4,6 -41,5

-2 5,6 -37,5

-1 6,5 -33,5

0 7,5 -29,1

1 8,1 -25,6

2 8,7 -23,4

3 9 -22,1

4 9,3 -22,1

5 9,6 -22,1

6 10 -22,1

7 10,3 -22,1

3.2 – Gráfica de mediciones y trazado de rectas de intercepción.

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Salida

3º Armónica