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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN FILTRO PASA BANDA PARA APLICACIONES SATELITALES EN
BANDA L
P R O Y E C T O T E R M I N A L QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
ING. COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
PRESENTA: LEONEL PEREZ OVANDO
JESS MANUEL SOTO HERNNDEZ
DIRECTORES DE TESIS: DR. LUIS MANUEL RODRGUEZ MNDEZ DR. MAURO ALBERTO ENCISO AGUILAR
Mxico, D.F.
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ndice
Tabla de contenido
RESUMEN ........................................................................................................... i ABSTRACT .......................................................................................................... ii Prlogo .................................................................................................... iii Objetivo ................................................................................................... iv Objetivo General ......................................................................... iv Objetivos Particulares ................................................................. iv Justificacin ............................................................................................. v Hiptesis .................................................................................................. vii Metodologa ............................................................................................. viii Estructura de la tesis ............................................................................... ix CAPTULO 1: Fundamentos tericos de filtros ............................................... 1
1.1 Antecedentes ........................................................................................ 2 1.2 Introduccin ........................................................................................... 4 1.3 Estado del Arte ...................................................................................... 5 1.4 Conceptos bsicos en la teora de filtros ............................................... 9 1.5 Lneas de transmisin de microcintas ................................................... 10
CAPTULO 2: Mtodos y elementos empleados en el diseode filtros ......... 13 2.1 Mtodos de diseo por insercin de prdidas ..................................... 14 2.1.1 Mximamente plano .................................................................. 15 2.1.2 Rizado igual ............................................................................... 20 2.1.3 Fase lineal ................................................................................. 20 2.2 Mtodo de momentos (mtodo de simulacin) ..................................... 21 2.3 Parmetros de Dispersin o parmetros S (Scattering) ....................... 22 2.4 Programa de simulacin ....................................................................... 24 CAPTULO 3: Construccin y Optimizacin .................................................... 27 3.1 Procedimiento de diseo ...................................................................... 28 3.2 Proceso de construccin y/o montaje ................................................... 35 3.3 Equipo de medicin .............................................................................. 36 3.3.1 Anritsu MS4624B ......................................................................... 36 3.3.2 Anritsu 3680-20 ........................................................................... 37 3.4 Propiedades de materiales ................................................................... 38
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3.4.1 RF-60 .......................................................................................... 38 3.4.2 CER-10 ........................................................................................ 39 3.4.3 TMM10i ....................................................................................... 40 CAPTULO 4: Anlisis de Resultados ............................................................... 41 4.1 Caracterizacin del filtro (resultados medidos) ..................................... 4.2 Comparacin terico-prctica ............................................................... CAPTULO 5: Conclusiones y Recomendaciones ........................................... 59 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ......................................................................... 62 GLOSARIO .......................................................................................................... 64 APENDICE A ....................................................................................................... 66
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ndice de tablas Tabla 1.1 Tabla comparativa de filtros con frecuencia central 1575.42 MHz ....... 8
Tabla 2.1 Valores de los elementos para los filtros pasa bajas con respuesta
mximamente plana ............................................................................................. 19
Tabla 4.1 Comparacin de mediciones y simulacin de las principales figuras de
mrito del filtro zigzag .......................................................................................... 45
Tabla 4.2 Comparacin de mediciones y simulacin de las principales figuras de
mrito del filtro harping ......................................................................................... 47
Tabla 4.3 Comparacin de mediciones y simulacin de las principales figuras de
mrito del filtro harping (segunda construccin) .................................................. 49
Tabla 4.4 Comparacin de mediciones y simulacin de las principales figuras de
mrito para el filtro con lneas acopladas paralelas ............................................. 51
Tabla 4.5 Comparacin de mediciones y simulacin de las principales figuras de
mrito para el filtro con lneas acopladas paralelas (segunda construccin) ....... 53
Tabla 4.6 Comparacin de mediciones y simulacin de las principales figuras de
mrito para el filtro con lneas acopladas paralelas (tercera construccin). ......... 55
Tabla 4.7 Tabla comparativa...56
Tabla 5.1 Comparacin del filtro diseado con los comercialmente existentes ... 61
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ndice de figuras
Figura 1.1Configuracin de un front RF bsico de un receptor GPS ................... 03
Figura 1.2 Geometra de una lnea de microcinta ................................................ 11
Figura 1.3. Seccin de una lnea de transmisin ................................................. 12
Figura 2.1Circuitos en escalera para filtros pasa bajas y las definiciones de sus
elementos. (a) Prototipo comenzando con un elemento en paralelo. (b) Prototipo
comenzando con un elemento en serie ................................................................ 18
Figura 2.2 Red de dos puertos ............................................................................ 23
Figura 3.1 Diagrama de flujo para el diseo del filtro .......................................... 29
Figura 3.2Pantalla principal del ADS que muestra la ubicacin de los
smartcomponents ................................................................................................. 30
Figura 3.3Esquemticos de diferentes topologas de filtros con su respectivo
mdulo de smartcomponent ................................................................................. 31
Figura 3.4. Mdulos utilizados para la optimizacin ............................................ 32
Figura 3.5. Diseo del filtro pasa banda en zigzag .............................................. 33
Figura 3.6 Diseo del filtro pasa banda tipo Harping .......................................... 34
Figura 3.7 Diseo del filtro pasa banda de lneas paralelas acopladas .............. 35
Figura 3.5 Analizador MS4624B .......................................................................... 37
Figura 3.6Anritsu 3680-20 ................................................................................... 38
Figura 4.1 Parmetro S21 (RF-60) ....................................................................... 43
Figura 4.2 Parmetro S11 (RF-60) ....................................................................... 44
Figura 4.3 Parmetro S21 (CER-10) ..................................................................... 46
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Figura 4.4 Parmetro S11 (CER-10) ..................................................................... 46
Figura 4.5 Parmetro S21 (CER-10.1) .................................................................. 48
Figura 4.6Parmetro S11 (CER-10.1) ................................................................... 48
Figura 4.7 Parmetro S21 (TMM10i) .................................................................... 50
Figura 4.8 Parmetro S11 (TMM10i) .................................................................... 50
Figura 4.9 Parmetro S21 (TMM10i-1) ................................................................. 51
Figura 4.10 Parmetro S11 (TMM10i-1) ............................................................... 52
Figura 4.11 Parmetro S21 (TMM10i-2) ............................................................... 53
Figura 4.12 Parmetro S11 (TMM10i-2) ............................................................... 54
Figura 4.13 Parmetro S21 (Correccin del coeficiente) ...................................... 55
Figura 4.14 Parmetro S11 (Correccin del coeficiente) ...................................... 56
Figura 4.15 Parmetros S21 y S11 despus de la optimizacin ............................ 57
Figura A.1 Impresin del layout ........................................................................... 66
Figura A.2 Diseo ............................................................................................... 66
Figura A.3 Se limpia la placa para eliminar la grasa y residuos .......................... 67
Figura A.4 Colocacin de pelcula y calentado.................................................... 67
Figura A.5 Se coloca el diseo en la placa ......................................................... 68
Figura A.6 La placa junto con el layout se somete a luz ultravioleta ................... 68
Figura A.7 Cuando se retira la placa de la luz se somete al removedor para que
se queden solo las pistas en la placa ................................................................... 69
Figura A.8 Se somete la placa a cloruro frrico para eliminar el cobre sobrante 69
Figura A.9 Diseo terminado colocado en la base para probar con el analizador
de redes ............................................................................................................... 70
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i
Resumen
En este proyecto se puede observar el diseo y construccin de diferentes
topologas de filtros pasa banda para GPS, cuya banda de operacin es L1 y
frecuencia central est ubicada en 1575.42 MHz, con un ancho de banda entre 40
y 60 MHz, as como los mtodos de diseo y simulacin para obtener un diseo
que cumpla con los requerimientos del dispositivo.
El trabajo comienza con una pequea introduccin y antecedentes de las
diferentes aplicaciones de GPS (las bandas a las que opera), y una breve
explicacin de las lneas de transmisin de microcinta.
El diseo de estos filtros se realiza con ayuda del mtodo de insercin de
prdidas para lograr una configuracin ms sencilla y rpida. El trabajo est
apoyado con un simulador llamado Advanced Design System (ADS) con el cual se
pueden realizar las simulaciones adecuadas para el diseo.
Se utilizan diferentes sustratos (RF-60, CER-10, TMM10i) para poder hacer
una comparacin de sus propiedades y escoger el que se adapte mejor a los
parmetros que se necesitan, para esto se escogen materiales con constantes
dielctricas distintas y observar el comportamiento de las lneas de microcinta en
cada uno de ellos, procurando que stas sean las de menor longitud posibles,
pero realizables, para obtener as menores prdidas.
Se utiliza un analizador de redes vectorial para obtener las mediciones de
los parmetros de dispersin de los diferentes dispositivos, mismos que se pueden
disear de manera prctica utilizando smartcomponents directamente mediante
lneas de transmisin de tipo; lneas paralelas acopladas, zigzag, horquilla y
harping, entre otras.
Despus de obtener los resultados de los distintos filtros se realizan las
comparaciones necesarias con algunos filtros comerciales que operan en la
misma banda de frecuencia que el realizado en este proyecto. Por ltimo se
ofrecen algunas recomendaciones en el diseo y construccin para los trabajos
que se realicen en un futuro y sean de estas mismas caractersticas.
