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ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE MONDRAGON UNIBERTSITATEA
MONDRAGON UNIBERTSITATEKO GOI ESKOLA POLITEKNIKOA
Proyecto presentado en el primer semestre de 5º de Telecomunicaciones
INGENIERO EN TELECOMUNICACIONES TELEKOMUNIKAZIO INGENIARITZA
Título del Proyecto Proiektuaren izenburua
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz (WI-FI)
Autor es Egileak
PAULA ARRILLAGA ELKORO EKAITZ AZNAR VÉRTIZ AINHOA GONZALEZ ENBEITA IKER HUERGA SANCHEZ ITSASO PAREDES SUKIA
Título del Proyecto Proiektuaren izenburua
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz (WI-FI)
Nombre y apellidos de los autores Egilearen izen-abizenak PAULA ARRILLAGA ELKORO EKAITZ AZNAR VÉRTIZ AINHOA GONZALEZ ENBEITA IKER HUERGA SANCHEZ ITSASO PAREDES SUKIA Nombre y apellidos del/los director/es del proyecto Zuzendariaren/zuzendarien izen-abizenak ARRUTI, EGOITZ
Lugar donde se realiza el proyecto Proiektua egin deneko lekua MGEP
Curso académico Ikasturtea 2009/2010
ABSTRACT
The aim of this Project is to develop a radio link whose components will be
designed by a group of telecommunications engineering students. For this approach,
some commercial devices have been provided to each team in order to check how
efficient is their own radio link compared with the commercial one. Thus, to carry out
these tasks network and spectrum analyzers have been used at a signal analysis
laboratory within the Mondragon University. After have analyzed both schemas, we
realized that non commercial devices can be easily developed following certain
theories and the results obtained with these new devices are as good as the
commercial one´s.
El objetivo de este proyecto es desarrollar un radioenlace cuyos
componentes serán diseñados por un grupo de estudiantes de ingeniería en
telecomunicaciones. Para ello se han proporcionado diversos elementos comerciales
del radioenlace a cada grupo de estudiantes para que comprueben cómo de
eficiente es el radioenlace elaborado por ellos respecto al comercial. Así, para llevar
a cabo estas tareas se han utilizado un analizador de espectros y otro de redes
presentes en el laboratorio de análisis de la señal de la universidad de Mondragón.
Tras haber analizado ambos esquemas, se infiere que siguiendo ciertas teorías se
pueden diseñar fácilmente elementos no comerciales de un radioenlace, y que
además los resultados obtenidos con estos elementos son casi tan buenos como
con los elementos comerciales.
Resumen
RESUMEN
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
1
0 Resumen
En los meses comprendidos entre Diciembre y Enero de 2009 y 2010
respectivamente, se ha llevado a cabo este proyecto de investigación de carácter
interno en la universidad de Mondragón1. Este proyecto trata de dar solución técnica
a la problemática planteada.
Gracias a la solución aquí planteada, podremos realizar un radioenlace cuya
aplicación sería para los estándares 802.11b/g de Wi-Fi. De esta manera
demostramos que los componentes que forman un radioenlace para estas
aplicaciones se pueden implementar fácilmente con unos conocimientos básicos de
ingeniería en telecomunicaciones.
Esta fase de diseño del sistema comprende el estudio y comprensión del
alcance de las tecnologías en las que se fundamenta. Por otra parte, la fase de
desarrollo comprende la codificación de las funcionalidades más características de
los componentes. Este trabajo revela la flexibilidad y el potencial de las novedades
tecnológicas emergentes que se emplearán. El análisis espectral y de dos puertas
de los diferentes dispositivos nos sirve para poder caracterizar el radioenlace
formado por elementos no comerciales. Teniendo en cuenta estos factores se
pretenden establecer las bases que permitan no sólo llevar a cabo la
implementación de los dispositivos, sino también la respuesta en frecuencia de los
mismos.
1 http://www.modragon.edu
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
2
Índice
ÍNDICE
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
3
1 Índice
0 Resumen ___________________________________________ ________________________ 1
1 Índice ____________________________________________ __________________________ 3
2 Introducción ______________________________________ __________________________ 6
2.1 Antecedentes ______________________________________ _______________________________ 6
2.2 Estado del arte ____________________________________ _______________________________ 8
2.3 Objetivos _________________________________________ _______________________________ 9
2.4 Fases del proyecto ________________________________ _______________________________ 10
3 Desarrollo ________________________________________ _________________________ 11
3.1 El entorno: MGEP ____________________________________ ____________________________ 11
3.2 Fase de investigación _____________________________ ________________________________ 11
3.3 Fase de definición de requisitos __________________ __________________________________ 12
3.3.1 Oscilador Controlado por Tensión (VCO) _____________________________________________________13
3.3.2 Amplificador ____________________________________________________________________________15
3.3.3 Antena ________________________________________________________________________________19
3.3.4 Derivador de potencia (splitter) _____________________________________________________________20
3.3.5 Mezclador ______________________________________________________________________________21
3.4 Fase de desarrollo_________________________________ _______________________________ 23
3.4.1 Derivador de Potencia ____________________________________________________________________23
3.4.2 Filtro Paso Banda ________________________________________________________________________25
3.4.3 Antena ________________________________________________________________________________27
4 Validación ________________________________________ _________________________ 30
4.1 Radioenlace con Componentes Comerciales ___________ _______________________________ 31
4.2 Radioenlace con Componentes Propios ________________ ______________________________ 32
5 Conclusiones y líneas futuras _____________________ ____________________________ 36
5.1 Conclusiones ______________________________________ ______________________________ 36
5.2 Definición de Líneas futuras ______________________ _________________________________ 37
6 Bibliografía ______________________________________ __________________________ 39
7 Anexos ____________________________________________ ________________________ 41
7.1 Anexo I: Caracterización Elementos Comerciales _____ _________________________________ 42
1.1 Mezclador ZFM-4212 ________________________________ ______________________________ 42
ÍNDICE
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
4
1.2 Antena ____________________________________________ _____________________________ 51
1.3 Splitter ___________________________________________ ______________________________ 54
1.4 Amplificador ______________________________________ ______________________________ 59
1.5 Oscilador Controlado por Tensión (VCO) _____________ ________________________________ 73
7.2 Anexo II: Diseño y Caracterización de los Component es Propios _________________________ 83
1.1 Filtro Paso Banda __________________________________ ______________________________ 83
1.2 Splitter ___________________________________________ _____________________________ 101
1.3 Antena ____________________________________________ ____________________________ 113
7.3 Anexo III: Radioenlace Comercial __________________ ________________________________ 120
7.4 Anexo IV: Radioenlace con Elementos Propios _________ _____________________________ 128
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
5
Introducción
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
6
2 Introducción
2.1 Antecedentes
La especie humana es de carácter social, es decir, necesita de la
comunicación.
