diseño de una etapa rf utilizando la herramienta awr por liliana jorquera
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Ing. Liliana M. Jorquera F.
DISEÑO DE UNA ETAPA RF
UTILIZANDO LA HERRAMIENTA AWR
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA
“ANTONIO JOSE DE SUCRE”
DIRECCION DE INVESTIGACION Y POSTGRADO
BARQUISIMETO
DISEÑO DE ETAPA DE RF PARA
SISTEMAS WiMAX EN
VENEZUELA
AUTOR: LILIANA JORQUERA
TUTOR: ING. DIMAS MAVARES
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Una red inalámbrica esta constituida por un Transmisor, un Receptor y un canal (no guiado). El transmisor y el receptor se componen principalmente de una Etapa de Banda Base y una Etapa de RF cada uno.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Una etapa RF toma la señal banda base y la procesa hasta una antena transmisora, así mismo tomo la señal de recepción de la antena, procesándola de manera inversa para convertirla nuevamente en señal banda base. Las etapas RF analógicas se diseñan para flexibilidad y niveles de integración, estas soluciones incluyen convertidores de datos UP/DOWN, amplificadores de RF, IF, VCO, mezcladores, entre otros.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
La tecnología WiMAX cuyos usos se centran en la transmisión de voz, datos y video, su disponibilidad y la gran necesidad de llevar acceso multiservicio a zonas desasistidas hacen de esta tecnología no solo un mecanismo de competitividad, sino una herramienta social, la cual puede ser implementada en cualquier parte del mundo. El estándar IEEE 802.16 WiMAX, define soluciones para accesos en los rangos de frecuencia de los 2 a los 60 GHz,
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Para la recopilación de estos datos se tomo en cuenta la banda ISM de 2.4 GHz. Con una frecuencia central de 374MHz y un ancho de banda de 20 MHz Decidiendo utilizar la tecnología WIMAX, debido a sus bondades. Se investigo las principales empresas fabricantes de semiconductores, Delimitando este estudio a componentes que operen bajo esta tecnologia.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Parámetros del standard IEEE 802.16
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Esquema de la Etapa RF del Receptor
BPFCID=F2LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=0.1 dBNOISE=Auto
BPFCID=F1LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=0.1 dBNOISE=Auto
AMP_FID=A1DATA=""NOISE=AutoRFIFRQ=
BPFBID=F4LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=3.0103 dBNOISE=Auto
AMP_BID=A4GAIN=10 dBP1DB=10 dBmIP3= IP2= MEASREF= OPSAT= NF=3 dBNOISE=AutoRFIFRQ=
BPFCID=F3LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=0.1 dBNOISE=Auto
OSC_SID=A3NET="M"PORT=1FRQ= HARMIDX=1PWR= PHS=0 DegCTRFRQ= SMPFRQ= ZS=_Z0 OhmT=_TAMB DegKNOISE=AutoPNOISE=No phase noise
IN OUT
LO
MIXER_BID=A2MODE=SUMFCOUT= RFIFRQ= GCONV=-10 dBP1DB=10 dBmIP3=30 dBmLO2OUT=-25 dBIN2OUT=-20 dBLO2IN=-25 dBOUT2IN=-25 dBPLO=10 dBmPLOUSE=Spur reference onlyPIN=-10 dBmPINUSE=IN2OUTH OnlyNF=10 dBNOISE=Auto
BPFBID=F5LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=3.0103 dBNOISE=Auto
OSC_SID=A6NET="M"PORT=1FRQ= HARMIDX=1PWR= PHS=0 DegCTRFRQ= SMPFRQ= ZS=_Z0 OhmT=_TAMB DegKNOISE=AutoPNOISE=No phase noise
IN OUT
LO
MIXER_BID=A5MODE=SUMFCOUT= RFIFRQ= GCONV=-10 dBP1DB=10 dBmIP3=30 dBmLO2OUT=-25 dBIN2OUT=-20 dBLO2IN=-25 dBOUT2IN=-25 dBPLO=10 dBmPLOUSE=Spur reference onlyPIN=-10 dBmPINUSE=IN2OUTH OnlyNF=10 dBNOISE=Auto
1.-Filtro 2450 MHz
2.-LNA
3.-Filtro 2450 MHz
4.-MIX 374 MHz
5.-Oscilador 2823 MHz
6.-Filtro 374 MHz
7.-HP 374 MHz
8.-Filtro 374 MHz
9.- MIX 20 MHz
10.-Oscilador 394 MHz
11.-Filtro 20 MHz
9
5
7 8 21 4 3 6 11
10
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Amplificadores de alta frecuencia
La amplificación es una función crítica en un receptor y transmisor inalámbrico. Virtualmente toda microonda y amplificadores de RF usan hoy dispositivos de estado sólido de tres terminales tales como (FETS) de (AsGa) transistores de efecto de campo, arseniuro de galio o transistores bipolares (BJT) de silicón (Si) o Germanio silicón (SiGe), heterojuntion bipolar transistor (HBTS), y transistor de movilidad de electrón alta (HEMTS).
