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Medidas Electrónicas II – Trabajo Práctico Anual 2013

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

Departamento de Electrónica

Materia: Medidas Electrónicas II

Trabajo Práctico Anual

Docente: Ing. Alejandro Henze

Grupo:

Alumnos :

Apellido y Nombre Legajo

1 Serrapio Lascano, Diego Ivan 137765-6

Realización de T.P.: 01 / 10 / 13 Firma

Primer entrega / / 13

Aprobación / / 13


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Tabla de contenidos

1. Objetivos…………………………..…………………………………………………………….……………………………...3

2. Introducción………………………..…………………………………………………………………………………………...3

3. Desarrollo del trabajo …….……………………………………………………….………………………………………….4 3.1. Observaciones .…….…………………………………………………..……….....………….……………………...….4

3.2. Descripción……..…….…………………………..………………….………....…………………………..…………….4 3.3. Principio de funcionamiento….…………………………………….…………......…………………………………….5 3.4. Diseño del filtro……………………………..…….......…….…….……………….....………….……………………….6

3.5. Simulaciones………………………….......………...…………..………………………………………………..……..13

3.6. Ejecución del diseño……………………..………….….…………………………………………….……….………..17 3.7. Mediciones………………………….…..…….……….………………………………………………………...……..24

4. Resultados………………………………....………....……………………………………………..…………………..….27

5. Discuciones……………………………....………....……………………………………………..…...….…………..…...27

6. Conclusiones……………………………………………………………………………………………..………………....28

7. Referencias………………………………………………………………………………………………….……………....28


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Desarrollo de filtro pasabanda centrado en 2Ghz con tecnología microstrip

Serrapio Lascano Diego Ivan Docente a cargo: Alejandro Henze

Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires Medidas Electrónicas 2

1. Objetivos

Aplicación práctica de los conocimientos adquiridos en materias mediante el diseño y fabricación de dispositivos

o sistemas utilizando filtros de RF. Integración con los conocimientos adquiridos en otras materias. Trabajo de equipo asistiendo a los procesos de fabricación en los laboratorios y sala limpia del INTI. Caracterización del dispositivo diseñado y fabricado utilizando el instrumental estudiado en la materia.

2. Introducción

El proyecto que estamos realizando es un filtro de tipo pasabanda centrado en 2GHz con un ancho de banda de 50MHz hecho en microstrip. Se colocaran en sus terminales fichas de tipo SMA y se realizara un ensayo sobre el mismo utilizando instrumental acorde para las mediciones necesarias de caracterización. El proyecto involucra toda la teoría vista tanto en Teoría de Circuitos II (4to Año) como en Medidas Electrónicas II (5to Año) y como en Tecnología Electrónica (5to Año). Teoría de Circuitos II nos facilitó los conocimientos de base para entender el funcionamiento de filtros, como se calculan, como funcionan, que topologías existen y como caracterizarlos a través de sus parámetros. Medidas Electrónicas, por su parte, la teoría y práctica para la compresión de funcionamiento del instrumental electrónico orientado a mediciones en alta frecuencia y adquirir la habilidad en el manejo de dichos instrumentos así como a interpretar especificaciones de diversos instrumentos de medición y finalmente a aplicar los conocimientos adquiridos en otras materias para resolver diversos tipos de problemas en mediciones de alta frecuencia. Tecnología Electrónica, provee todos los conocimientos teóricos, prácticos y de seguridad para llevar a cabo el desarrollo de este tipo de dispositivos más allá del método tradicional de fabricación de PCB que utilizamos hasta esta etapa de nuestros estudios.