Así, desde los inicios de la especie, la comunicación fue evolucionando hasta
llegar a la más sofisticada tecnología, para lograr acercar espacios y tener mayor
velocidad en el proceso.
Las primeras manifestaciones en la comunicación de la especie humana
fueron la voz, las señales de humo y sus dibujos pictóricos; posteriormente al
evolucionar, fue la escritura, el elemento que permitió desarrollar las culturas que
hoy se conocen.
Con el desarrollo de las civilizaciones y de las lenguas escritas surgió también
la necesidad de comunicarse a distancia de forma regular, con el fin de facilitar el
comercio entre las diferentes naciones e imperios.
Las antiguas civilizaciones utilizaban a mensajeros, mas adelante, se utilizó al
caballo y a las palomas mensajeras; con el invento de la rueda esto casi
desapareció.
A partir de que Benjamin Franklin demostró, en 1752, que los rayos son
chispas eléctricas gigantescas, descubrimiento de la electricidad; grandes inventos
fueron revolucionando este concepto, pues las grandes distancias cada vez se
fueron acercando. 1836 año en que Samuel F. B. Morse creo lo que hoy conocemos
como Telégrafo. Tomas Edison, en 1874, desarrolló la telegrafía cuádruple, la cual
permitía transmitir dos mensajes simultáneamente en ambos sentidos.
A pesar de este gran avance, no era suficiente lo que lograba comunicar, es
decir, esto era insuficiente pues se requería de algún medio para la comunicación de
la voz. Ante esto, surge el teléfono, inventado por Alexander Graham Bell, que logra
la primera transmisión de la voz en 1876.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
7
Así los primeros sistemas telegráficos y telefónicos utilizaban cable para
lograr la transmisión de mensajes. Con los avances en el estudio de la electricidad,
el físico alemán Heinrich Hertz, en 1887 descubre las ondas electromagnéticas,
estableciendo las bases para la telegrafía sin hilos. En 1897 Guglielmo Marconi crea
los primeros sistemas de radiocomunicaciones.
Desde la invención de Marconi, hasta los años 40, la tecnología de las
antenas se centró en elementos radiantes de hilo, a frecuencias hasta UHF.
Inicialmente se utilizaban frecuencias de transmisión entre 50 y 100 kHz, por lo que
las antenas eran pequeñas comparadas con la longitud de onda. Tras el
descubrimiento del tríodo por De Forest, se puedo empezar a trabajar a frecuencias
entre 100 kHz y algunos MHz, con tamaños de antenas comparables a la longitud de
onda.
A partir de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron nuevos elementos
radiantes como guías onda, bocinas, reflectores, etc. Una contribución muy
importante fue el desarrollo de los generadores de microondas (como el magnetrón y
el klystron) a frecuencias superiores a 1 GHz
En las décadas de 1960 a 1980 los avances en arquitectura y tecnología de
computadores tuvieron un gran impacto en el desarrollo de la moderna teoría de
antenas.
Desde entonces ha seguido evolucionando, adaptándose tanto en forma
como en tamaño, a las necesidades de la humanidad. Por lo que en un futuro
cercano cabe pensar que seguirá siendo así y que las nuevas tecnologías y
materiales ayudarán a conseguir unas mejores antenas y a menor coste.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
8
2.2 Estado del arte
En este proyecto de quinto de ingeniería de Telecomunicaciones, de la
universidad de Mondragón, se ha diseñado un radioenlace. Para llevar a cabo el
proyecto, se han implicado conceptos de las siguientes asignaturas: Dispositivos y
Circuitos de Alta Frecuencia, Antenas y Propagación e Instrumentación Electrónica.
Dicho proyecto, se ha dividido en varias fases; adquirir los conocimientos básicos
de la caracterización de cada dispositivo del radioenlace comercial, diseñar cada
dispositivo del radioenlace y caracterizar todo el radioenlace diseñado.
El radioenlace ha sido diseñado para una aplicación en WIFI, a la frecuencia de
2.4GHz. Los dispositivos utilizados tanto en el emisor como en el receptor, se
muestran en la figura 1 y 2 respectivamente.
Figura 1. Componentes emisor
Generador RF
mezclador
oscilador
amplificador
antena
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
9
Figura 2. Componente receptor
2.3 Objetivos
El éxito del proyecto depende del grado de consecución de los objetivos que
consisten, a grandes rasgos, en los siguientes requerimientos:
• Estudio de los dispositivos utilizados (antena, filtro, mezclador RF,
splitter )
• Caracterización de los dispositivos comerciales
• Diseño de la antena, filtro y splitter
• Caracterización de los dispositivos diseñados
• Caracterización del radioenlace con los dispositivos diseñados
A continuación se presenta una descripción de mayor detalle de cómo se ha
dado solución a cada uno de los objetivos.