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ii
Abstract
In this project it is possible to see the design and construction of different topologies for GPS band-pass filters, whose operation band is L1 and center frequency is located at 1575.42 MHz with a bandwidth between 40 and 60 MHz, also is presented the design and simulation methods in order to obtain a good device performance .
The work begins with a brief introduction and background of different applications of GPS (the operating bands), and a brief explanation of microstrip transmission lines.
The design of these filters is performed using the method of insertion loss to achieving a quick and easy configuration. This work is supported by the Advanced Design System (ADS) simulator, proven to be a reliable, robust and accuratesoftware.
In order to make a parametric comparisons in this study we have been used different dielectric substrates (RF-60, CER-10, TMM10i) ensuring the lowest length, lower losses and achievable in our laboratory.
Measurements of scattering parameters of different devices were performedusing a vector network analyzer. ADS have different filter topologies which are very practical to design using the named smartcomponents. The band pass filters topologies designed are; coupled parallel lines, zigzags, fork and harping, among other.
The simulation results of different filters are compared with measurements and with some commercial filters that operate in the same frequency band. Finally, some recommendations are given in order to improve the design and construction of filters.
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iii
Prlogo
El campo de las comunicaciones en la actualidad ha ido evolucionando de
manera muy rpida teniendo como resultado una mayor facilidad de comunicacin
en todas partes. Para los lugares en los que es difcil poder tener comunicacin
se utilizan los satlites de tal forma que se puede hacer llegar la seal.
En las comunicaciones satelitales las seales recibidas son a altas
frecuencias y para poder recibir la mayor parte de la seal con mnimas prdidas
se utiliza el diseo a base de microcintas que brindan el beneficio de recibir el
mximo de la seal con muy poca atenuacin.
En esta tesis se lleva a cabo el diseo y construccin de un filtro pasa
banda con una frecuencia central de 1575.42 MHz que forma parte primordial del
receptor ubicado en la estacin terrena y que se est elaborando para recibir la
seal de un micro satlite.
El diseo se hace mediante el uso de un programa de simulacin llamado
Avaneced Design System el cual se disea y optimiza para un mejor
funcionamiento y as, posteriormente, realizar la construccin fsica y mediciones
de parmetros correspondientes para compararlos con los resultados de las
simulaciones y, en caso de ser necesario realizar el rediseo hasta obtener las
caractersticas deseadas.
Para la construccin del filtro se requiere disear con varios materiales
como el RF-60, el CER-10, TMM10i; esto con el fin de tener diferentes resultados
y elegir el material que mejor se adapte a los requerimientos solicitados.
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iv
Objetivo Disear y construir un filtro pasa banda para un receptor de microondas en banda
L1.
Objetivos particulares Comprender y analizar la teora para el diseo del filtro.
Modelar el sistema para las condiciones requeridas.
Simular en el software adecuado (CAD) el diagrama con las caractersticas
que se utilizarn en la implementacin.
Optimizar las redes del filtro.
Construir el filtro pasa banda.
Medir los parmetros de dispersin para comprobar el correcto
funcionamiento.
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v
Justificacin
Las comunicaciones por satlite en la actualidad han tomado un auge
importante ya que en algunos lugares es muy complicado poder hacer llegar una
seal de televisin o telefona (por citar algunos ejemplos). Por lo que se ha
recurrido a este tipo de comunicaciones para lograrlo, especficamente en la
banda L que en Mxico se utiliza para las comunicaciones mviles de seguridad
nacional y telfonos satelitales para telefona rural.
Las ventajas que nos ofrece la banda L es que, al utilizar grandes
longitudes de onda, estas pueden penetrar a travs de las estructuras terrestres,
adems que precisan transmisores de menor potencia y es poco explotada en
Mxico.
Mxico por su importancia, requiere de su propio sistema o constelacin de
satlites de posicionamiento global, a fin de tener una red confiable sin tener que
depender de los caprichos de otras naciones, la propia seguridad nacional lo
exige, el da de maana por el motivo que sea, a los extranjeros se les ocurre
bajar el switch y nos deja como pas en una desventaja muy grande o mal
posicionados
Por esta razn la maestra de ingeniera de Telecomunicaciones de la
Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica unidad Zacatenco se ha
preocupado por desarrollar las diferentes partes que integran el Front-end de un
receptor para GPS en la banda especfica de L1 (1.575 GHz).
Esto es ya que existe un micro satlite experimental cuya elaboracin se
est llevando a cabo en el CICESE (Centro de Investigacin Cientfica y de
Educacin Superior de Ensenada) y en el IPN.El intercambio de informacin, ser
de gran utilidad para el presente proyecto, fortaleciendo los vnculos de
colaboracin con otros laboratorios.
Esta tesis forma parte de ese gran proyecto donde nosotros en particular
desarrollaremos el filtro pasa-banda que forma parte del receptor en la estacin
terrena esencial para la captura de la seal deseada para su posterior
procesamiento.
Para llevar a cabo su construccin Se ha decidido utilizar la tecnologa de
microcintas ya que cuenta con ciertas ventajas, como la de contar con un elevado
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vi
factor de integracin, costo reducido y capacidad de elaborar elementos
distribuidos in situ manteniendo un factor de de prdidas relativamente reducido
de las seales que transmiten la constelacin de satlites.
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vii
Hiptesis
Se analiza la teora correspondiente al diseo de los filtros en altas
frecuencias para conocer las tcnicas y metodologas empleadas en el clculo de
los valores exactos de los capacitores e inductancias de un circuito que cumpla
con las caractersticas deseadas para el filtro.
Mediante el uso de un software de diseo asistido por computadora (el
simulador Advanced Design System) se obtiene un circuito con elementos
concentrados ideales empleando el diseo clsico de filtros (por medio de tablas)y
posteriormente se convertirnestos elementos a elementos distribuidos por medio
de lneas de microcinta.
Posteriormente se optimiza el diseo con el mismo simulador a fin de
mejorar la respuesta en acoplamiento y transmisin de entrada y salida, as como
obtener las dimensiones fsicas del circuito para que se pueda realizar en
microcinta.
Se construye el filtro fsicamente en distintas placas de diferentes
materiales dielctricos para altas frecuencias y se procede a la medicin de
parmetros para comprobar el comportamiento deseado o de lo contrario hacer un
anlisis y rediseo del mismo.
Se caracteriza el filtro y se evala con filtros comerciales de manera que se
obtengan ventajas y desventajas del construido.
Haciendo un anlisis de la teora de la literatura tradicional correspondiente
al diseo de filtros en RF y conociendo los fundamentos bsicos del modo de
funcionamiento del software para realizar este tipo de diseos se puede afirmar
que la creacin y diseo de un filtro por medio del software Advanced Design
System es ms afectivo que realizarlo de manera ortodoxa con el modelo anterior,
as mismo al realizar el diseo y evaluacin de los distintos filtros construidos se
puede afirmar que a pesar de que en las especificaciones de los materiales
mencionan distintas ventajas al realizar los diseos con los mismos, al utilizar la
tecnologa de microcinta que es mas econmica que otro tipo de tecnologa (
como los filtros SAW) se puede obtener un filtro de buena calidad que cumpla con
los requerimientos que este tipo de dispositivo exige y que puede se comparable
con los comerciales que utilizan tecnologa sofisticada pero con precios mas
onerosos.
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viii
Metodologa
El diseo de los filtros de microondas se puede llevar a cabo mediante el
mtodo tradicional a partir de tablas que me permiten escoger la frecuencia central
del filtro, el rizo deseado, el ancho de banda, la atenuacin en la banda de
rechazo, las prdidas por retorno, etc. Una vez seleccionadas estas caractersticas
en las tablas, se determinan las etapas resultantes del filtro y se ejecutan una
serie de clculos con los que se obtiene: los valores de las bobinas y capacitores
de cada etapa, otra tcnica de diseo es mediante la utilizacin de un software de
diseo asistido por computadora, el cualse basa en la utilizacin de modelos
analticos, los cuales han sido previamente estudiados por otros diseadores,
estos modelos estn presentes dentro del software de diseo, se pueden disear
con lneas de transmisin en diversas configuraciones, como puede ser mediante
lneas paralelas acopladas, utilizando anillos dielctricos resonantes,
implementando capacitores interdigitados y devanados de bobinas por microcinta.
El mismo software cuenta con otra aplicacin que permite analizar la estructura de
microcinta diseada por otro mtodo que se conoce como mtodo de momentos
(MoM). Este mtodo permite resolver las ecuaciones de Maxwell en la estructura y
en la solucin arroja caractersticas importantes como son acoplamientos mutuos
y efectos de frontera que en muchas ocasiones por el mtodo analtico
(convencional) no es posible extraer. De esta manera se pueden verificar ambos
resultados y contar con una mayor seguridad de diseo.
Una de las topologas de filtro pasa banda que se utiliz en este trabajo ha
sido, el filtro de lneas paralelas acopladas de microcinta, en este filtro los
inductores y capacitores estn representados de formadistribuida, por ejemplo
para este filtro se juntan varias lneas de cierto ancho yseparacin su rendimiento
depende de la geometra de las lneas y resulta ser un dispositivoligero, compacto,
altamente confiable y estable a las vibraciones y temperatura, hacindolo aplicable
a una gran variedad de sistemas de comunicacin.
