Amplificador Sintonizado de Microondas
con Tecnología Microstrip
Alumnos
Gerardo Denenne, Adrián Mazza, Claudio Ortiz,
Federico Roux, Maximiliano Seffino, Pablo Szwajcer
Docentes
Juan Cecconi, Pablo De Césare, Damián Hidalgo, Augusto Musolino
Cátedra
Medidas Electrónicas II
Facultad Regional Buenos Aires
Universidad Tecnológica Nacional
Amplificador Sintonizado de Microondas con Tecnología Microstrip FRBA
2
Sumario
El presente detalla el procedimiento de diseño y construcción, y el posterior ensayo de un
amplificador sintonizado de 2,45 GHz basado en un amplificador de banda ancha y en una
red pasabanda de líneas microstrip acopladas, sintonizada a dicha frecuencia.
Para su construcción se utilizó un sustrato Rogers RO4350B con especificaciones definidas
en el rango de frecuencias utilizado y un amplificador integrado ISL55008 caracterizado
por el fabricante en sus parámetros S a la frecuencia de trabajo.
Introducción
Se planteó el desarrollo de un amplificador sintonizado de microondas con tecnología
microstrip, con una frecuencia central 2,45GHz y un ancho de banda de 100 MHz. Por
tratarse de la primera incursión en el área de las microondas, se optó por utilizar un
sustrato y amplificador de características conocidas y un filtro de tipo Butterworth de tan
solo 3 polos, intuyendo que esto facilitaría su posterior calibración.
Para el diseño del filtro microstrip de líneas acopladas se utilizó el software Ansoft
Designer en su versión Student, ajustando las características del filtro hasta obtener un
conjunto de líneas acopladas con dimensiones realizables bajo el método de construcción
de impresos con laca UV.
Diseño del Filtro
Se partió de un módulo de 4,5” por 1,5” con sustrato Rogers RO4350B de espesor
1,524mm y metalizaciones de cobre de 17um en ambas caras. De la hoja de
especificaciones del fabricante se obtuvo la permitividad eléctrica relativa, definida en
3,66 , y la tangente de pérdidas, definida en 3,1.10-3 .
Dado que el módulo utilizado resultó por sus dimensiones, incompatible con una
configuración de líneas acopladas estándar, se optó por construir los sucesivos pares de
líneas en forma perpendicular, asemejando el diseño a un conjunto de letras V en
contraposición. Esta modificación se basó en la hipótesis que dada su ortogonalidad los
pares contiguos no interferirían uno con otro mientras que los pares de líneas paralelos no
lo harían por su relativa lejanía.
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La incidencia del uso de codos (bends) fue simulada con Ansoft como parte del diseño,
pero dada la naturaleza del software, la hipótesis anteriormente mencionada debió ser
contrastada en forma experimental.
A continuación se traza la simulación de parámetros S del amplificador en el rango de
frecuencia de interés. El circuito esquemático que sustenta la simulación se encuentra
anexo en el apartado 1.1.
Diseño del Amplificador
Para el diseño del amplificador sintonizado se tomó el circuito de aplicación dado por el
fabricante del amplificador integrado, a lo que se sumó el filtro pasabanda de entrada, la
electrónica auxiliar necesaria y los conectores de entrada y salida.
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Se formó de este modo la estructura que se detalla a continuación:
La construcción del choque polarizador se realizó en base a un arreglo de dos stubs
conectados en paralelo en un mismo punto. Esta decisión se tomó por la imposibilidad de
contar con inductores correctamente caracterizados a la frecuencia de trabajo.
El arreglo se basó en la conexión paralela de dos stubs de longitud λ/4 dejando abierto el
primero y conectado el segundo a VCC (punto equipotencial para la corriente alterna).
Para disminuir aún más la impedancia de ese último e impedir cualquier lazo de
realimentación oculto se lo conectó a VCC por medio de un inductor estándar de 100nH y
al plano de masa a través del paralelo de dos capacitores de 100pF y 100nF.
Esta conexión de stubs se comporta a la frecuencia sintonizada como una conexión de dos
admitancias jY0 y –jY0, que al cancelarse generan el choque, pero proveen además la
corriente continua de polarización necesaria para el amplificador integrado.
Un dato a remarcar es el uso de múltiples vías para la conexión a masa del amplificador y
los capacitores de desacople, técnica que genera una disminución sustancial de la
inductancia serie de conexión y mejora la performance del diseño.
A continuación puede verse a escala real (1:1) el diseño definitivo del impreso.