El primer paso es analizar los componentes comerciales que se nos han
proporcionado para la realización de este proyecto. Realizando las mediciones
anten amplificado
mezclado
oscilado
Analizador de
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
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oportunas tanto en el analizador de redes como en el de espectros, pudimos definir
los requisitos necesarios mínimos que los elementos no comerciales debían cumplir
para que la calidad del radioenlace fuera óptima.
En segundo lugar, diversas técnicas de implementación de dispositivos tales
como filtros, antenas y splitter se han tenido en cuenta a fin de elegir la que mejor se
ajustara al diseño. Dado que la frecuencia de trabajo se encuentra en la banda
UHF23, es decir 2.4GHz, tanto el splitter como el filtro paso banda y la antenas se
han implementado usando líneas microstrip.
Por último hemos comparado la eficiencia de ambos sistemas, el radioenlace
con los dispositivos comerciales y el que utiliza los dispositivos que previamente
habíamos diseñado.
2.4 Fases del proyecto
El ámbito de este proyecto cubre el diseño e implementación de los diferentes
componentes que forman el radioenlace así como la caracterización de ambos
sistemas.
A efectos prácticos, estas dos grandes fases se dividen en cuatro subfases
necesarias correspondientes a:
• Fase de investigación: Esta primera fase sirve como toma de contacto con las
tecnologías en las que se sustenta la implementación de los dispositivos.
• Fase de definición de requisitos: Tiene lugar principalmente una vez que se
han caracterizado los elementos comerciales que marcarán las necesidades a
cubrir por los elementos propios.
• Fase de implementación y desarrollo: Se definen las tareas a llevar a cabo
por cada uno de los componentes del equipo, y se procede a su desarrollo.
2 http://noticias.juridicas.com/articulos/15-Derecho%20Administrativo/200709-25638998711254235235.html
3 http://www.mityc.es/telecomunicaciones/Espectro/Paginas/index.aspx
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
11
• Fase de validación: Testeo del hardware creado y comparación con el
sistema formado por elementos comerciales, así como establecimiento de las
líneas futuras del proyecto.
3 Desarrollo
3.1 El entorno: MGEP
La Escuela Politécnica Superior inicio su actividad en 1943. Sus ámbitos de
docencia van desde la mecánica hasta las telecomunicaciones pasando por la
electrónica, la informática y el diseño industrial.
MGEP cuenta con diferentes equipos de I+D, en estrecha colaboración con
profesionales y entidades del sector industrial, lo que la sitúa en un lugar privilegiado
a la hora de formar alumnos ajustándose a las necesidades que demanda la
sociedad en su doble vertiente educativo-empresarial.
3.2 Fase de investigación
Como bien se ha establecido en apartados anteriores, esta primera fase ha
consistido en el aprendizaje de las técnicas básicas que permitirán desarrollar este
proyecto. Se trata de una fase fundamental y de vital importancia de cuyo desarrollo
exitoso depende el resto del proyecto.
Dado que el objetivo principal del proyecto era el diseño de un derivador de
potencia, un filtro paso banda y una antena utilizando líneas de transmisión, en
primer lugar tuvimos que entender cómo se utilizan estas líneas de transmisión para
transmitir las señales de microondas.
El Microstrip consiste en una franja de un material conductor separada de la
franja de masa por una capa de sustrato eléctrico. En función de la longitud de estas
líneas, conseguimos que tengan una impedancia y una inductancia determinadas. Y
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
12
en función de la separación que haya entre dos de estas líneas se forman diferentes
capacitancias. Estas líneas se construyen sobre placas de circuito impreso
denominadas por sus siglas en inglés PCB.
Una vez comprendido el mecanismo de funcionamiento de las líneas de
transmisión y cómo se pueden formar elementos tales como resistencias, bobinas y
condensadores a partir de estas líneas, continuamos investigando acerca de cuál
era la técnica óptima para diseñar los circuitos que eran necesarios para la
realización de dicho proyecto.
Pero antes tuvimos que definir los requisitos que cada uno de estos
componentes debía cumplir para que el funcionamiento de todo el sistema fuera el
deseado.
3.3 Fase de definición de requisitos
Después de que el alumno se hubo formado en las principales tecnologías
que abarca este proyecto, tuvo lugar la definición de los requisitos necesarios para
que el sistema se comportara según lo acordado con el cliente, en este caso la
propia universidad.
Como hemos comentado en apartados anteriores, los requisitos de los
diferentes componentes del sistema vienen determinados por la caracterización de
los elementos comerciales que se proporcionaron. Ya que uno de los objetivos del
proyecto es que los elementos diseñados por los alumnos fueran tan buenos e
incluso mejores que los elementos comerciales. En la tabla 1 a continuación
podemos ver la referencia de los componentes comerciales facilitados. Todos ellos
del fabricante Mini-circuits4
4 http://www.minicircuits.com/
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
13
Dispositivo Unidades Modelo Oscilador 1 ZX95-2500 Amplificador 2 ZX60-6013E-S+ Mezclador1 1 ZFM-4212 Mezclador2 1 ZX05-30W
Splitter 1 ZX10-2-25 Antena 1
Tabla 1. Elementos comerciales
Para caracterizar estos componentes se ha hecho uso de los analizadores de
redes y de espectros disponibles en el laboratorio de análisis de la señal de MGEP.