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3. Desarrollo del trabajo

3.1. Observaciones

Se observa que la industria de las comunicaciones se encamina hacia las frecuencias de microondas, debido principalmente por el ancho de banda que se puede utilizar, ya que las bajas frecuencias están saturadas. Esto se ve reflejado en los servicios que se encuentran disponibles, tales como telefonía celular, localizadores satelitales, difusión de televisión no gratuita entre otras tecnologías. Pese a esto, en Argentina no se ha dado un gran desarrollo en la investigación y construcción de dispositivos para tales frecuencias debido a que no se cuentan con muchos especialistas en esta área y la infraestructura requerida es muy cara y cuando se necesitan se deben adquirir a otros países como Estados Unidos e Inglaterra. Para construir los equipos utilizados en los servicios de microondas tales como celulares, localizadores, etc., se deben utilizar ciertos dispositivos que conectados entre sí determinan su funcionamiento y capacidades. Entre estos dispositivos se encuentran los filtros, amplificadores, acopladores, osciladores, resonadores, antenas, etc. En particular un filtro es un dispositivo que permite el paso de cierto intervalo de frecuencias para el cual fue diseñado, y es el que limita el intervalo de frecuencias donde puede funcionar, es decir, determina su selectividad. Actualmente los filtros van orientados a las comunicaciones satelitales y móviles para un intervalo de frecuencias de 1.4 GHz a 74 GHz y anchos de banda desde .5% al 100%. Entre las compañías que desarrollan estos filtros se encuentran:

BSC. Q Microwave. RME Filtres. Rolf Heine. Microwave Circuits.

El desarrollo tan importante que se ha tenido en estas áreas, no sería posible si no se contara con simuladores que permitan probar el circuito sin necesidad de fabricarlo, además, día con día se dan avances significativos en la mejora de los programas de microondas, que hacen posible modelar la interacción entre los circuitos y los recintos que los contienen (simulador electromagnético). Haciendo una investigación en internet se encontró que algunas de las compañías más importantes que se dedican al desarrollo de programas de microondas son:

Agilent Technologies. Applied Wave Research. Elans. Ansoft. Sonnet. Zeland. Eagleware.

En el presente trabajo se mostrará la forma en que se diseñan y construyen filtros de microondas en el intervalo de los GHz, el cual será fabricado con materiales provistos por la catedra empleando el software de Agilent.

3.2. Descripción

El proceso de diseño comenzó con el estudio de la fabricación de filtros con microstrip. Una vez interpretado el mismo, se seleccionó la topología de filtro a utilizar y mediante el software Ansoft se realizó el diseño del microstrip citado. Una vez completado, se efectuaron correcciones y ajustes sobre el mismo además de realizar diferentes análisis gráficos sobre él. Primeramente, se realizó un filtro de tipo microstrip sobre el sustrato propuesto en la catedra de Tecnología electrónica, luego el mismo sobre sustrato FR4 y, finalmente, un modelo en sustrato Rogers. Como todos estos daban resultados no satisfactorios, se migro a una topología de líneas acopladas, realizando dos diseños, uno en sustrato FR4 y otro en Rogers. En las secciones anteriores se citó que la teoría de filtros se basa en la materia teoría de circuitos II de donde sabemos que en los diseños de filtros para altas frecuencias es difícil encontrar inductores y capacitores con tales valores porque son muy pequeños. Una alternativa para su realización es por medio de líneas de transmisión, ya que con ellas se


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pueden conseguir capacitancias e inductancias según la disposición de la línea de transmisión y la impedancia característica que presenten. Existen distintas líneas de transmisión, entre las que se pueden mencionar:

Microcinta (Microstrip). Microcinta blindada (Blinded Microstrip). Línea montada. Sustrato suspendido. Cable coaxial.

3.3. Principio de funcionamiento

Un microstrip es una línea de transmisión que consiste de una franja de metal y de un plano de tierra metálico separado por un dieléctrico, la cual se construye sobre una placa de metal. Esta se muestra en la figura siguiente: Dónde: h = Espesor del sustrato [m]. wm = Ancho de la franja de metal [m]. t = Espesor de la franja de metal [m].

= Permisividad dieléctrica del substrato [F/m].

Particularmente, dentro de microstrip se pueden encontrar dos topologías usuales para el diseño de filtros pasivos a saber: Líneas Acopladas y Hairpin. Una línea de transmisión acoplada consta de dos tiras metálicas de longitud l, ancho wm y separación s, las cuales se

pueden construir sobre un substrato dieléctrico de permisividad relativa r y espesor h. En la figura siguiente se muestra una vista lateral de esta estructura y una vista superior. El espesor t de la película conductora con la que está realizada tiene influencia en las pérdidas de energía que tienen las ondas a medida que se propagan a través de ella.