-Parámetros de Scatering
Parámetros necesarios para realizar el diseño de un Amplificador de alta frecuencia:
Los parámetros “S” son descriptores de potencia de una onda que permiten definir relaciones de entrada-salida de una red en términos de ondas viajeras incidente y reflejada.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Convención usada para definir los parámetros S de una red de dos puertos.
El significado de los parámetros de scatering se especifican a continuación:
1
2
01
221
2puertoelenincidentepotencia
puertoelenatransmitidpotencia
a
bS
a
1
1
01
111
2puertoelenincidentepotencia
puertoelenreflejadapotencia
a
bS
a
Red de dos puertos
Ing. Liliana M. Jorquera F.
1
2
01
221
2puertoelenincidentepotencia
puertoelenatransmitidpotencia
a
bS
a
2
2
02
222
1puertoelenincidentepotencia
puertoelenreflejadapotencia
a
bS
a
2
1
02
112
1puertoelenincidentepotencia
puertoelenatransmitidpotencia
a
bS
a
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Ganancia de potencia unilateral máxima: Es cuando Γs = S11 y Γl = S22 . EntoncesPara ganancia máxima del transductor unilateral
Acoplamiento de Redes de
Salida
Acoplamiento de Redes de
Entrada
Dispositivo
Vi
Zi
GsZi Zo
Zl
Gl
Gf
Γs
Γin Γout
D
S
Ing. Liliana M. Jorquera F.
2
22
2
212
11
max1
1
1
1
SS
SGtu
maxmax lfs ggg
maxmax lfs GGG
Ing. Liliana M. Jorquera F.
-Pruebas de Estabilidad:
La prueba de K-Δ muestra si el dispositivo es incondicionalmente estable por la condición de Rollet, definida como:
12
1
2112
22
22
2
11
SS
SSK
Utilizando la condición auxiliar
121122211 SSSS
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Se tiene otra prueba
11
21121122
2
11
SSSS
S
Mientras mas grande el valor de implica mayor estabilidad
Ing. Liliana M. Jorquera F.
-Figura de Merito Unilateral
Cuando |S12| no es cero pero es muy pequeña, el error que ocurre debe ser calculado por la figura de merito.
ls
ls
SS
SSX
2211
2112
11
.
221
1
1
1
XG
G
X tu
t
Ing. Liliana M. Jorquera F.
-Círculos de Figura de Ruido Constante
El centro y el radio están dados respectivamente por:
i
oFi Nc
1
2/122 11
1oii
iFi NN
Nr
Ing. Liliana M. Jorquera F.
-Diseño de Amplificadores de Alta-Ganancia
Procedimiento de Diseño, se deben cumplir los siguientes pasos:
1.-Listar las especificaciones del amplificador de microondas a ser diseñados, tales como frecuencia, ganancia de potencia y salida de potencia.
2.-Encontrar un dispositivo que cumpla estas especificaciones.
3.- Medir los parámetros del dispositivo.
4.-Comprobar las condiciones de estabilidad
5.-Dibujar los círculos de ganancia constante.
6.-Calcular la figura unilateral de merito.