Construcción del Prototipo
Para la construcción del prototipo se trasladó el diseño al programa Altium Designer 2006
y se realizó la preimpresión negativa de la filmina. Cabe destacar que el uso de una
Conector de Entrada
Línea de Transmisión
de 50Ω
Filtro Pasabanda
Amplificador de Banda
Ancha
Línea de Transmisión
de 50Ω
Conector de Salida
Fuente de
3,3VDC
Choque
Polarizador
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preimpresión offset es esencial para realizar una transferencia exitosa con laca UV, ya que
solo esta técnica de impresión genera la opacidad requerida en la tinta.
Luego se aplicó la laca UV a una de las metalizaciones con un pincel de pelo suave, se dejó
secar, se expuso la placa a la luz UV a través de la filmina y se realizo el revelado.
Finalmente se enmascaró la otra cara del impreso (plano de masa), se realizó el ataque
químico con percloruro férrico, y se soldaron los componentes a la placa.
Este procedimiento se realizó en concordancia con lo especificado por el fabricante de la
laca UV Fotoresist®.
Ensayo
El ensayo de parámetros S del amplificador fue realizado con un analizador de espectro
IFR Systems modelo AN940 que incluye generador de tracking. Se configuró el generador
para una salida de 0dBm y se lo ensayó utilizando un cable de longitud reducida. El ensayo
del generador de tracking se encuentra anexo en el apartado 2.1 y fue realizado utilizando
el siguiente setup:
Generadorde Tracking
Analizador deEspectro
Luego se realizó el ensayo del acoplador direccional HP modelo 87301E. Para ello inyectó
señal en su puerto de salida, se desadaptó su puerto de entrada dejándolo desconectado
y se conecto su puerto de medición al analizador de espectro. Se midió de este modo el
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acoplamiento de las ondas reflejadas al puerto de medición. Los resultados del ensayo se
encuentran anexos en el apartado 2.2 y el setup utilizado se detalla a continuación.
Setup para medición de
acoplamiento.
Generadorde Tracking
Analizador deEspectro
OUT IN
SENSE
Finalmente se repitió el ensayo adaptando la entrada del acoplador por medio de un
atenuador de 30dB (S11 = -60dB), y se analizó la señal reflejada en condiciones de
adaptación. El ensayo fue realizado con el setup que se detalla a continuación y sus
resultados se encuentran anexos en el apartado 2.3.
Setup para medición de
desadaptación del adaptador.
Generadorde Tracking
Analizador deEspectro
OUT IN
SENSE
ATT.
A continuación se intercaló el amplificador sintonizado entre el generador de barrido y el
analizador, alimentándolo con una batería de 9V PP3 estándar. El amplificador fue
sintonizado utilizando un elemento abrasivo, ya que había sido desintonizado levemente
en su diseño para acomodar las tolerancias del método de transferencia por laca UV y
ataque químico.
Debe tenerse en cuenta que la desintonía debe ser siempre a la baja (elementos
resonantes más largos) ya que únicamente devastando material y acortando por ende su
longitud, pueden obtenerse buenos resultados en la sintonía.
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Finalmente se ajustó el stub abierto del choque polarizador (también desintonizado en el
diseño) hasta obtener máxima respuesta en la banda de paso.
A continuación se detalla el setup utilizado para la medición de la transferencia del
amplificador entre sus puertos de entrada y salida, y la comparativa entre los resultados
del ensayo y de la simulación, indicando los puntos de interés. La medición original se
encuentra anexa en el apartado 2.4.
Setup para medición de
Transferencia (S21).
Generadorde Tracking
Analizador deEspectro
IN OUTDUT
Simulación de la Transferencia del amplificador (S21). Trazado de la respuesta del amplificador (S21).
El ensayo de la adaptación de entrada (S11) y salida (S22) fue realizado con el acoplador
direccional en la configuración previamente mencionada, conectando alternativamente
cada puerto del amplificador a la entrada del acoplador y adaptando el restante por
medio del atenuador. A continuación se detalla el setup utilizado en cada caso y la
comparación entre resultados corregidos del ensayo y valores simulados.
Setup para medición de
Desadaptación de Entrada (S11).
Generadorde Tracking
Analizador deEspectro
OUT IN
SENSE
ATT.IN OUTDUT
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Simulación de la desadaptación de entrada (S11). Trazado de la desadaptación de entrada (S11).
Setup para medición de
Desadaptación de Salida (S22).
ATT.
Generadorde Tracking
Analizador deEspectro
OUT IN
SENSE
INOUT DUT
Simulación de la desadaptación de salida (S22). Trazado de la desadaptación de salida (S22).
Los resultados originales de ambas mediciones se encuentran anexos en los apartados 2.5
y 2.6 respectivamente.
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Finalmente se determinaron el punto de intercepción de tercera armónica y el punto de
compresión de 1dB. Para ello se utilizó el analizador AN940 en conjunto con un generador
de radiofrecuencias Rhode & Schwarz SMP02 sintonizado en la frecuencia central del
filtro. El setup de medición se detalla a continuación.