En las secciones a continuación aparecen de forma más detallada la caracterización
de cada uno de los elementos comerciales. Para mayor información sobre cómo se
han realizado las mediciones dirigirse al Anexo I del presente documento.
3.3.1 Oscilador Controlado por Tensión (VCO)
El oscilador que se facilitó fue el ZX95-2500 de Mini-circuits. A pesar de que
en el datasheet5 del propio fabricante aparecen los parámetros principales del
oscilador, se ha decidido realizar las mediciones oportunas para comprobar que se
correspondían con la realidad.
5 http://www.htmldatasheet.com/mini/zx952500s.htm
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
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Después de realizar las mediciones oportunas en el analizador de espectros
se vio que los valores obtenidos en nuestras mediciones distaban muy poco de los
que el propio fabricante proporciona en el datasheet del componente. Estas
comparaciones pueden verse en la tabla a continuación.
Valores obtenidos Valores teóricos
Voltaje de
sintonización
(V)
Frecuencia(GHz) Potencia(dBm) Frecuencia(GHz) Potencia(dBm)
3 1.595 6.1 1.589 6.8
7 2.01 6.73 1.995 7.49
12 2.4475 6.625 2.433 7.3
14 2.583 6.6 2.5718 7.25
Tabla 2. Comparación resultados VCO
Estas diferencias en los resultados pueden deberse a diversos factores.
Puede que el analizador de espectros necesite ser calibrado, o que las fuentes de
alimentación empleadas en las mediciones tengan pérdidas o no sean tan precisas
como las utilizadas por el propio fabricante para realizar las mediciones.
Otro parámetro importante a tener en cuenta en un oscilador es la potencia
que tienen los armónicos de la fundamental. Recordad que los armónicos son
múltiplos de la frecuencia fundamental y que la potencia de los mismos se mide en
dBc, es decir cuántos dB de diferencia hay entre la potencia de la fundamental y la
de los armónicos. La comparación de los resultados obtenidos con los valores
especificados en el datasheet aparece en la tabla a continuación.
Valores teóricos Valores obtenidos
Harmónicos (dBc) -16.7 -16.72
Tabla 3. Valores armónicos VCO
Como se puede observar, los resultados obtenidos son prácticamente
idénticos a los que aparecen en las especificaciones del fabricante.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
15
Por último se ha medido el ruido de fase del oscilador. Teóricamente, el tono
en frecuencia que se obtuvo debería de ser un impulso a una frecuencia
determinada. Pero además de este impulso se obtuvieron otros tonos de menor
frecuencia que este a ambos lados del tono fundamental. Esto se debe a que
además de las variaciones lineales de la fase, se le añaden una serie de variaciones
aleatorias que producen estos tonos. La comparación entre las mediciones y las que
aparecen en las especificaciones del fabricante aparecen en la tabla a continuación.
Ruido de fase en dBc/Hz para frecuencias en kHz
Frecuencia (kHz) 10 100 1000
Valores obtenidos
(dBc/Hz)
-40.31 -81.2 -87.52
Valores teóricos
(dBc/Hz)
-91 -112 -132
Tabla 4. Ruido de fase del VCO
Las variaciones que se observan entre los valores teóricos y reales se deben
a que las mediciones tuvieron que ser realizadas con un ancho de banda de
resolución mayor, por lo que se pierde precisión en la medida.
3.3.2 Amplificador
El amplificador que se facilitó fue el ZX60-6013E-S+ de Mini-circuits. De la
miSMA manera que se hizo con el oscilador, a pesar de disponer del datasheet6 que
proporciona el fabricante, se dicidió realizar las mediciones con el fin de obtener los
valores que más se ajustasen a la realidad de los aparatos de medida que se
disponian. De esta manera se puedieron definir los requisitos de los componentes
que debíamos diseñar de una manera más precisa.
En primer lugar se midió el punto de compresión de un dB. En teoría la
ganancia de un amplificador debe de ser lineal y no depender de la potencia de la
señal de entrada, pero en la realidad hay un punto en el que para un determinado
6 www.minicircuits.com/pdfs/ZX60-6013E+.pdf
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
16
valor de la señal de entrada la ganancia del amplificador se ve reducida en un dB.
Esto se conoce como el dB de compresión. Los valores de las mediciones realizadas
aparecen en la tabla a continuación.
Potencia_in (dBm) Potencia_out (dBm) Ganancia (dB)
-9.5 1.5 11
-8.5 2.5 11
-7.5 3.3 10.8
-6.5 4.2 10.7
-5.5 5.2 10.7
-4.5 5.6 10.1
-4.3 5.7 10
Tabla 5. 1dB de compresión del amplificador comercial
Como podemos observar en la tabla, para una potencia de entrada de -
4.3dBm la ganancia del amplificador pasa de ser 11dB a ser 10dB, por lo que se ha
visto reducida en 1dB como hemos explicado anteriormente.
Dado que este amplificador iba a ser utilizado en una transmisión RF era
necesario saber cuánto amplifica los armónicos y las intermodulaciones de la señal
modulada. Recordemos que la portadora será la encargada de transportar a través
del medio de transmisión la información de la señal moduladora. Para ellos, ambas
señales se mezclan utilizando un splitter, lo que produce armónicos e
intermodulaciones.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
17
En el caso de las intermodulaciones, las mediciones que se realizaron
mediante el analizador de espectros aparecen detalladas en la tabla a continuación.
INTERMODULACIONES
f1=2.4GHz
f2= 0.5GHz
Frecuencia (GHz)
Potencia (dBm)
Segundo orden
F1-f2=1.898
F1+f2=2.903
-12
-15
Tercer orden
f1-2f2=1.4
-13
Cuarto orden
f1-3f2=0.9
-31.63
Tabla 6. Potencia de las intermodulaciones amplificadas.