7.-Calcular el rango de error para la suposición unilateral..8.-Diseñar las entradas y salida del acoplamiento para las redes para máxima
ganancia de potencia.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Amplificador de Bajo-Ruido
Procedimiento de Diseño, se deben cumplir los siguientes pasos:
1.-Dibujar los círculos de ganancia constante y ruido constante en la misma carta de Smith.
2.-Calcular la máxima ganancia de potencia para el amplificador a diseñar.
3.- Elegir círculo de ganancia de potencia para interceptarlo con un círculo de bajo ruido para compensación.
4.-Determinar la entrada y la salida de las redes de acoplamiento.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Osciladores Procedimiento de Diseño:
1.-Calcular el factor de estabilidad k<1 para oscilación.
2.-Convertir los parámetros S a parámetros Z para la realización del circuito oscilador.
3.- Convertir los parámetros Y desde los parámetros Z.
4.- Calcular los valores de los elementos para el circuito mostrado.
5.-Dibujar el circuito equivalente Serie-Oscilador.
6.-Calcular la máxima eficiencia de potencia de salida.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Mezclador Operación de frecuencia up-converted
fLO
OsciladorLocal
OsciladorIF
fRF = fLO ± fIF
fIF fLO
fLO – fIF fLO + fIF
Ing. Liliana M. Jorquera F.
-Operación de Down-converted de frecuencia fIF= fRF ± fLO
Operación de frecuencia down-converted
fRF
OsciladorRF
Osciladorlocal
fIF=fRF ± fLO
fLO fRF
fRF - fLO fRF + fLO
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Diseño de filtros mediante el método de perdidas de inserción
Este método consiste en el diseño de un filtro prototipo pasa bajas normalizado en términos de la impedancia y la frecuencia de corte, y el uso de transformaciones para el escalamiento de las impedancias y de la frecuencia para convertir el diseño normalizado en otro que posea la respuesta en frecuencia y los niveles de impedancia deseados.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Filtros
Utilizando el escalamiento de impedancia y la transformada de frecuencia, para los valores de los elementos del circuito, se tiene:
0
011 w
ZgL
0101 ZgwC
00
22 Zw
gC
20
02 gw
ZL
0
033 w
ZgL
0303 ZLwC
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Esquema de la Etapa RF del Receptor
BPFCID=F2LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=0.1 dBNOISE=Auto
BPFCID=F1LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=0.1 dBNOISE=Auto
AMP_FID=A1DATA=""NOISE=AutoRFIFRQ=
BPFBID=F4LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=3.0103 dBNOISE=Auto
AMP_BID=A4GAIN=10 dBP1DB=10 dBmIP3= IP2= MEASREF= OPSAT= NF=3 dBNOISE=AutoRFIFRQ=
BPFCID=F3LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=0.1 dBNOISE=Auto
OSC_SID=A3NET="M"PORT=1FRQ= HARMIDX=1PWR= PHS=0 DegCTRFRQ= SMPFRQ= ZS=_Z0 OhmT=_TAMB DegKNOISE=AutoPNOISE=No phase noise
IN OUT
LO
MIXER_BID=A2MODE=SUMFCOUT= RFIFRQ= GCONV=-10 dBP1DB=10 dBmIP3=30 dBmLO2OUT=-25 dBIN2OUT=-20 dBLO2IN=-25 dBOUT2IN=-25 dBPLO=10 dBmPLOUSE=Spur reference onlyPIN=-10 dBmPINUSE=IN2OUTH OnlyNF=10 dBNOISE=Auto
BPFBID=F5LOSS=0 dBN=3FP1=0.5 GHzFP2=1.5 GHzAP=3.0103 dBNOISE=Auto
OSC_SID=A6NET="M"PORT=1FRQ= HARMIDX=1PWR= PHS=0 DegCTRFRQ= SMPFRQ= ZS=_Z0 OhmT=_TAMB DegKNOISE=AutoPNOISE=No phase noise
IN OUT
LO
MIXER_BID=A5MODE=SUMFCOUT= RFIFRQ= GCONV=-10 dBP1DB=10 dBmIP3=30 dBmLO2OUT=-25 dBIN2OUT=-20 dBLO2IN=-25 dBOUT2IN=-25 dBPLO=10 dBmPLOUSE=Spur reference onlyPIN=-10 dBmPINUSE=IN2OUTH OnlyNF=10 dBNOISE=Auto
1.-Filtro 2450 MHz
2.-LNA
3.-Filtro 2450 MHz
4.-MIX 374 MHz
5.-Oscilador 2823 MHz
6.-Filtro 374 MHz
7.-HP 374 MHz
8.-Filtro 374 MHz
9.- MIX 20 MHz
10.-Oscilador 394 MHz
11.-Filtro 20 MHz
9
5
7 8 21 4 3 6 11
10
Salida en Voltaje de la Fuente de Alimentación
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Filtro Pasabanda de 2450 MHz
Utilizando el escalamiento de impedancia y la transformada de frecuencia, para los valores de los elementos del circuito, se tiene:
nHL 1.6351 pFC 0066.01
pFC 5.1742 nHL 02418.02
nHL 1.6353 pFC 0066.03
Ing. Liliana M. Jorquera F.