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De igual forma, podemos definir el diseño bajo la topología Hairpin. Conceptualmente se obtendrá el mismo “curvando” las líneas acopladas que se consiguieron en la topología de diseño anterior. Se utilizaran para este las mismas ecuaciones. En el diseño se deberá, sin embargo, tener en cuenta que al curvar las líneas en forma de U se corre el riesgo de que los brazos de la misma generar un propio circuito resonante del tipo líneas acopladas.

Comenzamos el diseño teórico encarando el procedimiento para líneas acopladas.

3.4. Diseño del filtro Como se mostró en la figura para líneas acopladas, la misma es un dispositivo de 4 puertos, que para efectos prácticos dos de ellos se dejan en circuito abierto o corto circuito, y los otros se utilizan como puerto de entrada y de salida respectivamente. El comportamiento eléctrico de las líneas acopladas cambia en función del tipo de terminación que se tenga en los dos puertos no usados, es decir, en corto circuito o circuito abierto. En el presente trabajo se usó la terminación en abierto, entonces, lo expuesto aquí únicamente corresponde al comportamiento de la línea con estas características. El parámetro más importante de una línea de transmisión es la impedancia característica Zo, sin embargo, por la forma que tienen las líneas de transmisión acopladas presentan características particulares, que son:

La impedancia característica es función de dos parámetros llamados impedancia par Zoe e impedancia impar Zoo.

Como no existe contacto eléctrico entre las líneas parte de la energía que transporta una línea se induce en la otra y a esta razón se le llama factor de acoplamiento J.

Todas las impedancias son función del ancho de las pistas wm , la separación de las pistas s , el espesor del

substrato h y la permitividad dieléctrica relativa r .

Debido a que se tienen dos franjas de metal en paralelo, se forman dos tipos de excitación, la excitación en modo par (donde las corrientes en las franjas de metal son de la misma magnitud y en la misma dirección), y la excitación en modo impar (donde las corrientes son iguales en amplitud pero en dirección opuesta). Como existen dos tipos de excitación se obtienen dos tipos de impedancia, la impedancia en modo par Zoe y la impedancia en modo impar Zoo. Estas dos impedancias se ven a la entrada de las líneas acopladas como una sola impedancia, es decir, su impedancia característica y un factor de acoplamiento. La figura siguiente muestra la relación entre Zo , J , Zoe y Zoo para una línea

de transmisión acoplada de /4.

Un circuito con líneas acopladas se puede modelar como la interconexión de circuitos LC en paralelo con transformadores


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Trabajando analíticamente con las líneas, reemplazando las estructuras por sus celdas básicas pasabanda vistas en Teoría de Circuitos II se puede llegar a las siguientes expresiones:

√

√

√

En donde, B se define como el valor: B= (fcs-fci) / fo y los gn serán los coeficientes de Chebyschev para el filtro querido que se obtienen de tabla.

El cálculo de las impedancias en modo par Zoe e impar Zoo a partir de Zo y J están dadas por:

Las ecuaciones relacionan el valor de la impedancia característica en función de las impedancias de modo par e impar, por lo cual el problema se reduce a encontrar el valor de Zoe y Zoo. Para obtener resultados prácticos es necesario hacer un programa en algún lenguaje de programación que realice estos cálculos debido a la complejidad de las expresiones. El software utilizado es el ADS donde se introducen datos de sustrato y los valores citados en las ecuaciones anteriores que se obtienen del filtro que se desea realizar obteniendo como resultado el ancho, largo y separación entre líneas. Dejamos aquí una vista del mismo, para completar el entendimiento de la operación:


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Nota: Si se quiere completar el desarrollo ver Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. Jia-Sheng Hong, M. J. Lancaster

Presentacion del software ADS 2011 – RF and Microwave Design Software es un software para el diseño y la simulación de filtros, osciladores, amplificadores y antenas entre otros. Las herramientas que posee son: realización de diversos esquemáticos, la simulación electromagnética y del circuito, diseño de líneas de transmisión impresas, osciladores, PLL’s y cálculo de los parámetros de las líneas de transmisión. Ansoft Designer SV es otro software que hemos empleado y que también es útil para el diseño y simulación de filtros. Hemos combinado el uso de ambos software para corrobar los diseños obtenidos y simular en ambos. Parámetros de Diseño. Recordando que nuestro diseño será un filtro de 2GHz con ancho de banda de 50MHz y basados en marco teórico visto en la sección 3.2, se obtienen mediante el software los valores de Zoe y Zoo. Mostramos a continuación el output del software y la ventana donde vemos los datos para el primer par de líneas acopladas a modo de ejemplo.