La siguiente medición que se hizo del amplificador haciendo uso del
analizador de espectros fue la potencia de los armónicos una vez amplificados. En el
apartado anterior se ha mencionado lo que son los armónicos por lo que no será
necesario hacerlo de nuevo. Los valores de las mediciones aparecen en la tabla a
continuación.
ARMÓNICOS
f= 0.5GHz
Frecuencia (GHz)
Potencia (dBm)
Segundo orden
2*f=1
-15.64
Tercer orden
3*f=1.5
-21
Tabla 7. Potencia de los armónicos amplificados
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
18
Como podemos observar la potencia del segundo armónico es unos 23dB
más pequeña que la de la señal fundamental, lo que lo convierte en un elemento
óptimo para los sistemas de comunicación por radiofrecuencia.
Otro parámetro importante para los amplificadores RF es el IP3. Es un punto
teórico en el que la potencia de la fundamental es igual a la potencia de la
intermodulación de tercer orden. Para obtenerlo, se han realizado dos mediciones
para diferentes potencias de la señal de entrada. Con ello podemos obtener la recta
que une ambos puntos para cada señal y obtener el punto teórico en el que ambas
rectas se cortarían. Las siguientes tablas muestran los valores de las mediciones
que realizamos. Una vez obtenidas las rectas, se dedujo que la potencia de la señal
de entrada debía ser de 5.45dBm para que esto ocurriera.
FRECUENCIA (GHz) POTENCIA IN (dBm) POTENCIA OUT
(dBm)
FUNDAMENTAL 2.4 -5 2.5
INTERMODULACIÓN
3er ORDEN
2.2 -5 -30.5
Tabla 8. Primera medición para obtener el IP3
FRECUENCIA (GHz) POTENCIA IN (dBm) POTENCIA OUT
(dBm)
FUNDAMENTAL 2.4 -10 -2.4
INTERMODULACIÓN
3er ORDEN
2.2 -10 -48
Tabla 9. Segunda medición para obtener el IP3
Por último debimos realizar la medición de los parámetros S del amplificador.
Para ello se ha utilizado el analizador de redes disponible en el laboratorio de
análisis de la señal de la universidad de Mondragón.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
19
Los valores de estos parámetros para la frecuencia de trabajo del sistema que
recordemos es de 2.4GHz, aparecen detallados en la siguiente tabla.
Medida (dB)
S11
S12
S21
S22
-22.35
-20.37
12.9
-38.08
Tabla 10. Parámetros S del amplificador.
3.3.3 Antena
La antena comercial que se ha proporcionado para este proyecto es un dipolo
de longitud de λ/2, preparada para trabajar a una frecuencia de 1.9GHz. Dado que la
funcionalidad principal de una antena es radiar toda la energía posible, por
consiguiente el coeficiente de reflexión a la entrada, S11, ha de ser lo menor posible
para que no se refleje nada en la entrada.
Para ello, se realizaron las medidas oportunas de la antena utilizando el
analizador de redes del laboratorio de análisis de la señal. Los resultados que se
muestran en la tabla a continuación corresponden con el valor del parámetro S11 o
coeficiente de reflexión a la entrada, para diferentes frecuencias de trabajo.
Potencia (dB) 1.9GHz Potencia (dB) 2.4GHz Potencia (dB) 2.49GHz
S11 -51.64 -16.32 -21.20
Tabla 11. Parámetro S11 de la antena comercial
Como podemos observar, los resultados de la tabla anterior corroboran lo
dicho anteriormente. La frecuencia de trabajo para la que esta antena ha sido
diseñada es 1.9GHz ya que es en esta frecuencia donde el coeficiente de reflexión a
la entrada es menor.
En segundo lugar se tuvo que comprobar cuál es la impedancia de entrada de
la antena, para así poder adaptar los circuitos correspondientes para lograr la
máxima transferencia de potencia posible. Para ello se ha utilizado el analizador de
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
20
redes y se pudo comprobar en la carta de Smith que la antena estaba adaptada para
cincuenta ohmios. Los valores de las mediciones aparecen en la tabla a
continuación.
1.9GHz 2.4GHz 2.49GHz
Zin 50-j*66.67*e-03 -48.48-j*15.10 49.61-j*10.80
Tabla 12. Impedancia de entrada de la antena comercial
3.3.4 Derivador de potencia (splitter)
El derivador de potencia que se ha proporcionado en este proyecto ha sido el
ZX10-2-25 de Mini-circuits. Al igual que se hizo con los componentes comerciales
anteriores, a pesar de que el fabricante proporciona un datasheet7 detallando los
valores de los diferentes parámetros, se ha decidido realizar las medidas oportunas
con los aparatos de medida.
Cabe recordar que un derivador de potencia es un dispositivo que divide la
potencia de entrada entre sus dos salidas. Uno de los parámetros más importantes y
el primero que ha sido medido fue el aislamiento entre la entrada y las salidas del
derivador de potencia. La tabla a continuación muestra la comparación entre los
valores medidos y los que aparecen en el datasheet del fabricante para la frecuencia
de trabajo del sistema, 2.4GHz.
Valores teóricos(dB) Valores reales(dB)
Isolation -23 -18.77
Tabla 13. Aislamiento del Derivador de Potencia
Como podemos observar en la tabla, la diferencia entre ambas es
considerable, pero si echamos un vistazo al datasheet del fabricante vemos que
ellos sólo garantizan un aislamiento de 10dB y dan el valor de 23dB como el valor
típico.