El diseño del filtro obtenido en el software AWR Desing Enviroment 9.0 es el siguiente:
Filtro Pasabanda 2450MHz
PORTP=2Z=50 Ohm
PORTP=1Z=50 OhmIND
ID=L5L=0.02418 nH
INDID=L4L=635.1 nH
CAPID=C5C=0.006644 pF
CAPID=C6C=174.5 pF
INDID=L6L=635.1 nH
CAPID=C4C=0.006644 pF
Ing. Liliana M. Jorquera F.
El resultado de la respuesta en Amplitud obtenido en el software AWR Desing Enviroment 9.0 se muestra a continuación
Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 2450MHz
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Se acopla la fuente al filtro pasabanda diseñado de 2450 MHz, en la figura se muestra la grafica de entrada y salida.
Grafica entrada vs. Salida del filtro pasabanda de 2450 MHz.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Amplificador de bajo ruido (LNA)
1
2
3
SUBCKTID=S2NET="mgf1423b"
M_PROBEID=VP3
M_PROBEID=VP2
INDID=L1L=4.4 nH
CAPID=C2C=2.27 pF
CAPID=C1C=2.3 pF
INDID=L2L=19 nH
DCVSID=V1V=5 V
INDID=L3L=35 nH
Ing. Liliana M. Jorquera F.
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
1
0
trama
RS
C_S1
P_S
RL
C_L1
P_L
arg trama( ) RS C_S1 P_S RL C_L1 P_L
Representación sobre la carta de Smith
Ing. Liliana M. Jorquera F.
La figura muestra la salida vs. la entrada en dB. La grafica es obtenida con el software AWR Design Enviroment 9.0, es la siguiente:
Grafica de entrada vs. Salida del circuito LNA
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Se acopla el Amplificador de Bajo Ruido, para realizar este diseño se investigo un transistor especifico con sus parámetros Scatering y este componente se creo en el simulador cargando estos parámetros se muestra la grafica de entrada vs. Salida.
Grafica entrada vs. Salida del LNA dentro del circuito
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Nuevamente se adiciona un filtro pasabanda de 2450 MHz, se muestran la grafica entrada vs. Salida.
Grafica de entrada vs. Salida del segundo Filtro de 2450 MHz.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Mezclador de diferencia
salida IFIF+IF-
LO+LO-
G
D
S
SS
1
2
3
4
BSIM3V322ID=BS1L=0.5 umW=60 um
G
D
S
SS
1
2
3
4
BSIM3V322ID=BS2L=0.5 umW=120 um
G
D
S
SS
1
2
3
4
BSIM3V322ID=BS3L=0.5 umW=60 um
PORTP=3Z=50 OhmPIN_ID=LO
PORTP=2Z=50 OhmPIN_ID=IF
PORTP=1Z=50 OhmPIN_ID=RF
o o1:n1
1
2
3
4
XFMRID=XF2N=1.0
o o1:n1
1
2
3
4
XFMRID=XF1N=1.0
o o1:n1
1
2
3
4
XFMRID=X2N=1
RESID=R2R=1000 Ohm
RESID=R1R=1000 Ohm
INDID=L1L=10 nH
DCVSID=V3V=5 V
DCVSID=V1V=1.41732237790578 V
DCVSID=SRC1V=1.5 V
DCCSID=I1I=5.55436395034577 mA
CAPID=C2C=5 pF
CAPID=C1C=5 pF
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Grafica entrada vs. Salida del mezclador de 374 MHz
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Circuitos Osciladores de 2824 MHz
DCVSID=V1V=100 mV
1
23
TOM1ID=XMFS2AFAC=1.0NFING=1.0
INDID=L1L=1000 nH
RESID=R1R=5 Ohm
CAPID=C1C=0.435 pF
SRLID=RL1R=10 OhmL=3.99 nH
CAPID=C2C=10 pF
PORTP=2Z=50 Ohm
PORTP=1Z=50 Ohm
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Filtro Pasabanda de 374MHz.
