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

por Liliana Jorquera

IV Jornadas dfe Investigación y Postgrado UNEXPO

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  • 1. DISEÑO DE UNA ETAPA RF UTILIZANDO LAHERRAMIENTA AWR Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 2. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA “ANTONIO JOSE DE SUCRE” DIRECCION DE INVESTIGACION Y POSTGRADO BARQUISIMETODISEÑO DE ETAPA DE RF PARA SISTEMAS WiMAX EN VENEZUELA AUTOR: LILIANA JORQUERA TUTOR: ING. DIMAS MAVARES
  • 3. Una red inalámbrica esta constituida por un Transmisor, unReceptor y un canal (no guiado). El transmisor y el receptor secomponen principalmente de una Etapa de Banda Base y unaEtapa de RF cada uno. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 4. Una etapa RF toma la señal banda base y la procesahasta una antena transmisora, así mismo tomo la señal derecepción de la antena, procesándola de manera inversapara convertirla nuevamente en señal banda base. Lasetapas RF analógicas se diseñan para flexibilidad y nivelesde integración, estas soluciones incluyen convertidores dedatos UP/DOWN, amplificadores de RF, IF, VCO,mezcladores, entre otros. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 5. La tecnología WiMAX cuyos usos se centran en latransmisión de voz, datos y video, su disponibilidad y lagran necesidad de llevar acceso multiservicio a zonasdesasistidas hacen de esta tecnología no solo unmecanismo de competitividad, sino una herramientasocial, la cual puede ser implementada en cualquier partedel mundo. El estándar IEEE 802.16 WiMAX, definesoluciones para accesos en los rangos de frecuencia delos 2 a los 60 GHz, Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 6. Para la recopilación de estos datos se tomo en cuenta labanda ISM de 2.4 GHz. Con una frecuencia central de374MHz y un ancho de banda de 20 MHz Decidiendoutilizar la tecnología WIMAX, debido a sus bondades. Seinvestigo las principales empresas fabricantes desemiconductores, Delimitando este estudio acomponentes que operen bajo esta tecnologia. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 7. Parámetros del standard IEEE 802.16 Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 8. FCOUT= GCONV=-10 dB RFIFRQ= P1DB=10 dBm GCONV=-10 dB IP3=30 dBm AMP_B LO2OUT=-25 dB BPFC BPFC P1DB=10 dBm ID=A4 IN2OUT=-20 dB BPFB ID=F1 ID=F2 IP3=30 dBm GAIN=10 dB LO2IN=-25 dB ID=F5 LOSS=0 dB AMP_F LOSS=0 dB LO2OUT=-25 dB BPFC P1DB=10 dBm BPFB OUT2IN=-25 dB LOSS=0 dB N=3 ID=A1 N=3 IN2OUT=-20 dB ID=F3 IP3= ID=F4 PLO=10 dBm N=3 FP1=0.5 GHz DATA="" FP1=0.5 GHz LO2IN=-25 dB LOSS=0 dB IP2= LOSS=0 dB PLOUSE=Spur reference only FP1=0.5 GHz FP2=1.5 GHz NOISE=Auto FP2=1.5 GHz OUT2IN=-25 dB N=3 MEASREF= N=3 PIN=-10 dBm FP2=1.5 GHz AP=0.1 dB RFIFRQ= AP=0.1 dB PLO=10 dBm FP1=0.5 GHz OPSAT= FP1=0.5 GHz PINUSE=IN2OUTH Only AP=3.0103 dB NOISE=Auto NOISE=Auto PLOUSE=Spur reference only FP2=1.5 GHz NF=3 dB FP2=1.5 GHz NF=10 dB NOISE=Auto PIN=-10 dBm AP=0.1 dB NOISE=Auto AP=3.0103 dB NOISE=Auto PINUSE=IN2OUTH Only NOISE=Auto RFIFRQ= NOISE=Auto NF=10 dB Esquema de la Etapa RF del Receptor NOISE=Auto 1 2 3 4 6 7 8 9 11 IN OUT IN OUT LO LO 10 51.-Filtro 2450 MHz OSC_S 7.-HP 374 MHz ID=A3 NET="M" OSC_S2.-LNA PORT=1 FRQ= HARMIDX=1 8.-Filtro 374 MHz ID=A6 NET="M" PORT=1 PWR= FRQ= PHS=0 Deg HARMIDX=1 CTRFRQ= PWR=3.