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ix
Estructura de la tesis
El desarrollo de la tesis est formado por cinco captulos los cuales estn
organizados de la siguiente forma:
El captulo 1 contiene una introduccin acerca de los filtros de altas
frecuencias en tecnologa de microcinta ya que es lo que se pretende realizar.
Tambin se mencionan algunos antecedentes de los sistemas de posicionamiento
global (GPS), ya que el filtro a disear para este tipo de sistemas. Posteriormente
se discuteel estado del arte de los filtros de alta frecuencia con caractersticas
similares al que se va a disear y finalmente se incluyen algunas definiciones y
conceptos bsicos de los filtros.
El captulo 2 est reservado para la parte terica del diseo de filtros
(caractersticas principales, mtodos de diseo, etc.), los diferentes tipos y
procedimientos de diseo. Tambin se abordala parte terica de los parmetros
de dispersin (parmetros S), el paquete de simulacin el cual sirve de apoyo para
el mejor diseo del filtro y principalmente para que sea ms rpido y se pueda
optimizar as como algunos de los mtodos de diseo que vienen implementados
en el simulador.
La parte correspondiente al captulo 3 es la del diseo del filtro en el
simulador y posteriormente la construccin y/o montaje, tambin se explica de
manera breve la operacin de los instrumentos de medicin usado en las pruebas
y se describen las principales propiedades de los materiales dielctricos que se
utilizaron.
El captulo 4 incluye las caracterizaciones del filtro, el anlisisde los
parmetros S medidos mediante el analizador de redes vectorial, con los que se
comparan con losresultados de la simulacin o esperados. Tambin se presenta
una tabla con las principales figuras de merito y se constata con los resultados de
filtros comerciales que operan en la misma banda de frecuencia.
Finalmente el captulo 5 contiene las conclusiones generales, algunas
recomendaciones de diseoy se proponen posibles mejoras a futuro.
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Diseo y construccin de un filtro pasa banda para aplicaciones satelitales
1
CAPTULO I
FUNDAMENTOS
TERICOS DE
FILTROS
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Diseo y construccin de un filtro pasa banda para aplicaciones satelitales
2
1.1 Antecedentes
El GPS (Global Positioning System: sistema de posicionamiento global) es
un sistema global de navegacin por satlite (GNSS) que permite determinar en
todo el mundo la posicin de un objeto, una persona o un vehculo con una
precisin que va desde unos pocos metros hasta de centmetros.
El primer satlite de GPS fue lanzado en el 1978. Comenzando en el 1989,
una segunda generacin de satlites (Satlites de Bloque II) fue puesta en
servicio. El sistema alcanz operacin plena en el ao 1995. En el presente, la
flotilla de satlites de GPS consiste en por lo menos 24 satlites Bloque II y en
1983 se declar que sera disponible para usos civiles.
El sistema GPS civil y militar opera en dos bandas de frecuencia, L1 a
1575.42 MHz y L2 a 1227.60 MHz La primera banda es para transmitir cdigos de
tiempo que son disponibles para cualquier usuario comercial o pblico, este modo
de operacin es referido como el cdigo C/A (Curse/Acquisito: Curso/Adquisicin).
La segunda banda es reservada para usos militares utilizando un cdigo de tiempo
encriptado conocido como cdigo P (Protector: protegido).[1]
Hoy en da, el sistema GPS nos permite, a travs de una red de satlites y
un pequeo receptor, conocer nuestra ubicacin en cualquier parte del mundo, sin
necesidad de pagar una renta o inscripcin ya que la seal es libre por lo que las
aplicaciones son muchas como trazado de rutas y mapas.
Pero para poder utilizar las aplicaciones y ventajas que nos ofrece este
sistema es necesario captar la seal requerida segn las necesidades. Esto lo
hace el receptor a travs de la antena, el filtro, el amplificador de bajo ruido,
mezclador, redes de acoplamiento entre los componentes.
A continuacin se muestra la configuracin de un front RF bsico de un
receptor GPS en donde se ubican los elementos antes mencionados para mayor
claridad.
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Figura 1.1Configuracin de un front-end RF bsico de un receptor GPS
Dentro de todo este receptor, lo que corresponde implementar es la primera
etapa de filtrado de la seal sealada en la figura anterior, la funcin del filtro es
captar la seal requerida a la frecuencia especfica y entregar dicha seal al
amplificador para su procesamiento y manejo, debido a esto se deben obtener las
caractersticas precisas y especificadas.
Es la primera ocasin que en la maestra de Ingeniera en
Telecomunicaciones se pretende elaborar un filtro pasa banda de alta frecuencia
para aplicaciones satelitales buscando alcanzar y de ser posible, mejorar las
propiedades de los filtros comerciales.
Sin embargo, en este departamento se han elaborado anteriormente
estudios de resonadores con microcintas y redes de acoplamiento para obtencin
de mxima ganancia o bajo ruido por lo que se cuenta con los fundamentos y
tcnicas bsicas para poder obtener los resultados esperados.
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1.2 Introduccin
El filtro es un elemento quese puede ubicar despus de la antena receptora
en un sistema de recepcin satelital y cuya funcin principal es dejar pasar la
banda de frecuencias til a la cual est construido adems de servir como red de
acoplamiento entre la antena y el amplificador de bajo ruido.
En el ambiente existe una gran cantidad de seales provenientes de otros
sistemas de comunicacin, estas seales tienen diferentes componentes
frecuenciales. Debido a que la antena puede captar todas estas seales, sin
importar la frecuencia, es necesaria la implementacin de un filtro pasa-bajas para
que solamente deje pasar la seal deseada a las siguientes etapas para su
posterior procesamiento.
El diseo y construccin del filtro debe ser para una banda de frecuencias
especfica y rechazar todas las dems frecuencias parsitas, ya que de lo
contrario puede generar interferencia con otros canales de comunicacin o
ntermodulacin haciendo que la informacin recibida no pueda ser procesada
correctamente, adems una adecuada seleccin del filtro, permite reducir el ruido
de piso incrementando el rango dinmico del sistema receptor.
Es por estas razones que se ha decidido disear y construir un filtro pasa-
banda para aplicacin de GPS con una frecuencia central de 1575.42 MHz y un
ancho de banda de 40 MHz, tambin se presentan las mediciones y comparan con
los resultados simulados o esperados.
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1.3 Estado del arte La banda de inters y una de las ms utilizadas en los sistemas de satlites es la
banda L cuyas caractersticas principales se describen a continuacin.
Banda L.
Rango de frecuencias: 1.53 - 2.7 GHz (L1 a 1575.42 MHz y L2 a 1227.60
MHz)
Ventajas: grandes longitudes de onda pueden penetrar a travs de las
estructuras terrestres; precisan transmisores de menor potencia.
Inconvenientes: poca capacidad de transmisin de datos.
Una de las primeros mejoras al sistema GPS fue la introduccin de una
nueva frecuencia para uso civil a 1176.45 MHz o 115x10.23MHz. Mientras
que las bandas L3 y L4 son para vincular o enlazar sistemas y no forman
parte del espectro utilizable, L5 no est restringido exclusivamente para
usos civiles puesto que usuarios autorizados pueden obtener ventajas de
lo que ofrece esta banda principalmente utilizada en aviacin. [2]
En la actualidad, prcticamente la totalidad de los filtros de RF y
microondas utilizados en aplicaciones como broadcast de TV, sistemas de
telefona mvil, telefona inalmbrica, Bluetooth, WLAN son filtros pasa banda.
Segn la teora clsica de filtros pueden realizarse con elementos concentrados
(bobinas (L) y condensadores (C)) conectados formando redes con determinadas
topologas.
En la prctica estas redes sufren prdidas debido a los propios elementos
concentrados. Las especificaciones de algunas aplicaciones requieren bajas
prdidas de insercin y alta selectividad del filtro, lo que se traduce en altos
factores de calidad (Q>400). A frecuencias por encima de 2 GHz por el momento
no se puede construir bobinas cercanas a estos valores de Q. Es por esto que
existen tres tipos de filtros comerciales principalmente, que son:
Filtros cermicos.
Las prdidas se mejoran mediante el uso de elementos distribuidos como
striplines o resonadores de cavidad en vez de elementos concentrados. El
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problema pasa entonces a ser el tamao de estos filtros. La longitud de onda a 1
GHz en el aire es de 0.3 m, en materiales con constante dielctrica r la longitud
de onda queda reducida un factor r. La utilizacin de materiales cermicos
permite tener r de hasta 80. De todos modos los filtros cermicos con alta
selectividad ocupan un espacio significativo y normalmente son los componentes
de mayor tamao en las placas de circuito impreso de los telfonos mviles. Otro
inconveniente es que normalmente se requiere de una sintonizacin del filtro para
compensar las tolerancias de las dimensiones. Al estar repartidas las prdidas en
un volumen relativamente grande estos filtros toleran la transmisin de varios volts
de potencia RF.