Diseño de un filtro pasabanda que tiene una respuesta de igual rizo de 0.5 dB con N=3. La frecuencia central es de 374 MHz., la fracción del ancho de banda es de 20 MHz. Y la impedancia de acoplamiento es de 50
nHL 1.6351 pFC 2851.01
pFC 5.1742 nHL 038.12
nHL 1.6353 pFC 2851.03
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Filtro Pasabanda 374 MHz
PORTP=2Z=50 Ohm
PORTP=1Z=50 Ohm
INDID=L12L=635.1 nH
INDID=L11L=1.038 nH
INDID=L10L=635.1 nH
CAPID=C11C=174.5 pF
CAPID=C10C=0.2851 pF
CAPID=C9C=0.2851 pF
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 374 MHz
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Grafica de entrada vs. Salida del filtro de 374 MHz.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Amplificador de Alta Potencia de 400 MHz.
CAPID=C1C=6.5 pF
PORTP=2Z=50 Ohm
PORTP=1Z=50 Ohm
1
2
3
SUBCKTID=S1NET="mgf2407a"
INDID=L2L=170 nH
INDID=L1L=16 nH
INDID=L3L=35 nH
DCVSID=V2V=5 V
CAPID=C2C=4.42 pF
ACVSID=V1Mag=0.0032 VAng=0 DegOffset=0 VDCVal=0 V
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Grafica en dB salida vs. entrada
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Se coloca a continuación el amplificador de alta potencia de 374MHz, se muestran la figura de la pantalla del software y la grafica entrada vs. Salida.
Grafica de entrada vs. salida
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Mezclador 20 MHz
Grafica de entrada vs. Salida del mezclador de 20 MHz.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Oscilador de 394 MHz.
CAPID=C1C=1.6 pF
PORTP=2Z=50 Ohm
PORTP=1Z=50 Ohm
RESID=R1R=5 Ohm
DCVSID=V1V=1000 mV
INDID=L1L=2e6 nH
1
23
TOM1ID=XMFS2AFAC=1NFING=1
SRLID=RL1R=10 OhmL=84 nH
CAPID=C2C=10 pF
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Filtro Pasabanda de 20 MHz.
Diseño de un filtro pasabanda que tiene una respuesta de igual rizo de 0.5 dB con N=3. La frecuencia central es de 10 MHz., la fracción del ancho de banda es de 20 MHz. Y la impedancia de acoplamiento es de 50
nHL 1.6351 pFC 8.3981
pFC 5.1742 nHL 14512
nHL 1.6353 pFC 8.3983
Ing. Liliana M. Jorquera F.
El diseño del filtro obtenido en el software AWR Desing Enviroment 9.0 es el siguiente:
INDID=L1L=635.1 nH
PORTP=2Z=50 Ohm
PORTP=1Z=50 Ohm
CAPID=C3C=174.5 pF
CAPID=C2C=398.8 pF
CAPID=C1C=398.8 pF
INDID=L3L=635.1 nH
INDID=L2L=1451 nH
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 20 MHz
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Finalmente se acopla el filtro pasabaja de 20 MHz. Se obtiene una ganancia total del receptor de 19 dB. Representada por los impulsos en color azul. Se muestran pantalla del circuito y grafica de entrada vs. salida.
Grafica de entrada vs. salida
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
Ing. Liliana M. Jorquera F.
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