-Filtro 2450 MHz SMPFRQ= ZS=_Z0 Ohm T=_TAMB DegK 9.- MIX 20 MHz PHS=0 Deg CTRFRQ= SMPFRQ= NOISE=Auto ZS=_Z0 Ohm PNOISE=No phase noise 10.-Oscilador 394 MHz T=_TAMB DegK NOISE=Auto4.-MIX 374 MHz PNOISE=No phase noise5.-Oscilador 2823 MHz 11.-Filtro 20 MHz6.-Filtro 374 MHz Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 9. Amplificadores de alta frecuenciaLa amplificación es una función crítica en un receptor ytransmisor inalámbrico. Virtualmente toda microonda yamplificadores de RF usan hoy dispositivos de estadosólido de tres terminales tales como (FETS) de (AsGa)transistores de efecto de campo, arseniuro de galio otransistores bipolares (BJT) de silicón (Si) o Germaniosilicón (SiGe), heterojuntion bipolar transistor (HBTS), ytransistor de movilidad de electrón alta (HEMTS). Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 10. Parámetros necesarios para realizar el diseño de unAmplificador de alta frecuencia: -Parámetros de Scatering 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.
  • 11. Convención usada para definir los parámetros S de una red de dos puertos. Red de dos puertosEl significado de los parámetros de scatering se especifican a continuación: b1 potencia reflejada en el puerto 1 S11 a1 a2 0 potencia incidente en el puerto 1 b2 potenciatransm itid en el puerto 2 a S 21 a1 a2 0 potencia incidente en el puerto 1 Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 12. b2 potenciatransm itid en el puerto 2 aS 21 a1 a2 0 potencia incidente en el puerto 1 b2 potencia reflejada en el puerto 2S 22 a2 a1 0 potencia incidente en el puerto 2 b1 potencia transm itid en el puerto 1 aS12 a2 a1 0 potencia incidente en el puerto 2 Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 13. Ganancia de potencia unilateral máxima:Es cuando Γs = S11 y Γl = S22 . EntoncesPara ganancia máxima del transductor unilateral Zi Dispositivo Acoplamiento Acoplamiento de Redes de de Redes de Entrada D Salida Zl Vi S Gf Gs Gl Γs Zi Zo Γin Γout Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 14. 1 2 1Gtu max 2 S 21 2 1 S11 1 S 22 g s max g f gl max Gs max G f Gl max Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 15. -Pruebas de Estabilidad: La prueba de K-Δ muestra si el dispositivo es incondicionalmente estable porla condición de Rollet, definida como: 2 2 2 1 S11 S 22 K 1 2 S12 S 21 Utilizando la condición auxiliar S11 S 22 S12 S 21 1 Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 16. Se tiene otra prueba 2 1 S11 1 S 22 S11 S12 S 21Mientras mas grande el valor de implica mayor estabilidad Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 17. -Figura de Merito UnilateralCuando |S12| no es cero pero es muy pequeña, el error que ocurre debe sercalculado por la figura de merito. S12 .S 21 s l X 1 S11 s 1 S 22 l 1 Gt 1 2 2 1 X Gtu 1 X Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 18. -Círculos de Figura de Ruido ConstanteEl centro y el radio están dados respectivamente por: o c Fi 1 Ni 1 2 2 1/ 2 rFi Ni Ni 1 o 1 Ni Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 19. -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 estabilidad5.-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.
  • 20. Amplificador de Bajo-RuidoProcedimiento 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.
  • 21. 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.