Filtros SAW (Surface Acoustic Wave)
Los filtros SAW ocupan la mayor parte del mercado de filtros de RF
actualmente. Al ser filtros acsticos, donde la velocidad del sonido en materiales
slidos es 10 000 veces ms pequea que la velocidad de las ondas
electromagnticas, la longitud de onda a una frecuencia de 1 GHz es de unos
pocos m. De forma que pueden realizarse resonadores basados en ondas
estacionarias acsticas de muy pequeo tamao. El acoplamiento entre el dominio
elctrico y el acstico se lleva a cabo con el efecto piezoelctrico que presentan
ciertos cristales. En los filtros SAW las ondas acsticas viajan a travs de la
superficie del sustrato dielctrico en una direccin lateral. Estas ondas de
superficie son conocidas tambin como ondas de Rayleigh, al ser descubiertas por
el fsico ingles en 1885.
Los dispositivos SAW normalmente utilizan uno o ms transductores
interdigitales (IDTs) para convertir la onda acstica en seal elctrica y viceversa
gracias al efecto piezoelctrico como se muestra en la figura. Los IDTs consisten
en dos capas metlicas con forma de peine que se entrelazan (del mismo modo
que una cremallera) y se encuentran sobre un sustrato piezoelctrico. Cuando se
aplica una tensin elctrica al transductor izquierdo se producen campos elctricos
entre los electrodos que forman la estructura de cremallera, entonces se crea un
stress o tensin mecnica en estas separaciones. Por stress se entiende la
distribucin de fuerzas internas por unidad de rea de un cuerpo material que
reacciona a cargas externas aplicadas ste, en el caso del material piezoelctrico
estas cargas se dan en forma de campo elctrico. Los campos elctricos y los
stress se alternan en signo debido a las conexiones alternadas de los electrodos.
Los stress entonces actan como fuentes de ondas acsticas. Si se escoge una
frecuencia adecuada de forma que la longitud de onda sea igual a la separacin
entre dos espacios, las ondas generadas por los espacios subsiguientes estarn
todas en fase y se reforzaran las unas a las otras. Para una tensin elctrica dada,
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un transductor ms grande dar una amplitud de onda mayor. El transductor
receptor ms grande dar una tensin de salida mayor.
Los filtros SAW presentan varios inconvenientes. Un inconveniente es su
limitacin a operar a frecuencias no superiores a los 2.5 GHz. Otro inconveniente
son las limitaciones en cuanto a potencias permitidas a altas frecuencias. Al
transmitir potencias RF de 1W surgen problemas de sobrecalentamiento del filtro y
electromigracin debido a las altas densidades de corriente que soportan algunas
de sus partes. Por este motivo se descartan este tipo de filtros para aplicaciones
que requieren el manejo de altas potencias.
Filtros BAW (Bulk Acoustic Wave)
Los filtros BAW consisten en varios resonadores BAW que se conectan
elctricamente mediante una determinada topologa o pueden acoplarse
acsticamente formando resonadores apilados uno encima de otro. El principal
parmetro de diseo de los resonadores es su tamao que puede ser variado para
conseguir determinadas caractersticas de filtrado.
El principio de los dispositivos BAW es el mismo que el de los cristales de
cuarzo. Se produce una vibracin mecnica en el material piezoelctrico que se
encuentra entre al menos dos electrodos que permiten la conexin elctrica. Al
alternar la tensin elctrica en el electrodo el piezoelctrico entero empieza a
expandirse y contraerse, creando la vibracin mecnica. Esta vibracin se da a
travs del piezoelctrico a diferencia de los dispositivos SAW en los que la
vibracin se da en la superficie. De aqu su nombre de dispositivos de onda a
travs del sustrato (BAW). Los resonadores BAW ms conocidos son los FBAR
por utilizar la tecnologa TFR y se suele utilizar la nomenclatura FBAR y BAW
indistintamente.
Los BAWs que utilizan membranas tienen la ventaja de necesitar muy
pocas capas al fabricarse y permiten conseguir valores muy altos de Q. La parte
negativa del uso de membrana es que al estar sometida a tensiones mecnicas
pueden producirse doblamientos de la estructura, de forma que existen
limitaciones estrictas en el momento de optimizar el resonador. [3]
Como se puede observar, en el mercado se encuentra diferentes filtros
pasabanda para aplicaciones comerciales en la frecuencia de GPS, a continuacin
se muestra en la tabla 1.1 la comparacin de algunos de estos filtros que operan a
la misma frecuencia central. Cabe mencionar que stos estn construidos tambin
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8
con lneas de transmisin.
Tabla 1.1. Tabla comparativa de filtros con frecuencia central 1575.42 MHz.[1]
PARMETROS
JAPAN RADIO CO. JRC SAW FILTER NSVS1058 [4]
YOKETAN CORP. SAW FILTER SM1411F-15754-003-MS-A [5]
SANYO DIELECTRIC FILTER FOR GPS MODEL TDF1575U03 [6]
Frecuencia central 1575.42 MHz 1575.42 MHz 1575.42 MHz
Impedancia de entrada y salida
50 50 50
Prdidas por insercin 1.1 dB 0.8 dB 1.5 dB
Rizo en la banda de paso 0.2 dB 0.1 dB 0.01 dB
VSWR de entrada 1.2 1.3 1.4
VSWR de salida 1.2 1.3 1.4
Atenuacin
Hasta 900 MHz
39 dB 38 dB 48 dB
De 2000 a 3000MHz
31 dB
27 dB
40 dB
Como se puede observar en la tabla el filtro de la empresa Yoketan es el
que menores prdidas presenta, adems es de un tamao reducido ya que esta
realizado en la tecnologa SAW la cual utiliza materiales cermicos con elevada
constante dielctrica pero resultan de mayor costo.
Sin embargo se puede apreciar que el filtro de la compaa
SANYOpresenta una mejor atenuacin o rechazo de seales que estn fuera de la
banda de inters mientras que en la banda de paso se tiene una respuesta muy
plana en comparacin con los otros dos.
El filtro de la compaa Japan Radio presenta caractersticas intermedias,
con un nivel intermedio de prdidas en la banda de paso, sin embargo, es el que
mayor fluctuacin tiene en esta banda mientras que la atenuacin en las bandas
de rechazo es mejor que el de la empresa Yoketan.
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9
1.4 Conceptos bsicos en la teora
de filtros pasa-banda.
Un filtro, en su definicin, es una red con dos pares de terminales,
proyectada de tal modo que dentro de ciertos intervalos de frecuencia, permite el
paso de corrientes o de tensiones o de ambas (idealmente nula) atenuacin,
mientras que, en otros intervalos de frecuencia, quedan sometidas a gran
atenuacin. Los intervalos de frecuencia con poca atenuacin se denominan
bandas de paso y las de gran atenuacin se llaman bandas de atenuacin. La
frecuencia que separa una banda de paso de una banda de atenuacin se
denomina frecuencia de corte.
La mayor parte de los filtros se componen de inductancias y capacidades,
aunque ciertos tipos de filtros pueden contener resistencias junto con capacidades
o inductancias.
Un diseador de circuitos frecuentemente requiere extraer el espectro de
frecuencia deseado de una gran variedad de seales elctricas.
As, los filtros pasa-banda estn especificados por dos frecuencias de corte
que definen o limitan la banda de frecuencia. La relacin entre la potencia
suministrada por la fuente hacia la carga en una red de dos puertos insertada
entre ellas es conocida como prdidas por insercin. Estas prdidasestn
expresadas generalmente en decibeles (dB). La fraccin de la energa
suministrada que se pierde debido a la reflexin de su puerto de entrada es llama
prdida de retorno. La relacin de la energa suministrada a una carga acoplada a
este suministro por una fuente acoplada es denominada atenuacin de dicha red
de dos puertos. [7]
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10
1.5 Lneas de transmisin de
microcintas.
Las lneas de transmisin son componentes esenciales en los modernos
sistemas inalmbricos, siendo usados como conectores de la antena a los
transmisores y receptores, para acoplar impedancias en mezcladores y
amplificadores y como elementos resonantes en osciladores y filtros.
Las lneas coaxiales son comnmente usadas para la operacin de circuitos
a bajas frecuencias. Por otra parte, lneas de cinta y microcinta y odas guiadas son
empleadas para radiofrecuencias y microondas. Generalmente las caractersticas
de la seal de baja frecuencia no son afectadas conforme se propagan a travs de
la lnea. Sin embargo, las seales de radiofrecuencia y microondas son afectadas
significativamente debido a que el tamao del circuito es comparable con la
longitud de onda. Un entendimiento comprensivo de la propagacin de la seal
requiere de un anlisis de campos electromagnticos en una lnea dada. Pero una
formulacin generalizada puede ser obtenida usando los conceptos de circuitos en
las bases de los parmetros de lnea.[7]
La diferencia clave entre el anlisis del circuito estndar y teora de la lnea
de transmisin es el tamao elctrico. El anlisis de circuitos asume que las
dimensiones fsicas de una red son mucho ms pequeas que la longitud de onda
elctrica, mientras que las lneas de transmisin pueden ser una fraccin
considerable de una longitud de onda, o muchas longitudes de onda, en tamao.