Setup para medición de
distorsión
Generadorde Tracking
GeneradorMonotonal
Analizador deEspectro
IN OUTDUT
La estimación de los parámetros de distorsión se realiza mediante la medición de la
potencia de salida en frecuencia fundamental y tercera armónica para una entrada
monotonal a frecuencia central de amplitud variable. Las determinaciones son luego
proyectadas para obtener ambos puntos y ponderar por medio de ellos la distorsión
introducida por el amplificador para una potencia de salida dada.
En el apartado 3.1 del anexo se detallan las mediciones realizadas en forma numérica y en
el apartado 3.2 se encuentra anexa la gráfica de las mediciones en conjunto con las líneas
de proyección que estiman el punto de intercepción.
Conclusiones
El amplificador sintonizado funcionó adecuadamente según las especificaciones dadas, lo
que permitió validar los procedimientos de diseño y construcción.
Su frecuencia de corte inferior fue de 2,39GHz y su frecuencia de corte superior de
2,48GHz. Su máxima ganancia se registró en 2,44GHz y fue de 8,5dB.
La desadaptación de entrada a 2,44GHz fue de –7,2dB y la desadaptación de salida a dicha
frecuencia fue de –9dB.
Del análisis de estos tres parámetros en el rango de frecuencias de interés, surge que
mientras que la transferencia fue similar a la estimada en la simulación las
desadaptaciones de entrada y salida difirieron notablemente de los valores esperados.
El punto de compresión de 1dB fue determinado en 8,6dBm y el punto de intercepción de
tercera armónica fue determinado en 20,5dBm.
De este modo el amplificador fue caracterizado en su respuesta en frecuencia y en su
distorsión en frecuencia central.
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Anexo
1. 1 – Circuito esquemático del amplificador sintonizado simulado con Ansoft Designer SV.
0
IZ=
0
PN
UM
=1
RZ
=50
IZ=
0
PN
UM
=2
RZ
=50
S=s1
W=w1
P=p2
S=
s1
W=
w1
P=
p2
S=
s2
W=
w2
P=
p3
S=s2
W=w2
P=p3
W 1 = w 2
W 2 = w 2
W1=w1
W2=
w2
W1=w2
W2=w1
AN
G=
45deg
W=w1
W1=
wz0
W2=
w1
AN
G=
45deg
W=
w1
W1=
wpad
W2=
w1
P=
9.0
1097m
m
W=
wz0
12
P=9.61756mm
W=2*wpad
W1=
wpad
W2=
wz0
1
2
3
4
W1=
wz0
W2=
2*w
pad
W3=
wz0
W4=
wpad
P=
9.0
1097m
m
W=
wz0
D=
1m
m
DG
=1m
m
100pF
ES
R=
0
100pF
ES
R=
0
220pF
ESR=0
P=
pscra
tch
W=
w2
P=
pscra
tch
W=
w2
W=w1
W=
w1
W=
W2
W=
W2
W=W2 W=W2
W=
w1
P=12mm
W=2*wpad
P=pscratch
W=w1
P=pscratch
W=w1
P=pscratch
W=w2
P=pscratch
W=w2
P=
pscra
tch
W=
w1
P=
pscra
tch
W=
w1
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2.1 – Ensayo de planicidad del generador de tracking incorporado al analizador IFR AN940.
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2. 2 – Ensayo de ruido de fondo en medición de onda reflejada con carga adaptada.
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2. 3 – Ensayo de acoplamiento de las ondas reflejadas.
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2.4 – Ensayo de transferencia del amplificador sintonizado ( Parámetro S21 ).
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2.5 – Ensayo de desadaptación a la entrada del amplificador sintonizado (Parámetro S11 ).
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2.6 – Ensayo de desadaptación a la salida del amplificador sintonizado (Parámetro S22 ).
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3.1 – Tabla de medición de armónicas generadas por el amplificador sintonizado.
Entrada [dBm]
Salida [dBm]
3º Armónica [dBm]
-20 -13,1 -
-18 -10,9 -
-16 -8,7 -
-14 -6,5 -
-12 -4,6 -
-10 -2,1 -
-8 -0,3 -65
-6 1,8 -51
-5 2,6 -48,5
-4 3,7 -45
-3 4,6 -41,5
-2 5,6 -37,5
-1 6,5 -33,5
0 7,5 -29,1
1 8,1 -25,6
2 8,7 -23,4
3 9 -22,1
4 9,3 -22,1
5 9,6 -22,1
6 10 -22,1
7 10,3 -22,1
3.2 – Gráfica de mediciones y trazado de rectas de intercepción.
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Salida
3º Armónica