diseño de una etapa rf utilizando la herramienta awr por liliana jorquera

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


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.


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.


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,


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.


Parámetros del standard IEEE 802.16


Esquema de la Etapa RF del Receptor

BPFCID=F2LOSS=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=


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



IN OUT

LO


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


11.-Filtro 20 MHz

9

5

7 8 21 4 3 6 11

10


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.


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


puertoelenreflejadapotencia

a

bS

a

Red de dos puertos


1

2

01

221



a

bS

a

2

2

02

222


puertoelenreflejadapotencia

a

bS

a

2

1

02

112



a

bS

a


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


2

22

2

212

11

max1

1

1

1

SS

SGtu

maxmax lfs ggg

maxmax lfs GGG


-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


Se tiene otra prueba

11

21121122

2

11

SSSS

S

Mientras mas grande el valor de implica mayor estabilidad


-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


-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


-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.


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.


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.


Mezclador Operación de frecuencia up-converted

fLO

OsciladorLocal

OsciladorIF

fRF = fLO ± fIF

fIF fLO

fLO – fIF fLO + fIF


-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


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.


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



Esquema de la Etapa RF del Receptor



AMP_FID=A1DATA=""NOISE=AutoRFIFRQ=


AMP_BID=A4GAIN=10 dBP1DB=10 dBmIP3= IP2= MEASREF= OPSAT= NF=3 dBNOISE=AutoRFIFRQ=



IN OUT

LO




IN OUT

LO


1.-Filtro 2450 MHz

2.-LNA

3.-Filtro 2450 MHz

4.-MIX 374 MHz


6.-Filtro 374 MHz

7.-HP 374 MHz

8.-Filtro 374 MHz

9.- MIX 20 MHz


11.-Filtro 20 MHz

9

5

7 8 21 4 3 6 11

10

Salida en Voltaje de la Fuente de Alimentación


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


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



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


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.


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


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


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


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


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.


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


G

D

S

SS

1

2

3

4


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


Grafica entrada vs. Salida del mezclador de 374 MHz


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


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


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=C9C=0.2851 pF


Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 374 MHz


Grafica de entrada vs. Salida del filtro de 374 MHz.


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


Grafica en dB salida vs. entrada


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


Mezclador 20 MHz

Grafica de entrada vs. Salida del mezclador de 20 MHz.


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


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


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


Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 20 MHz


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


diseño de una etapa rf utilizando la herramienta awr por liliana jorquera

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