De esta manera, una lnea de transmisin es una red de parmetros distribuidos
donde los voltajes y las corrientes pueden variar en magnitud y en fase a lo largo
de la lnea.[1]
El diseador del sistema tiene para escoger muchas diferentes tecnologas
de filtros con un amplio rango de factores de calidad (Qu). El ancho de banda
requerido del filtro y el Qu determinan el resultado de la prdida por insercin del
filtro. La realizacin del factor de calidad es generalmente proporcional al volumen
disponible. De manera que al tiempo que nos vamos acercando a la microcinta,
donde los campos estn confinados a un volumen bastante pequeo, el mximo
Qu que se ha obtenido es alrededor de 150 (algo pequeo). En microcinta, filtros
con un 20% de ancho de banda o ms pueden tener prdidas por insercin
menores a 2dB. Abajo del 10% de ancho de banda, la prdida por insercin crece
rpidamente.[8]
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11
La microcinta es una lnea de transmisin de dos conductores consistente
de una tira o banda sobre un plano de tierra, las cuales estn usualmente
soportadas por una capa de material dielctrico.
En el anlisis de circuitos se asume que las dimensiones fsicas de una red,
son mucho ms pequeas que la longitud de onda elctrica, mientras que en el
anlisis de las lneas de transmisin se pueden considerar fracciones de la
longitud de onda o muchas longitudes de onda.
La lnea de transmisin de microcinta que se muestra en la figura 1.2 est
compuesta de una capa de metal (generalmente oro o cobre) de anchura w y
espesor t, depositada sobre un substrato dielctrico de permitividad relativa r y
ancho h. Bajo el mencionado substrato, se encuentra el plano de tierra de espesor
tgnd.
Figura 1.2 Geometra de una lnea de microcinta.
Como cualquier tipo de lnea de transmisin, las microcintas estn
caracterizadas por la impedancia caracterstica de la lnea. Bajo ciertas
consideraciones, la impedancia caracterstica depender solo de la anchura w de
la lnea. La capacitancia e inductancia intrnseca de la lnea de transmisin, se
obtienen si se conoce la impedancia caracterstica Z0 y la permitividad efectiva reff
de la lnea. La impedancia caracterstica de una lnea de transmisin de microcinta
se puede obtener como sigue:
(
(
))
(1.1)
[
] (1.2)
tgnd
w t
h
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Existen ambos campos (elctrico y magntico) alrededor de la banda
conductora tanto en el aire como en el dielctrico. Esta relacin no homognea del
dielctrico conduce a un comportamiento quasi-TEM y complica grandemente el
anlisis de los componentes de la microcinta. Por quasi-TEM nos referimos a que
siempre hay algunos pequeos pero longitudinalmente finitos componentes de los
campos en una lnea de microcinta. [9]
Para cuestiones del diseo del filtro es necesario considerar que existen
prdidas en la propagacin de la seal. Para una lnea de transmisin, la funcin
de propagacin puede determinarse a partir de la siguiente relacin:
(1.3)
Donde es la funcin de propagacin, Z1 y Z2 son las
impedancias serie paralelo de una lnea de transmisincomo la mostrada en la
figura 1.3.[1]
Figura 1.3. Seccin de una lnea de transmisin
Z1/2 Z1/2
Z2
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CAPTULO II
MTODOS Y ELEMENTOS
EMPLEADOS EN EL DISEO
DE FILTROS
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14
En este captulo veremos el fundamento terico necesario para el diseo
del filtro, las bases de mayor importancia del funcionamiento y utilizacin del
mtodo de momentos (un mtodo empleado para la simulacin), la explicacin de
los parmetros que se usan para medir el comportamiento de una red de dos
puertos (en este caso el filtro) as como las caractersticas generales del simulador
con el que se apoy en el diseo.
2.1 Mtodo de diseo de prdidas
por insercin
La seal de salida de un filtro ideal debe ser la misma que la seal de
entrada en la banda de paso mientras que debe ser cero en la banda de rechazo.
La respuesta de fase de este filtro debe ser lineal para evitar distorsin en la seal.
En realidad, dichos filtros no existen y existe un compromiso necesario en el
diseo de filtros.
El mtodo de prdidas por insercin nos da maneras de moldear bandas de
paso y de rechazo de un filtro aunque la teora sea compleja.
La proporcin energa-prdida de una red de dos puertos est definida
como la razn de la energa que es entregada a la carga cuando est conectada
directamente al generador y la energa entregada cuando la red es insertada
entre la carga y el generador. En otras palabras:
| | (2.1)
La proporcin energa-prdida, , expresada en dB, es generalmente
conocida como la prdida por insercin de la red. Esto puede ser probado dado
que | | debe ser una funcin de para una red fsicamente realizable. Por lo
tanto, polinomios de 2 puede representarlo como sigue: [7]
| |
(2.2)
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15
(2.3)
Donde y
son polinomios reales en .
Alternativamente, la magnitud de la ganancia en voltaje de la red de dos
puertos puede ser encontrada como:
| |
(2.4)
Por consiguiente, si PLR es especificado, entonces es ajustado.
Tradicionalmente, el diseo del filtro comienza con una red pasa bajos de
elementos concentrados que es sintetizada mediante el uso de tablas
normalizadas. Los valores son escalados subsecuentemente a la frecuencia de
corte e impedancia deseados. Tambin, el prototipo pasa bajo puede ser
transformado para obtener un filtro pasa altas, pasa banda o rechaza banda. Estos
filtros de elementos concentrados son usados como un punto de inicio para
disear el filtro de lnea de transmisin. [7]
2.1.1. Mximamente plano
Esta caracterstica es tambin llamada respuesta binomial o Butterworth, y
es ptima en el sentido que provee la respuesta ms planamente posible en la
banda de paso para un filtro de orden dado. Para un filtro pasa bajos (ya que,
como se mencion anteriormente, son la base para el diseo de los dems), la
respuesta mximamente plana est definida como:
(
)
, (2.5)
Donde N es el orden del filtro y c es la frecuencia de corte. La banda de
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16
paso se extiende desde =0 hasta =c; en los lmites de la banda, la proporcin
energa prdida es 1+k2. Si escogemos este como el punto de -3dB, como es
comn en la prctica, entonces tenemos k=1. Para c, la atenuacin se
incrementa monotnicamente con la frecuencia. Para c, (
)
, lo
cual nos muestra que la prdida por insercin incrementa a la razn de 20N dB
por dcada de frecuencia.
Considerando el circuito prototipo de un filtro pasa bajas, derivaremos los
valores de los elementos normalizados, L y C, para una respuesta mximamente
plana. Asumimos una impedancia de la fuente de 1 y una frecuencia de corte de
c=1. Entonces la razn de prdidas de energa ser, para N=2,
PLR=1+4 (2.6)
La impedancia de entrada de este filtro es:
y como el
coeficiente de reflexin de entrada es
, la razn de prdidas de energa
puede escribirse como:
| |
[ ][( ) (
)]
| |
(2.7)
Ahora
(2.8)
| | (
) (
), (2.9)
esto se convierte en:
[(
)
(
)
]
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17
[ ] (2.10)
Ntese que esta expresin es un polinomio en 2, como debera de ser, de
acuerdo a lo citado anteriormente. Comparando con la respuesta deseada se
observa que R=1, ya que PLR=1 para =0. En adicin, el coeficiente de 2 debe
desaparecer, entonces
C2+L2-2LC=(C-L)2=0 o bien, L=C. Entonces, para que el coeficiente de 4
sea igual a la unidad, debemos tener
, o bien . (2.11)
En principio, este procedimiento puede ser extendido para encontrar los
valores de los elementos para los filtros con un nmero arbitrario de elementos, N,
pero claramente, esto no es prctico para N muy grande. Sin emabrgo, para el
diseo de un filtro pasa bajas normalizado, los valores de los elementos para los
circuitos de tipo escalera como los mostrados en la figura 2.1pueden ser
tabulados. La tabla 2.1muestra dichos valores de los elementos para los prototipos
de los filtros pasa bajas con respuesta mximamente plana para N=1 a 10. Los
valores de los elementos estn numerados desde g0 en la impedancia del
generador, hasta gN+1, en la impedancia de la carga, para un filtro que tiene N
elementos activos. Los elementos se alternan entre conexiones en serie y
paralelo, y as gk tiene la siguiente definicin:
g0=resistencia del generador (red de la figura 2.1a) o conductancia del
generador (red de la figura 2.1b).
gk(de k=1 a N)=inductancia para inductores en serie o capacitancia para
capacitores en paralelo.
gN+1= resistencia de la carga si gN es un capacitoren paralelo o
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18
conductancia de la carga si gN es un inductor en serie.
Los circuitos de la figura 2.1 pueden ser considerados como complementos
duales uno de otro y ambos proporcionan la misma respuesta.
Finalmente, como asunto del procedimiento del diseo prctico, ser
necesario determinar el tamao, u orden, del filtro. Esto es dictado usualmente por
una especificacin en la prdida por insercin a alguna frecuencia sin la banda de
rechazo del filtro. Si es requerido un filtro con N 10, puede obtenerse un buen
resultado mediante la conexin en cascada de dos diseos de orden menor para
evitar en lo posible la atenuacin carcterstica.[1]
Figura 2.1Circuitos en escalera para filtros pasa bajas y las definiciones de sus
elementos. (a) Prototipo comenzando con un elemento en paralelo. (b) Prototipo
comenzando con un elemento en serie.