  • 22. Mezclador Operación de frecuencia up-converted fLO fRF = fLO ± fIF fIF fLOOscilador fLO – fIF fLO + fIF Local Oscilador IF Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 23. -Operación de Down-converted de frecuencia fIF= fRF ± fLO Operación de frecuencia down-converted fRF fIF=fRF ± fLO fLO fRFOscilador fRF - fLO fRF + fLO RF Oscilador local Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 24. Diseño de filtros mediante el método de perdidas de inserción Este método consiste en el diseño de un filtro prototipo pasa bajasnormalizado en términos de la impedancia y la frecuencia de corte, y el uso detransformaciones para el escalamiento de las impedancias y de la frecuenciapara convertir el diseño normalizado en otro que posea la respuesta enfrecuencia y los niveles de impedancia deseados. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 25. FiltrosUtilizando el escalamiento de impedancia y la transformada de frecuencia, paralos valores de los elementos del circuito, se tiene: g1 Z 0 L1 w0 C1 w0 g1 Z 0 g2 C2 w0 Z0 Z0 L2 w0 g 2 g3 Z0 L3 w0 C3 w0 L3 Z 0 Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 26. FCOUT= GCONV=-10 dB RFIFRQ= P1DB=10 dBm GCONV=-10 dB IP3=30 dBm AMP_B LO2OUT=-25 dB BPFC BPFC P1DB=10 dBm ID=A4 IN2OUT=-20 dB BPFB ID=F1 ID=F2 IP3=30 dBm GAIN=10 dB LO2IN=-25 dB ID=F5 LOSS=0 dB AMP_F LOSS=0 dB LO2OUT=-25 dB BPFC P1DB=10 dBm BPFB OUT2IN=-25 dB LOSS=0 dB N=3 ID=A1 N=3 IN2OUT=-20 dB ID=F3 IP3= ID=F4 PLO=10 dBm N=3 FP1=0.5 GHz DATA="" FP1=0.5 GHz LO2IN=-25 dB LOSS=0 dB IP2= LOSS=0 dB PLOUSE=Spur reference only FP1=0.5 GHz FP2=1.5 GHz NOISE=Auto FP2=1.5 GHz OUT2IN=-25 dB N=3 MEASREF= N=3 PIN=-10 dBm FP2=1.5 GHz AP=0.1 dB RFIFRQ= AP=0.1 dB PLO=10 dBm FP1=0.5 GHz OPSAT= FP1=0.5 GHz PINUSE=IN2OUTH Only AP=3.0103 dB NOISE=Auto NOISE=Auto PLOUSE=Spur reference only FP2=1.5 GHz NF=3 dB FP2=1.5 GHz NF=10 dB NOISE=Auto PIN=-10 dBm AP=0.1 dB NOISE=Auto AP=3.0103 dB NOISE=Auto PINUSE=IN2OUTH Only NOISE=Auto RFIFRQ= NOISE=Auto NF=10 dB Esquema de la Etapa RF del Receptor NOISE=Auto 1 2 3 4 6 7 8 9 11 IN OUT IN OUT LO LO 10 51.-Filtro 2450 MHz OSC_S 7.-HP 374 MHz ID=A3 NET="M" OSC_S2.-LNA PORT=1 FRQ= HARMIDX=1 8.-Filtro 374 MHz ID=A6 NET="M" PORT=1 PWR= FRQ= PHS=0 Deg HARMIDX=1 CTRFRQ= PWR=3.-Filtro 2450 MHz SMPFRQ= ZS=_Z0 Ohm T=_TAMB DegK 9.- MIX 20 MHz PHS=0 Deg CTRFRQ= SMPFRQ= NOISE=Auto ZS=_Z0 Ohm PNOISE=No phase noise 10.-Oscilador 394 MHz T=_TAMB DegK NOISE=Auto4.-MIX 374 MHz PNOISE=No phase noise5.-Oscilador 2823 MHz 11.-Filtro 20 MHz6.-Filtro 374 MHz Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 27. Salida en Voltaje de la Fuente de Alimentación Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 28. Filtro Pasabanda de 2450 MHzUtilizando el escalamiento de impedancia y la transformada de frecuencia, paralos valores de los elementos del circuito, se tiene: L1 635.1nH C1 0.0066pF C2 174.5 pF L2 0.02418 nH L3 635.1nH C3 0.0066pF Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 29. El diseño del filtro obtenido en el software AWR Desing Enviroment 9.0 