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Ingreso de Parámetros del Sustrato Antes de darnos el layout, el software nos pide los datos del sustrato a utilizar. En el caso del prototipo realizado en el INTI: Como sustrato se utilizará una cerámica del tipo Alúmina, de 4” x 4” (101,6mm x 101,6mm) y espesor 0,03”. Cada grupo tendrá asignada un área total y única de 1” x 1” (25,4mm x 25,4mm). Antes de iniciar se realiza una limpieza del sustrato. El proceso comienza con un depósito por serigrafía de un material conductor, llamado Metal-1, el cual es una pasta de plata (Ag) con resistividad en el orden de los 2 mΩ/. Luego es secado aproximadamente a 120 °C y sinterizado a una temperatura del orden de los 850 °C. Como segunda etapa se trabajará con un material dieléctrico, llamado Diel-1, el cual es un compuesto de vidrio con una constante dieléctrica relativa del orden de 10. Luego es secado y sinterizado. A continuación se deposita por la misma técnica nuevamente un material conductor, de las mismas características que el primero, en este caso se llamará Metal-2. Luego es secado y sinterizado. Para finalizar se deposita la última capa que será de material resistivo, llamada Resistencia-1. Es un óxido de rutenio, cuya resistividad nominal es de 10 kΩ/. Luego es secado y sinterizado. Los secados y sinterizados son todos en el mismo orden de temperatura.


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En el caso de los prototipos realizados en el sustrato tipo FR4: Nos guiamos por datos encontrados en la web, en hojas de datos. Los mismos fueron:

r= 4,4 ; t= 35μm ; h= 1,63mm. En el caso de los prototipos realizados en el sustrato Rogers R043508: Tenemos a disposición, la siguiente especificación del embalaje del fabricante:

Resumiendo los mismos:

r= 3,48 ; t= 17,5μm ; h= 0,760mm. Aquí, dejamos la vista entonces con valores del software utilizado:


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Conversión Líneas Acopladas a Hairpin Como se vio en la sección 3.2 y tal cual lo aclara el libro Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. Jia-Sheng Hong, M. J. Lancaster en la página 129 se toma en consideración: El espaciamiento entre los diferentes brazos del hairpin el cual puede generar un acoplamiento inductivo indeseado y se ignora la discontinuidad provocada por la curvatura de líneas acopladas. Sin embargo, como se aclara en la bibliografía se obtiene una buena estimación de lo solicitado. Asimismo, informamos que el software permite diseñar directamente un filtro pensándolo en forma o tipo hairpin sin necesidad de pasar por uno de líneas acopladas para el usuario. Layout del Filtro En el caso, del diseño a ser usado para la práctica en el INTI, presentamos el layout del filtro para ser entregado a los docentes de Tecnología, para transferirlo al sustrato cerámico. Hemos hechos un apartado especial (Ver sección 4) sobre la práctica llevada a cabo en las instalaciones del INTI. Diseño en Ansoft:


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Destacamos, que en las zonas donde se lee “Port N”, se han hecho pads para soldar las correspondientes fichas SMA.