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N g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11
1 2.0000 1.0000 2 1.4142 1.4142 1.0000 3 1.0000 2.0000 1.0000 1.0000 4 0.7654 1.8478 1.8478 0.7654 1.0000 5 0.6180 1.6180 2.0000 1.6180 0.6180 1.0000 6 0.5716 1.4142 1.9318 1.9318 1.4142 0.5716 1.0000 7 0.4450 1.2470 1.8019 2.0000 1.8019 1.2470 0.4450 1.0000 8 0.3902 1.1111 1.6629 1.9615 1.9615 1.6629 1.1111 0.3902 1.0000 9 0.3473 1.0000 1.5321 1.8794 2.0000 1.8794 1.5321 1.0000 0.3473 1.0000 10 0.3129 0.9080 1.4142 1.7820 1.9754 1.9754 1.7820 1.4142 0.9080 0.3129 1.0000
Tabla 2.1 Valores de los elementos para los filtros pasa bajas con respuesta
mximamente plana.
Ahora es necesario el proceso de convertir el filtro pasa bajas
normalizado a un circuito teniendo prescritos un nivel de impedancia, una
frecuencia de corte y una respuesta en frecuencia.
A manera de resumen, el escalamiento en impedancia se hace
multiplicando los elementos originales del prototipo (dividiendo en el caso del
capacitor) por la resistencia de la fuente. El escalamiento en frecuencia se hace
reemplazando la frecuencia original por /c en las ecuaciones de las reactancias
en serie y las capacitancias en paralelo.
Posteriormente, se tiene que hacer una transformacin del filtro pasa bajas
a un filtro pasa altas, rechaza banda o pasa banda, (este ltimo es el de inters
para este trabajo). Esto se logra cuando, si 1 y 2 denotan las frecuencias de los
lmites de la banda de paso, se sustituye la frecuencia original por:
(
)
(
), donde
es el ancho de banda
fraccional de la banda de paso. La frecuencia central, 0, puede ser elegida como
el significado aritmtico de 1 y 2, pero las ecuaciones son ms simples si es
elegida como su significado geomtrico . [1]
Por ltimo, es necesario transformar los valores de los elementos del filtro
en lneas de transmisin mediante diversas tcnicas y clculos.
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2.1.2 Rizado igual.
Si el polinomio Chebyshev es usado para especificar la prdida por
insercin de un filtro pasa bajas de N orden como:
(
) (2.12)
Donde TN(x) es un polinomio de Chebyshev de orden N, entonces resultar una
caracterstica de ntido corte, a lo largo de la banda de paso tendremos rizos de
amplitud 1+k2, dado que TN(x) oscila entre 1 para | | , por tanto k2 determina
el nivel de rizo de la banda de paso. Para c la prdida por insercin se vuelve
asinttica a:
(
)
, (2.13)
La cual tambin se incrementa a la razn de 20N dB/dcada. Pero la prdida por
insercin para el caso Chebyshev es /4 ms grande que la respuesta
binomial, para cualquier frecuencia dada donde c.[1]
2.1.3 Fase lineal.
Los filtros anteriores especifican la respuesta en amplitud, pero en algunas
aplicaciones (tales como multiplexacin en frecuencia de filtros-sistemas de
comunicaciones) es importante tener una respuesta lineal de fase en la banda de
paso pata evitar distorsion en la seal. Resulta que un abrupto corte en frecuencia
es generalmente incompatible con una buena respuesta en fase, as que la
respuesta en fase del filtro debe ser deliberadamente sintetizada, usualmente
resultando en una amplitud de corte inferior a la caracteristica.
Se puede alcanzar una caracterstica fase lineal con la siguiente respuesta en
fase:
-
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[ (
)
], (2.14)
Donde es la fase de la funcin del voltaje transferido del filtro y p es una
constante. Una cantidad relacionada es el retraso de grupo, definido como:
[ (
)
], (2.15)
Lo que muestra que el retraso de grupo para un filtro de fase lineal es una funcin
mximamente plana.
Las especificaciones ms generales de un filtro pueden ser obtenidas pero
los casos arriba mostrados son los as comunes.[1]
2.2 Mtodo de momentos (Mtodo
de simulacin)
El mtodo de momentos un simulador electromagntico aplicado a las
tecnologas planares multicapa: microstrip, striplines, coplanar, etc. Se basa en
uno de los mltiples algoritmos numricos que existen para aproximar la solucin
de las Ecuaciones de Maxwell: el Mtodo de los Momentos (MoM).
Todos los simuladores electromagnticos tienen una misma idea bsica que
es subdividir la estructura planar por la que se propaga la seal (bsicamente
pistas o strips, vas y slots o ranuras) en celdas elementales, pequeas en
tamao respecto a la longitud de onda (/10, /20), donde podremos aplicar
aproximaciones de las ecuaciones integro-diferenciales por un sumatorio de
productos con coeficientes y funciones bsicas.
Las metalizaciones (pistas y vas) y las ranuras (slots) se descomponen en
celdas bsicas en base a un mallado que tendr, como es de suponer, una
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22
importancia fundamental sobre la exactitud y velocidad de las simulaciones. El
modo de Microondas utiliza celdas de tipo rectangular y triangular exclusivamente,
mientras que el modo RF combina estas celdas en otras poligonales de forma que
se reduce el tempo de clculo y la memoria necesarias.
El algoritmo de mallado es muy flexible y permite configurar todo bajo
nuestro criterio (nmero de celdas por longitud de onda, mallado del borde...),
aunque lo habitual es usar el que por defecto adjudica ADS a la geometra
presente.
Primero se debe dibujar al layout del diseo, es decir, el esquema que se
tiene del filtro. Posteriormente se deben ingresar los datos del material conductor;
el coeficiente de conductividad, espesor del material, etc. Para poder realizar la
simulacin se necesita fijar la frecuencia a la que se va a requerir hacer el anlisis
y el nmero de muestras (entre mayor sea, el programa dividir en un mayor
nmero de celdas al material conductor y el procesamiento ser ms complejo) y
hacer un pre cmputo para despus simular.
El mtodo de momentos es una herramienta muy til que nos aporta un
mejor anlisis puesto que toma en cuenta aspectos reales del material conductor y
nos puede dar una mejor visualizacin de las prdidas que sufre la seal al viajar
sobre el conductor.
2.3 Parmetros de dispersin o
parmetros S (Scattering)
El anlisis de redes se pude llevar a cabo mediante variados mtodos.
Algunos resultan ms fciles o prcticos. Sin embargo, en altas frecuencias el uso
de la matriz de parmetros S resulta ser el sistema de caracterizacin ms usado
y efectivo. Es un mtodo prctico, ya que no requiere de cortos, abiertos o cargas
en los puertos de entrada o salida a fin de resolver la matriz de los parmetros de
dispersin. Adems es posible de comprobar los resultados mediante otros
mtodos compatibles si as se requiere, como la matriz de parmetros H, Y, Z, etc.
Los parmetros S nos sealan la forma en cmo se comportan las microondas en
las lneas de transmisin. En los circuitos de microondas esto es muy importante,
ya que mediante los parmetros S se puede conocer cmo se comporta la
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23
magnitud y la fase de la onda entrante a un dispositivo. Dicha onda se dispersa
por el circuito y su energa se reparte en todas las otras lneas de transmisin
conectadas al circuito.
Una de las propiedades ms importantes de los parmetros de dispersin
en un circuito lineal, es que pueden describir la manera en cmo se acopla la
energa entre cada par de puertos o lneas de transmisin conectadas al circuito.
Con el apoyo del analizador de redes vectorial Anritsu MS4624B, equipo
con el que se cuenta en la maestra en ingeniera en telecomunicaciones, la
obtencin de los parmetros S se hace de manera directa y rpida, con rango
dinmico y resolucin inigualable. Autorizando el anlisis en frecuencia desde 10
MHz a 9 GHz y cubriendo adecuadamente la banda de frecuencias que nos
interesa explorar en este proyecto. Es importante mencionar que este equipo nos
ayuda a analizar dispositivos de 2 puertos, por lo que la matriz resultante contiene
4 parmetros.
Un filtro puede ser representado como una red de dos puertoscomo se
representa en la figura 2.2.
Figura 2.2 Red de dos puertos
Para calcular los elementos de la primera columna de la matriz de
parmetros S ser necesario cargar el segundo de los accesos con su impedancia
caracterstica. [10]
El parmetro de reflexin a la entrada (S11), conocido tambin como
coeficiente de reflexin directo, nos indica cmo se comporta la energa en el
puerto de entrada. En base a ste es posible conocer la cantidad de energa que
se refleja hacia la fuente cuando existe una transmisin a dicho puerto. Para tener
una idea ms clara de este concepto, hemos de definir unas variables que nos
ayudarn a explicar este concepto. De esta manera es posible establecer las
siguientes expresiones:
-
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24
(2.16)
Este parmetro indica la relacin de la energa reflejada respecto a la
energa incidente en el puerto de entrada cuando la energa del puerto de salida
a2 es nula. Se busca que esta relacin sea lo ms pequea posible, indicando que
la energa reflejada hacia la fuente sea mnima.