es elsiguiente: Filtro Pasabanda 2450MHz CAP CAP IND IND PORT ID=C5 ID=C4 ID=L4 ID=L6 P=2 C=0.006644 pF C=0.006644 pF L=635.1 nH L=635.1 nH Z=50 Ohm PORT CAP P=1 IND Z=50 Ohm ID=C6 ID=L5 C=174.5 pF L=0.02418 nH Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 30. El resultado de la respuesta en Amplitud obtenido en el software AWR DesingEnviroment 9.0 se muestra a continuación Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 2450MHz Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 31. Se acopla la fuente al filtro pasabanda diseñado de 2450 MHz, en la figura semuestra la grafica de entrada y salida. Grafica entrada vs. Salida del filtro pasabanda de 2450 MHz. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 32. Amplificador de bajo ruido (LNA) DCVS ID=V1 V=5 V CAP INDM_PROBE ID=C1 ID=L3 M_PROBEID=VP2 C=2.3 pF L=35 nH ID=VP3 SUBCKT ID=S2 2 NET="mgf1423b" IND CAP 1 ID=L2 ID=C2 L=19 nH C=2.27 pF IND 3 ID=L1 L=4.4 nH Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 33. Representación sobre la carta de Smith 90 1 120 60 trama 150 30 RS C_S1 P_ S 0 180 0 RL C_L1 P_ L 210 330 240 300 270 arg trama) ( RS C_S1 P _ S RL C_L1 P _ L Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 34. La figura muestra la salida vs. la entrada en dB. La grafica es obtenida con elsoftware AWR Design Enviroment 9.0, es la siguiente: Grafica de entrada vs. Salida del circuito LNA Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 35. Se acopla el Amplificador de Bajo Ruido, para realizar este diseño se investigo untransistor especifico con sus parámetros Scatering y este componente se creo enel 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.
  • 36. Nuevamente se adiciona un filtro pasabanda de 2450 MHz, se muestran lagrafica entrada vs. Salida. Grafica de entrada vs. Salida del segundo Filtro de 2450 MHz. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 37. Mezclador de diferencia DCVS ID=V3 V=5 V RES ID=R2 salida IF R=1000 Ohm XFMR ID=XF1 RES N=1.0 ID=R1PORT 1 o 1:n1 o 3 IF- R=1000 Ohm IF+ XFMR ID=X2 N=1 CAP ID=C1 C=5 pFP=3 1 3Z=50 Ohm 2 1:n1PIN_ID=LO 4 o o PORT BSIM3V322 2 P=2 ID=BS1 BSIM3V322 4 2 D 2 Z=50 Ohm L=0.5 um ID=BS3 D 1 3 DCVS PIN_ID=IF 1:n1 ID=SRC1 W=60 um L=0.5 um o o W=60 um V=1.5 V 1 4 4 1 2 4 G SS SS G XFMR 3 S S LO+ ID=XF2 3 LO- N=1.0PORTP=1 CAP 2 DZ=50 Ohm ID=C2 BSIM3V322PIN_ID=RF C=5 pF ID=BS2 1 4 L=0.5 um W=120 um G SS 3 S IND ID=L1 L=10 nH DCCS ID=I1 I=5.55436395034577 mA DCVS ID=V1 V=1.41732237790578 V Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 38. Grafica entrada vs. Salida del mezclador de 374 MHz Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 39. Circuitos Osciladores de 2824 MHz DCVS ID=V1 V=100 mV IND ID=L1 L=1000 nH TOM1 ID=XMFS2 CAP AFAC=1.0 ID=C2 NFING=1.0 C=10 pF 1 PORT PORT P=1 P=2 Z=50 Ohm Z=50 Ohm 2 3 RES ID=R1SRL ID=RL1 R=5 Ohm R=10 Ohm L=3.99 nH CAP ID=C1 C=0.435 pF Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 40. Filtro Pasabanda de 374MHz.Diseño de un filtro pasabanda que tiene una respuesta de igual rizo de 0.5 dBcon