7 http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/Z/X/1/0/ZX10-2-25.shtml
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
21
El siguiente valor que se midió fueron las pérdidas de inserción. Esto es,
cuánto pierde la señal de entrada por introducirla en el circuito de dos puertas. Para
realizar esta medición hay que tener en cuenta que los cables que han sido
utilizados para conectar el derivador con el generador de señales y con el analizador
de espectros también tienen pérdidas. Una vez realizadas las mediciones oportunas
se ha llegado a la conclusión de que estas pérdidas son de 1.66dB para los
conectores SMA utilizados.
La tabla a continuación muestra la comparación entre los valores de las
pérdidas de inserción que el fabricante muestra en su datasheet y los que ha sido
medido en la práctica.
Valores teóricos(dB) Valores reales(dB)
Pérdidas
Inserción
.09 0.7
Tabla 14. Pérdidas de Inserción del Derivador de Potencia
Como podemos observar en la tabla, la medida realizada mejora el valor típico que el fabricante especifica en el datasheet del componente.
3.3.5 Mezclador
Un mezclador RF es en realidad un multiplicador de frecuencias.
Matemáticamente es relativamente sencillo deducir la salida del mezclador en
función de las entradas si tomamos las entradas como funciones de onda. Son
dispositivos no lineales cuyo estudio y diseño lleva implícito una gran carga de
trabajo.
El mezclador que se proporcionó para el desarrollo de este proyecto fue el
ZX42-12 de Mini-cricuits. A pesar de que el fabricante dispone de un datasheet8. Al
igual que ocurriera con el resto de componentes comerciales, se ha decidio realizar
las mediciones con el fin de ajustar a los instrumentos de medida de los que se
disponían en el laboratorio de análisis de la señal de la universidad de Mondragón.
8 www.datasheet4u.com/.../ZFM-4212_Mini-Circuits.pdf.html
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
22
En primer lugar se midió la ganancia o pérdidas de conversión del mezclador
cuyos resultados aparecen en la tabla a continuación.
Frecuencia (GHz) Potencia (dBm)
2.4 GHz(OL) 7
0.012 GHz (IF) -10
Tabla 15.Ganacia o pérdidas de inserción del mezclador
Las frecuencias a las que se realizaron las mediciones son con las que
se va trabajar en la aplicación. Recordemos que es una aplicación Wi-Fi para el
802.11b/g cuyo ancho de banda del canal es de 22MHz.
Otro parámetro importante para caracterizar un mezclador es el aislamiento
entre sus entradas y la salida. Para ello se tuvo que medir el aislamiento entre OL y
RF y el aislamiento entre OL e IF. Los resultados obtenidos en la medición son los
que aparecen en la tabla a continuación, en los que aparece la comparación entre
los valores que aparecen en el datasheet del fabricante y los medidos con los
instrumentos de medida.
Valores medidos (dB) Valores teóricos (dB)
2.4 GHz(OL-RF) 26.61 25
2.4 GHz (OL-IF) 14.063 18
Tabla 16. Comparación aislamiento mezclador comercial y propio
Como vemos, una vez más los valores medidos difieren de los
proporcionados por el fabricante por lo que ha sido conveniente realizar las medidas
oportunas a pesar de disponer del datasheet del fabricante.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
23
3.4 Fase de desarrollo
El sistema de transmisión/recepción por radiofrecuencia está compuesto por
una serie de dispositivos de los cuales el derivador de potencia, el filtro paso banda
y la antena emisora fueron diseñados e implementados mediante líneas de
transmisión.
En esta fase se contemplan las técnicas utilizadas en el diseño e
implementación de tales dispositivos, así como el software utilizado para estas
mismas tareas. En los apartados a continuación se trata brevemente el diseño e
implementación de cada uno de los componentes antes mencionados. Se hace
especial hincapié en la comparación de cada elemento con su homónimo comercial,
salvo en el caso del filtro paso banda del cual no se dispone de elemento comercial.
Todo el proceso de diseño aparece de forma más detallada en el Anexo II.
3.4.1 Derivador de Potencia
Una vez analizados diferentes tipos de circuitos, se ha decidido diseñar un
divisor de Potencia Wilkinson, puesto que es el que mejor se ajusta a las
especificaciones requeridas.
El divisor de potencia Wilkinson es una clase específica de divisor de potencia
que puede lograr el aislamiento entre los puertos de salida, manteniendo al mismo
tiempo una condición correspondiente en todos los puertos. El diseño puede ser
utilizado también como un combinador de potencia, ya que está compuesto de
componentes pasivos y, por tanto, recíproca.
El principal distintivo del divisor Wilkinson es el uso de resistencias
conectadas entre las puertas de salida. Cuando los puertos de salida están cargados
con las llamadas “impedancias de diseño (Zo)”, no circula corriente por la resistencia
R, por lo que no aparecen pérdidas disipativas en el dispositivo. En el caso de cargar
con impedancias distintas a la “impedancias apropiadas”, parte de la potencia
reflejada será absorbida por la resistencia y parte irá a la puerta de entrada pero
nunca a las otras puertas de salida.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
24
Para llevar a cabo este diseño se ha utilizado el software que Digilent
desarrolla para el diseño e implementación de dispositivos RF llamado Advanced
Design System9 (ADS). Mediante esta herramienta se pudo diseñar en primera
instancia el circuito correspondiente al divisor mediante líneas de transmisión.
Posteriormente se utilizó otra herramienta de ADS denominada Momentum10 que
permitió portar este diseño a una placa de circuito impreso con el substrato
específico.