El parmetro de reflexin a la salida (S22), o coeficiente de reflexin inverso,
indica el mismo comportamiento que el parmetros S11 pero visto ahora desde el
puerto de salida. Entonces podemos establecer la expresin para el parmetro S22
como:
(2.17)
El parmetro, coeficiente de transmisin directo (S21), uno de los
parmetros ms importantes a medir para los fines de este trabajo, pues indica la
ganancia que se ha de tener en el dispositivo. Este parmetro podemos definirlo
como:
(2.18)
El parmetro coeficiente de transmisin inverso, (S12) indica la cantidad de
energa que se refleja del puerto de salida al puerto de entrada. A este parmetro
suele llamrsele tambin aislamiento. Se puede definir de la siguiente forma: [10]
(2.19)
2.4 Programa de simulacin (ADS)
El Sistema de Diseo Avanzado es el primer software de automatizacin de
diseo electrnico de radiofrecuencia, microondas, y de aplicaciones digitales de
alta velocidad. ADS pioneros de la innovacin y las tecnologas ms exitosas
comercialmente, tales como los parmetros X y simuladores 3D EM, utilizado por
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25
empresas lderes en la comunicacin inalmbrica y de redes, de defensa y
aeroespacial. Para WiMAX , LTE, radar, y aplicaciones de los satlites, ADS
ofrece, un diseo completo basado en estndares y verificacin mediante una
biblioteca inalmbrica completay circuitos y sistemas EM en una plataforma
integrada.
Los beneficios clave de la ADS
Set completo e integrado de rpido, preciso y fcil sistema de uso,
circuitos y simuladores EM (electromagnticos) capaces de facilitar
el xito del primer paso del diseo en un flujo de escritorio
completo.
Las aplicaciones especificas de Design Guides (diseos gua o
predeterminados) encapsulan aos de experiencia en una interfaz
fcil de usar.
Caractersticas principales
Captura esquemtica y un ambiente de diseo
Innovadores y lderes en la industria en sistemas de simuladores de
circuitos
Acceso directo y natural al plano 3D y analizadores 3D de campos
EM.
Bibliotecas inalmbricas actualizadas diariamente que permiten el
diseo y verificacin de los ltimos estndares.
ADS de Agilent ofrece a los diseadores combinaciones pre-configuradas
de software dirigido a un trabajo de diseo especfico. Estas combinaciones
pueden proporcionar simulaciones, sistemas y circuitos electromagnticos (EM),
para hasta tres diferentes tecnologas; el Sistema de Comunicacin Gas MMIC,
RFIC, RF System-in-Package (SiP) y RF.
Los paquetes ADS estn formados por el entorno ADS W2200 Core, que
conforma una poderosa herramienta de diseo para RF y microondas, adems de
aadir por separado "Elementos de diseo"; cada uno de los cuales ofreciendo un
diseo especfico y la capacidad de simulacin.
http://www.home.agilent.com/agilent/redirector.jspx?action=ref&lc=eng&cc=US&nfr=-34346.0&ckey=1385381&cname=PRODUCThttp://www.home.agilent.com/agilent/redirector.jspx?action=ref&lc=eng&cc=US&nfr=-34346.0&ckey=1375582&cname=AGILENT_COLLECTIONhttp://www.home.agilent.com/agilent/redirector.jspx?action=ref&lc=eng&cc=US&nfr=-34346.0&ckey=1375582&cname=AGILENT_COLLECTIONhttp://www.home.agilent.com/agilent/redirector.jspx?action=ref&lc=eng&cc=US&nfr=-34346.0&ckey=1486730&cname=PRODUCThttp://www.home.agilent.com/agilent/redirector.jspx?action=ref&lc=eng&cc=US&nfr=-34346.0&ckey=1486730&cname=PRODUCThttp://www.home.agilent.com/agilent/redirector.jspx?action=ref&lc=eng&cc=US&nfr=-34346.0&ckey=1375569&cname=AGILENT_COLLECTION
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Los Elementos de diseo estn conformados por uno o ms mdulos
separados, que se suman al diseo teniendo funciones adicionales de
desarrollo.[11]
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CAPTULO III
CONSTRUCCIN
Y
OPTIMIZACIN
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En este captulo se trata el procedimiento que se sigui para el diseo as
como una breve explicacin de los pasos seguidos para la construccin que se
explica mejor en el apndice A. Tambin se presentan las caractersticas
principales de los materiales y el equipo de medicin empleado.
3.1 Procedimiento de diseo
Un software de diseo si se deja correr libremente sin establecer ciertos
lmites o condiciones de diseo puede arrojar resultados deseados pero
posiblemente el dispositivo simulado no sea realizable fsicamente porque las
dimensiones del ancho y/o largo resultante se salgan de los parmetros que un
laboratorio convencional pueda efectuar.
Lo primordial en el diseo asistido por computadora es conocer la teora
existente alrededor del diseo del dispositivo a implementar, realizar el estado del
arte del dispositivo, familiarizarse con el entorno del software, comprender sus
funciones principales y los diferentes mtodos que tiene para el diseo y delimitar
las variables de diseo en rangos fsicos realizables en laboratorio, construir y
caracterizar el dispositivo. Si despus de esto hay desviaciones respecto al
diseo, se buscar entonces sintonizar el diseo o encontrar las causas que
provocan la desviacin para despus incluirlas en el rediseo
Para cualquier mtodo usado, se deben especificar primero las
caractersticas del material que se va a emplear; el grosor del substrato, constante
relativa dielctrica, tangente de prdidas, conductividad y grosor del conductor
entre las principales.
Esto se puede comprender mejor mediante la figura 3.1 que muestra el
diagrama de flujo que indica los pasos generales a seguir independientemente del
mtodo a utilizar.
Uno de los primeros mtodos empleados es mediante el uso de los filtros
disponibles en smartcomponents con elementos discretos. En este mtodo se
introducen las caractersticas del filtro deseado (frecuencias de corte a los
decibeles deseados) y el software realiza el clculo de las capacitancias e
inductancias tal como se mencion en el apartado del mtodo de prdidas por
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insercin.
Posteriormente se muestra en la pantalla el circuito con componentes
concentrados (tal como la figura 2.1) y se prosigue a transformarlos a lneas de
transmisin, obteniendo el ancho y largo de cada lnea en funcin de las
propiedades del dielctrico utilizado.
Durante estos procesos se simula para observar las caractersticas
obtenidas y nos permite modificar a nuestro criterio cualquier valor, observando
que ocurre con los parmetros S en tal caso.
Figura 3.1 Diagrama de flujo para el diseo del filtro
Una vez obtenidos los parmetros de las lneas se prosigue a la
optimizacin puesto que puede haber lneas muy angostas o bien muy largas que
Optimizar diseo
Generar layout e
imprimir negativo
INICIO
Especificar el material
elegido para eldiseo
Especificar las caractersticas del filtro
Elegir la tcnica de diseo a implementar
Introducir los datos del sustrato y caractersticas del
filtro
Simular en el rango de frecuencias deseado
Es
realizable?
Cumple las caractersticas
deseadas?
Modificar
datos del
filtro
SI
N
O
N
O
SI
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no son realizables ya que la construccin se vuelve demasiado compleja o en
algunos casos, imposible de realizar (esto debido a que las dimensiones pueden
resultar o muy grandes o muy pequeas).
Aqu es importante establecer tolerancias mximas y mnimas de
optimizacin.
El inconveniente de este procedimiento es que generalmente resultan
lneas muy largas o se obtienen muchos elementos ya que el filtro tiene un ancho
de banda angosto, por lo que el factor de calidad Q es muy alto y requiere de
mayores etapas.
Para paliar en parte este inconveniente se buscan otras topologas de
filtros, esto se puede efectuar de manera prctica utilizando smartcomponents
directamente mediante lneas de transmisin de tipo; lneas paralelas acopladas,
zigzag, horquilla y harping entre otras. Estos mdulos se encuentran en el
apartado de PassiveCircuit DG Filters en la pantalla principal del ADS tal como se
muestra en la figura 3.2. Los tipos de filtros usados se muestran en la figura 3.3
tanto en mdulo como en su esquemtico general.
Figura 3.2. Pantalla principal del ADS que muestra la ubicacin de los
smartcomponents.
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Figura 3.3 Esquemticos de diferentes topologas de filtros con su respectivo mdulo de
smartcomponent; a) lneas paralelas acopladas, b) zigzag y c) harpng
Estos smartcomponents nos permiten establecer las caractersticas del filtro
como son ancho de banda, rizo, atenuacin y selectividad pero solo es permitido
en un rango de frecuencias limitado, el cual es establecido en las especificaciones
de cada smartcomponent. Se simula el circuito obtenido y dentro de este
componente existe la opcin de optimizar hasta conseguir el ancho de banda y la
mnima atenuacin posible en la banda de paso, buscando tambin que el
coeficiente de acoplamiento de entrada y salida sea reducido.
Un procedimiento de verificacin de resultados que se emplea antes de
proceder a la fabricacin del dispositivo, consiste en la simulacin del mtodo de
momentos (explicado brevemente en el captulo 2.2).