N=3. La frecuencia central es de 374 MHz., la fracción del ancho de bandaes de 20 MHz. Y la impedancia de acoplamiento es de 50 L1 635.1nH C1 0.2851pF C2 174.5 pF L2 1.038nH L3 635.1nH C3 0.2851pF Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 41. Filtro Pasabanda 374 MHz CAP CAP IND INDPORT ID=C10 ID=C9 ID=L10 ID=L12P=1 C=0.2851 pF C=0.2851 pF L=635.1 nH L=635.1 nHZ=50 Ohm PORT CAP P=2 IND Z=50 Ohm ID=C11 ID=L11 C=174.5 pF L=1.038 nH Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 42. Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 374 MHz Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 43. Grafica de entrada vs. Salida del filtro de 374 MHz. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 44. Amplificador de Alta Potencia de 400 MHz. DCVS ID=V2 V=5 V ACVS ID=V1 IND Mag=0.0032 V ID=L3 PORT Ang=0 Deg SUBCKT L=35 nH P=1 PORT P=2 Offset=0 V ID=S1 Z=50 Ohm Z=50 Ohm DCVal=0 V NET="mgf2407a" 2 IND CAP 1 ID=L2 CAP ID=C1 L=170 nH ID=C2 C=6.5 pF C=4.42 pF IND 3 ID=L1 L=16 nH Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 45. Grafica en dB salida vs. entrada Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 46. Se coloca a continuación el amplificador de alta potencia de 374MHz, se muestranla figura de la pantalla del software y la grafica entrada vs. Salida. Grafica de entrada vs. salida Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 47. Mezclador 20 MHzGrafica de entrada vs. Salida del mezclador de 20 MHz. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 48. Oscilador de 394 MHz. IND ID=L1 DCVS L=2e6 nH ID=V1 V=1000 mV TOM1 ID=XMFS2 AFAC=1 NFING=1 CAP ID=C2 C=10 pF 1PORTP=1 PORTZ=50 Ohm P=2 Z=50 Ohm 2 3 RES ID=R1 R=5 Ohm SRL ID=RL1 CAP R=10 Ohm ID=C1 L=84 nH C=1.6 pF Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 49. Filtro Pasabanda de 20 MHz.Diseño de un filtro pasabanda que tiene una respuesta de igual rizo de 0.5 dB conN=3. La frecuencia central es de 10 MHz., la fracción del ancho de banda es de20 MHz. Y la impedancia de acoplamiento es de 50 L1 635.1nH C1 398.8 pF C2 174.5 pF L2 1451 nH L3 635.1nH C3 398.8 pF Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 50. El diseño del filtro obtenido en el software AWR Desing Enviroment 9.0 es elsiguiente: CAP CAP PORT PORT IND IND P=1 ID=C2 ID=C1 P=2 ID=L1 ID=L3 Z=50 Ohm C=398.8 pF C=398.8 pF Z=50 Ohm L=635.1 nH L=635.1 nH CAP IND ID=C3 ID=L2 C=174.5 pF L=1451 nH Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 51. Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 20 MHz Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 52. Finalmente se acopla el filtro pasabaja de 20 MHz. Se obtiene una gananciatotal del receptor de 19 dB. Representada por los impulsos en color azul. Semuestran pantalla del circuito y grafica de entrada vs. salida. Grafica de entrada vs. salida Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 53. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 54. Ing. Liliana M. Jorquera F.
  • 55. Ing. Liliana M. Jorquera F.

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