A pesar de que se tuvieron que realizar diversos diseños debido a que al
pasar del simulador al substrato los resultados variaban, el resultado final obtenido
mejora si cabe las mediciones realizadas sobre el derivador de potencia comercial
que se proporcionó. La tabla a continuación muestra la comparación entre el
derivador comercial y el que se ha implementado.
Componente comercial(dB) Componente Propio(dB)
Isolation --18.77 -23.68
Tabla 17. Comparación Aislamiento Derivador Comercial y Propio
Como se observa en la tabla 17, el derivador de potencia Wilkinson que se ha
implementado mejora el aislamiento en 5dB para la frecuencia de trabajo del sistema
que es de 2.4GHz.
De la misma manera se midieron las pérdidas de inserción del derivador
diseñado para este proyecto. Para ello se realizaron las mediciones oportunas en el
analizador de espectros. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla.
Componente Comercial(dB) Componente Propio(dB)
Pérdidas
Inserción
0.7 3.37
Tabla 18. Comparación Pérdidas de Inserción Derivador Comercial y Propio
9 http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?cc=US&lc=eng&ckey=1297113&nid=-
34346.0.00&id=1297113 10
www.agilent.com/find/eesof-momentum
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
25
En conclusión, el derivador de potencia que se diseñó utilizando las
herramientas ADS y Momentum de Agilent mejora el derivador comercial que se
proporcionó al comienzo del proyecto en cuanto al aislamiento entre las diferentes
entradas y salidas. Mientras que atenúa la señal de entrada 2.5dB más que el
componente comercial, como se pidió en las especificaciones.
3.4.2 Filtro Paso Banda
La función del filtro paso banda en recepción es eliminar todas las señales
que no pertenezcan al canal de trabajo, esto es desde 2.4GHz hasta 2.422GHz.
Dado que el ancho de banda del canal es de 22 MHz, éste debería de ser también.
Tras estudiar las diferentes opciones que habia para diseñar el filtro paso
banda, se optó por un filtro de orden tres de Chebyshev que cumplía los requisitos
del sistema. Para diseñar el filtro, se han utilizado microtiras (microstrip). Su uso
tiene un gran auge para aplicaciones en las que el tamaño reducido es importante y
las frecuencias son elevadas, principalmente en los rangos de microondas y ondas
milimétricas.
Algunas de las ventajas que este tipo de diseño puede ofrecer son: tendencia
a la miniaturización al lograr los dispositivos cada vez más pequeños y fáciles de
integrar tanto a superficies planas como no planas, sencillas, de fácil producción en
masa.
Para diseñar un filtro con microtiras, lo primero que se ha de decidir es la
atenuación deseada para poder elegir el orden del filtro. Tras seguir una serie de
pasos especificados en el Anexo II se ha implementado un filtro de Chebyshev de
orden tres.
Después de haber calculado los valores de las impedancias necesarias para
el diseño del filtro, se han traducido las distancias para las líneas acopladas
haciendo uso de la herramienta LineCalc que dispone el ADS. Como se trata de un
filtro de tercer orden impar y es simétrico, se ha realizado la operación dos veces.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
26
Tras haber realizado el diseño, el siguiente paso es comprobar si la
simulación cumple las condiciones requeridas.
Tras realizar varias simulaciones se ha comprobado que la respuesta no es
tan exacta como se esperaba. En los cálculos se ha impuesto un ancho de banda de
22 MHz y en la simulación es de 35 MHz y la frecuencia a la que se ha diseñado es
de 2.4 GHz. En cambio en la simulación es de 2.398 GHz. Aún así, como la
atenuación es bastante pequeña, se ha decidido probarlo.
Por lo que lo siguiente que se ha hecho ha sido generar el circuito y ver su
respuesta en el “Momentum” mediante la opción “Generate/Update Layout”. Tras
realizar estos cálculos y pasar el circuito diseñado a una placa de circuito impreso se
pudo comprobar que los resultados obtenidos en las simulaciones distan bastante de
los que en la realidad se obtienen. Esto se debe principalmente a la capacitancia
que se crea entre las diferentes líneas de transmisión. Estas capacitancias alteran
por completo los parámetros de diseño del filtro.
Tras varias modificaciones y diseños sobre placas de circuito impreso se
consiguió un filtro paso banda con los parámetros que se ven en la tabla a
continuación.
Parámetro de caracterización del Filtro Paso Banda
Ancho de banda a 3dB 69.28MHz
Retardo de Grupo 6.340ns
Retardo de Fase 23.09º
Tabla 19. Parámetros de caracterización del filtro pasa banda
A pesar de que el ancho de canal de Wi-Fi es de 22MHz, el mejor filtro que se
pudo obtener de entre todos los que se diseño tenía un ancho de banda a 3dB de
69.28MHz. Esto quiere decir que no se ha podido hacer el filtro tan selectivo como
se pretendía en un principio y en una aplicación real puede que se interfiriera con la
información que se transmitiera por diferentes canales al que se utiliza.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
27
El retardo de grupo y el retardo de fase son dos parámetros fundamentales a
la hora de caracterizar un filtro. El primero determina lo que le cuesta a la señal
atravesar el dispositivo. En teoría este tiempo debería de ser cero, pero como se ve
en la realidad es de 6.340ns. El segundo parámetro indica lo siguiente. En teoría la
señal a la entrada del filtro debería de estar en fase con la señal a la salida. Pero en
la realidad los componentes pasivos que forman un filtro paso banda introducen un
retardo de fase, que en este caso es de 23.09º.
Por último, utilizando el analizador de redes se midieron los parámetros S del
filtro paso banda que se implementaron para cumplir con los requisitos que se
solicitan en este proyecto. Los valores obtenidos en las mediciones se pueden ver
en la tabla a continuación.