Este mtodo permite en un nmero reducido de puntos frecuenciales
extraer las caractersticas de transmisin y acoplamiento como lo hace el mtodo
analtico pero adems extrae otros fenmenos que se dan en las lneas de
transmisin como son el acoplamiento mutuo, efectos de frontera, radiacin
electromagntica y dispersin en las discontinuidades de las lneas. Aportando
una herramienta de comprobacin ms de diseo que refuerza los resultados por
mtodos diferentes.
Las lneas de transmisin resultantes de la simulacin y optimizacin
analtica mediante smartcomponents se pueden dibujar en un ambiente grfico
(layout) asignando las dimensiones fsicas y las caractersticas del material
dielctrico. Una vez teniendo un modelo del tamao y distribucin de las lneas,
estas se pueden modificar directamente en el bosquejo (layout) que el programa
proporciona el cual sirve para imprimir y hacer la construccin.
a) b) c)
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Tambin se pueden agregar lneas de transmisin en configuraciones poco
convencionales o inexistentes en el ambiente analtico clsico y obtener sus
caractersticas en altas frecuencias. La principal desventaja que tiene este mtodo
de momentos es que resulta poco prctico al momento de realizar optimizaciones
del diseo, ya que todo cambio se debe realizar de manera intuitiva.
Para obtener las caractersticas deseadas es necesario en la mayora de
los casos realizar optimizaciones mediante el mdulo que el software ADS
contiene llamado OPTIM que se encuentra en el pestaa Optim/Stat//Yield/DOE
en la ventana principal como se muestra en la figura 5.
Este mdulo nos permite realizar mejoras en el comportamiento del filtro por
medio de metas (mdulos GOAL) en donde se especifica la expresin que
nosotros queremos mejorar, como por ejemplo el parmetro S21 (tal como se
puede ver en la figura 6), el valor mximo y mnimo que se espera tener de dicho
parmetro, es decir, al cual debemos ajustar, as como el peso o prioridad que se
la asigna a dicha meta (ya que pueden haber muchas de ellas para una sola
optimizacin), pudiendo jerarquizar para darle ms importancia a una o a otra.
Tambin se especifica el rango la variable en el que se espera la mejora,
como la frecuencia como en el ejemplo y los valores mnimo y mximo de dicho
rango.
Cabe mencionar que existen varios mtodos utilizados por el ADS para el
proceso de optimizacin, entre ellos estn el aleatorio, gradiente, hibrido,
sensitivo, minimax, cuasi-Newton, entre otros. Todos ellos se pueden elegir desde
el mdulo OPTIM y se debe observar cul es el que arroja los mejores resultados
dependiendo del diseo para elegir el adecuado.
Figura 3.4. Mdulos utilizados para la optimizacin.
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Se realiza el primer diseo con el material RF-60 del cual se presentan sus
caractersticas en este mismo capitulo, utilizando un filtro pasa banda en zigzag y
se obtienen las lneas del ancho y largo como lo muestra la siguiente figura.
Figura 3.5. Diseo del filtro pasa banda en zigzag.
Se simula para verificar su comportamiento en frecuencia y atenuacin y si
es necesario se optimiza con los mdulos antes mencionados para despus pasar
a la impresin del layout y a la respectiva construccin.
Se disea otro filtro, pero ahora se cambia la topologa con el objetivo de
obtener un filtro de menor tamao (de ser posible). El diseo fue hecho con el tipo
harping y se sigui el mismo procedimiento que para el filtro anterior. El esquema
resultante se muestra en la figura siguiente.
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Figura 3.6. Diseo del filtro pasa banda tipo Harping.
Como se puede observar en la figura, se utilizaron tapers con el fin de
reducir las prdidas en la transmisin adems de que el uso de estas alternativas
permite una instalacin del filtro construido en la base de mediciones del
analizador de redes vectorial ms rpida y exacta. Despus se pasa a la etapa de
optimizacin si es necesario y a la construccin.
Con el fin de obtener un diseo que tuviera las lneas mas cortas y
delgadas para lograr menos prdidas en la transmisin de la seal se opta por
realizar un nuevo diseo, ahora con el material TMM10i y con otra topologa de
filtro; el filtro pasa banda de lneas paralelas acopladas. El diseo de este filtro
resulto mas pequeo, lo q implica menos material y menores prdidas como se
requiere.
A continuacin se muestra el esquema del diseo de lneas paralelas
acopladas.
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Figura 3.7. Diseo del filtro pasa banda de lneas paralelas acopladas.
De igual manera que los diseos anteriores se pasa a la etapa de
optimizacin si es necesario y despus a su construccin.
3.2 Proceso de construccin y/o
montaje
El proceso de construccin del diseo en la placa con el sustrato
seleccionado se lleva a cabo con ayuda de una pelcula seca foto resistente para
obtener un grabado de las pistas exacto en la placa y el sometimiento del diseo
bajo la luz ultravioleta.
El disea el impreso como la mayora de los mtodos de diseo de circuitos
y se imprime en hojas de acetato. La pelcula seca foto resistente es pegada en la
placa con ayuda de una pistola de aire caliente y despus se coloca el diseo en
acetato encima de la placa con la pelcula para colocarla bajo la luz ultravioleta
por un determinado tiempo.
Despus que se graba el diseo en la placa y se somete a qumicos para
eliminar el cobre sobrante y lograr que en la placa solo queden las pistas del
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diseo (consultar Apndice A para obtener ms detalles).
Para realizar la medicin se debe montar el filtro en la en la base Anritsu
3680-20 y conectar los dos puertos al analizador de redes vectorial.
3.3 Equipo de medicin
Para el proceso de medicin ya que el filtro quedo construido se utiliza un
analizador de redes vectorial para la efectuar la medicin de los parmetros S y
analizar los resultados obtenidos.
3.3.1Anritsu MS4624B.
El analizador de redes vectorial Anritsu MS4624B es un instrumento que
mide las caractersticas de transmisin y reflexin complejas de dispositivos de
dos puertos en el dominio de la frecuencia. Esto se hace por muestreo de la seal
incidente, la separacin de las ondas transmitida y reflejada, realiza proporciones
que estn directamente relacionados con los coeficientes de reflexin y
transmisin de los dos puertos. Frecuencia se barri para obtener rpidamente
informacin de amplitud y fase sobre una banda de frecuencias de inters.
Anritsu MS4624B utilizarn fuentes de frecuencia sintetizado para
proporcionar un estmulo de prueba conocida que puede barrer toda una gama de
frecuencias o niveles de potencia. Estos analizadores tambin pueden realizar
clculos de medidas (incluyendo fase), que requieren varios receptores. El
AnritsuMS4624B puede proporcionar una gran cantidad de conocimiento acerca
de un dispositivo bajo prueba (DUT), incluyendo su magnitud, fase y la respuesta
de retardo de grupo.
Caractersticas.
Ver el verdadero rendimiento de todos sus componentes pasivos y
activos, incluidos: las antenas, aisladores, filtros, duplexores,
acopladores, filtros SAW, amplificadores, mezcladores y
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componentes multi-puertos.
Con una nica conexin realiza la medicin de parmetros S,
armnicos en el dominio del tiempo, la compresin, la distorsin de
intermodulacin (IMD), figura de ruido (NF) y la frecuencia de retardo
de grupo para la caracterizacin de dispositivos, exacta y compleja.
[12]
Figura 3.8 Analizador MS4624B
3.3.2 Anritsu 368020
Esta unidad es una solucin precisa y repetible para medir dispositivos de
sustrato de microcinta. En el dispositivo de sustrato se realizan conexiones de
entrada y salidas por dos mandbulas accionadas que incluyen lanzadores coaxial
microcinta.
Las mandbulas acomodan sustratos de 0.13 a 1.9 mm de espesor.
Ninguna seccin del centro se requiere. Una mandbula es movible en dos
dimensiones para albergar sustratos hasta 50 mm de largo y sustratos con
desvos de la lnea de hasta 12,7 mm.
Caractersticas:
DC a la cobertura de 60 GHz
Capacidad de medicin de microcintas.
Admite dispositivos de prueba de ngulo recto y desplazamiento.
Kits de calibracin/verificacin (opcionales).
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Capacidad de medicin de sustrato. [13]
Figura 3.9 Anritsu 3680-20.
3.4 Propiedades de materiales.
Para el diseo y construccin de este filtro se utilizaron varios tipos de
materiales con el objetivo de encontrar la placa que nos diera las menores
prdidas posibles y nos diera la banda de frecuencias en el rango que deseado (la
banda L1- 1555.42 MHz a 1595.42 MHz).
3.4.1 RF- 60
RF-60 es un laminado orgnico de cermica de la familia ORCER de
productos de Taconic basado en el tejido de vidrio reforzado.
RF-60 presenta una resistencia excepcional a la unin interlaminar y
resistencia a la soldadura.RF-60 de composicin propia brinda resultados en la
baja absorcin de la humedad y propiedades elctricas uniformes
http://api.viglink.com/api/click?format=go&key=e70be9e3ac20ed563ee73c2b18b4173f&loc=http://www.exclustry.com/view.php?id=243&t=Anritsu-Universal-Test-Fixtures-Model-3680-20&v=1&libid=1321486514572&out=http://shop.ebay.com/anritsu 3680-20&ref=http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=a