3.5. Simulaciones El mismo software, permite realizar una simulación sobre el diseño dado para ver su comportamiento en frecuencia. Cerámica:

Del mismo podemos notar que tiene la respuesta deseada con alguna alteración producto del ingreso de los diferentes datos del sustrato que no son los óptimos para este tipo de diseños (deducimos que se espera una respuesta pobre de este filtro). Cabe destacar que el layout será similar para los demás sustratos usados (FR4 y Rogers) cambiando algunas longitudes y espaciamientos entre líneas. Adjuntamos a continuación las respuestas de los filtros con el ajuste realizado para los datos de cada sustrato: FR4:


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Rogers:

Diseño Líneas Acopladas

Esta vez, dejamos la muestra de la simulación y diseño en ADS para el sistema armado por líneas acopladas:


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El layout queda conformado de la siguiente forma:

Cabe destacar, nuevamente, que el layout será similar para los sustratos usados (FR4 y Rogers) cambiando algunas longitudes y espaciamientos entre líneas. Adjuntamos a continuación las respuestas de los filtros con el ajuste realizado para los datos de cada sustrato:

Respuesta del filtro Simulado FR4:


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Rogers:


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Notamos, como con este software al menos, las mediciones y el diseño es mucho más versátil y acertado a la realidad que las ejecutadas por el otro software. Por esto, es que decidimos hacer el diseño final sobre el sustrato Rogers con el output de este software.

3.6. Ejecución del diseño Para realizar el diseño de la placa en el sustrato cerámico se realizó una visita al Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) donde contamos con una sala limpia y el equipamiento adecuado para ejecutar el diseño de nuestro prototipo.


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En primer lugar al llegar, hemos conocido las medidas de seguridad y vestiduras necesarias para ingresar al recinto limpio. Una vez dentro, tomamos contacto con los diferentes equipos que tenemos para realizar la práctica. Nos hemos encontrado con:

Un horno para realizar el proceso de secado:

Un microscopio óptico para el proceso de medición y verificación:

Una screen printer semiautomática con sistema de alineación óptica para el proceso de alineación de la máscara y la impresión.


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En nuestro caso, hemos concurrido en la última fecha al laboratorio con lo que hemos recibido los sustratos ya listos para poder realizar la impresión de la última capa resistiva. Aquí podemos ver la placa antes de que ejecutemos nuestro trabajo (Nota: Notar que hay varios circuitos en el sustrato además del nuestro ya que el mismo es compartido por todos los equipos del curso):


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Para realizar entonces esta etapa, aprendimos sobre utilización de la alineadora. Realizamos los siguientes pasos: Primero realizamos la limpieza del equipo y otro compañero revolvió la pasta resistiva que iba a ser usada; colocamos la malla en posición y probamos la impresión en primer lugar con una pieza de prueba depositando la pasta resistiva. Aquí vemos el resultado del mismo:


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Finalmente, al estar seguros del proceso realizamos la impresión sobre el sustrato con los circuitos reales repitiendo el proceso de alineación e impresión. Aquí tenemos el resultado final:


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Utilizamos el microscopio para realizar la medición de espesor húmedo y colocamos la pieza en el horno de secado. Al sacarlo, realizamos la medición nuevamente y obtuvimos los siguientes valores:

Finalmente, el proceso de sinterizado quedo a cargo de los docentes de catedra y el prototipo final ya cortado fue recibido en la siguiente forma:

Y el diseño finalmente con los conectores SMA adosados quedo de la siguiente forma:


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Ejecución de Diseño – FR4 y Rogers Para el diseño en estos dos sustratos, se utilizó el método convencional de trasferencia de diseño a los sustratos por temperatura (método de la plancha). Se han impreso los diseños en papel ilustración y transferido los mismos. Luego, se atacaron las placas con Percloruro de Hierro, resultando lo siguiente primero para Hairpin FR4 luego líneas acopladas FR4, y finalmente, para líneas acopladas en Rogers:


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4. Mediciones.

Las siguientes serán las mediciones que nos permitirán caracterizar el filtro, viendo la respuesta que el mismo tiene tras todo el proceso de fabricación que el mismo conllevo. Recordamos que al mismo le hemos soldado fichas de tipo SMA en sus extremos para lograr su conexionado.

El analizador de espectros es un instrumento que se utiliza para observar el comportamiento de un dispositivo en amplitud contra frecuencia. Por medio de este se realizaron las mediciones en frecuencia del filtro. Todas las mediciones que realiza son en potencia. El analizador de espectros con que se cuenta en el departamento de electrónica es marca Agilent, modelo N9320A. Su ancho de banda es de 9 kHz a 3 GHz, teniendo un intervalo dinámico de –120 dBm a 30 dBm. Su impedancia de entrada es de 50Ω. Para caracterizar dispositivos el analizador cuenta con un generador llamado “Tracking Generator”, el cual proporciona una señal senoidal sin modular que hace un barrido en frecuencias, de tal forma que se sincroniza con el analizador de espectros, y muestra en la pantalla la respuesta en frecuencia del dispositivo. A este arreglo se le conoce como analizador escalar. Pasamos entonces, a medir los 4 prototipos armados. En primer lugar, mediremos el realizado en el INTI. Lamentablemente, y como en parte era de esperarse por las características del sustrato, la respuesta del filtro no es nada más que ruido.

Visto esto, decidimos repetir el diseño, pero ahora usando el entregado por Ansoft como se mostró en el informe (versión final). Para esto, primeramente realizamos el ensayo en la placa FR4.


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Nuevamente, volvemos a no tener un resultado satisfactorio. La perdida del filtro que obtenemos es demasiado elevada, casi 18 dB, siendo un valor bastate elevado. Por otro lado, es que queda bastante corrido de 2 GHz, aunque el ancho de banda es bastante bueno (aprox 20 MHz). Decidimos, entonces, cambiar el método a Líneas Acopladas. Como se mostró en el informe, realizamos este diseño, primero en FR4, obteniendo el siguiente resultado:


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Se observa una buena respuesta en lo que ancho de banda y centrado respecta aunque la atenuación en banda de paso se ve un poco degradada. Se comentara sobre esto en las conclusiones. Finalmente, pasamos el mismo diseño al sustrato Rogers, y obtuvimos la siguiente respuesta:

Finalmente, dejamos la vista completa del equipo de medición, con la placa mientras se efectuaba la misma:


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5. Resultados Los resultados han sido presentados debajo de cada una de las mediciones correspondientes. En la sección anterior

6. Discusión

Realizamos nuestra primera experiencia en un laboratorio con sala limpia. Esta ha sido la primera vez que hemos tenido la posibilidad de concurrir fuera de los laboratorios de la facultad a realizar una experiencia práctica. Fue muy valorable el poder estar en contacto con equipamiento de envergadura para desarrollar tecnología diferente a la vista hasta el momento.

Hemos podido poner en práctica todos los conocimientos adquiridos en las clases teóricas de la materia, viendo y trabajando nosotros mismos con el equipamiento propio para ello. Pudimos descubrir esta nueva tecnología que no conocíamos y además llevarla a la práctica desarrollando un dispositivo desde su raíz y participar en su fabricación. Además, pudimos desarrollar en forma íntegra un prototipo aplicando conocimientos de otras materias de la carrera como TCII y MEII.


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7. Conclusiones

Compararemos resultados. La placa realizada en el INTI fue totalmente insatisfactoria, consideramos esto producto de los diversos factores que conllevaron la construcción del filtro a saber: - Uso del sustrato provisto por la catedra (tomar en cuenta que la permitivdad estaba detallada para 10KHz y por eso no lo convierte en óptimo para este trabajo), - Dispersión de parámetros varios en líneas generales (conductividad de pastas, permitividad, tamaños, soldadura de terminales, etc.), - Errores cometidos por los operadores tanto en el diseño en la sala limpia como en la parte de mediciones llevadas a cabo. Creemos, finalmente, que la trasferencia del diseño de Ansoft al software Tanner requerido por la catedra para entregarlo hemos cometido algún error en las mediciones de anchos y distancias de líneas del diseño hairpin. Comprobamos, igualmente, que el diseño de Hairpin mejoro mucho al pasarlo al sustrato FR4, pero que las condiciones finales del filtro son muy superiores en un diseño de líneas acopladas. Creemos que esto es así, por la simplicidad del diseño. Respecto a las respuestas, contra las simulaciones del software, también hay algunas diferencias sobre todo en lo que respecta a la perdida de inserción. Creemos que esto ha sido de esta forma por el proceso que se llevó a cabo al transferir el layout al sustrato. En este, se ha empleado un método real, donde se pierde el diseño del software (aunque este incluía las condiciones del sustrato real).

8. Referencias

Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. Jia-Sheng Hong, M. J. Lancaster

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