Medida (dB)
S11 --4.171
S12
S21
S22
-14
-14.37
-3.568
Tabla 20. Parámetros S del filtro Propio
3.4.3 Antena
Uno de los requisitos del proyecto era que la antena estuviese diseñada
utilizando líneas de transmisión. Por lo que tras evaluar diversas opciones se optó
por diseñar e implementar una antena del tipo patch o parche. Estas antenas deben
su nombre al hecho de que consiste en un parche de metal suspendido sobre un
plano de tierra. Estas antenas son muy simples de fabricar y de modificar y adaptar
a diferentes aplicaciones. Son el tipo de antena de líneas de transmisión descritas
por Howell11, las cuales son una línea de transmisión del tipo microstrip de
aproximadamente la mitad de la longitud de onda.
11
Microstrip Antennas," IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, Williamsburg Virginia,
1972 pp. 177-180
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
28
El mecanismo de radiación surge de las discontinuidades de cada eje
truncado de la línea de transmisión microstrip. Para obtener una condición resonante
en el punto de entrada de la antena se utiliza una sección de línea de transmisión
menor a la mitad de la longitud de onda.
Una antena del tipo patch o parche está generalmente construida sobre un
substrato dieléctrico, normalmente se emplea el mismo tipo de substrato litográfico
empleado para la fabricación de placas de circuito impreso.
La antena tipo parche desarrollada para esta aplicación es una antena del tipo
rectangular. Este tipo de antenas son las más empleadas de todas las antenas de
tipo parche debido a su simplicidad, coste y muchas veces a la necesidad de que la
antena esté incluida dentro de un circuito integrado, como en el caso de un teléfono
móvil, donde el espacio es un requisito fundamental.
Para realizar el diseño e implementación de esta antena parche tipo
rectangular se siguieron los pasos descritos por Balanis12 en su libro “Antenna
Theory”. Para ello se utilizo, al igual que en el resto de los componentes descritos en
los apartados anteriores, el software de Agilent, ADS.
En un primer momento los resultados eran los óptimos en el simulador pero al
llevar el diseño a una placa de circuito impreso se vio que la frecuencia de
resonancia no era la adecuada. Esto ocurre debido a la capacitancia que se crea
entre las diferentes líneas de transmisión que conforman la antena. Estas
capacitancias no están recogidas en el simulador lo que hace que ocurran estos
cambios al pasar el diseño a la placa de circuito impreso.
12
www.pdf-search-engine.com/antenna-theory-by-balanis-pdf.html
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
29
Después de varios diseños y de innumerables mediciones con el analizador
de redes para comprobar que el diseño cumplía los requisitos de implementación se
consigió una antena del tipo parche rectangular con los parámetros que se muestran
en la tabla a continuación.
Parámetros Antena Microstrip del tipo parche rectangular para 2.4GHz
S11 --11.57dB
3.446*e-06W
181.45º
5.98dB
5.01dB
1.087*e-06W/Steroradian
Potencia radiada
Ángulo efectivo
Directividad
Ganancia
Intensidad Máxima
Tabla 21. Parámetros de caracterización de la antena propia
Estos valores hacen que la antena que diseñamos cumpla con los requisitos
necesarios para el buen funcionamiento del radioenlace que se debe implementar en
este proyecto. En primer lugar la antena resuena a 2.4GHz que es la frecuencia de
trabajo del sistema para esta aplicación en concreto, primer requisito importante que
se debía cumplir. En segundo lugar, el ángulo efectivo es superior a 180º cuando lo
habitual en este tipo de antenas es que radien por encima de un plano de tierra, es
decir, que su ángulo efectivo máximo sea de 180º. La directividad de una antena se
define como la relación de intensidad de radiación de una antena en la dirección del
máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma
potencia en todas las direcciones del espacio. En este caso es de 5.98dBi, lo que
significa que la intensidad de radiación de la antena isotrópica es cuatro veces
superior a la de la antena que hemos implementado. Teniendo en cuenta que la
antena isotrópica es tan sólo un modelo teórico de antena, este valor es más que
aceptable. La ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación de una
antena se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las
zonas indicadas en el diagrama de radiación.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
30
La siguiente tabla muestra la comparación entre el parámetro S11 de la
antena que se implement0 y la comercial que se proporcionó al comienzo de este
proyecto para la frecuencia de trabajo de esta aplicación en concreto, 2.4GHz.
Antena comercial Antena Propia
S11 -16.32dB -11.57dB
Tabla 22. Comparación S11 antena comercial y propia
Como se puede observar en la tabla 22, la antena comercial presenta un
coeficiente de reflexión a la entrada menor que la antena desarrollada, a pesar de
que está diseñada para trabajar a 1.9GHz. Cabe destacar que la antena comercial
que se proporcionó es un dipolo mientras que una de las restricciones que se tenía
era implementar una antena usando líneas de transmisión microstrip.
Otro parámetro importante para que la antena cumpliera los requisitos previos
era que la impedancia de entrada estuviera adaptada a 50ohm al igual que la antena
comercial. Después de realizar varios diseños y de seguir una vez más los pasos de
Balanis para la adaptación de antenas microstrip se consigió una impedancia de
entrada para la antena de 31.23ohm situándose en el eje real de la carta de Smith lo
que hace que la antena sea más que aceptable para esta aplicación en concreto.
4 Validación
En este apartado se contemplan ambos radioenlaces. En primer lugar se
analiza la respuesta del radioenlace compuesto por los elementos comerciales y en
segundo lugar se analiza la respuesta del radioenlace compuesto por los elementos
diseñados. Por último se comparan ambos sistemas indicando los puntos fuertes y
débiles que caracterizan a cada uno de ellos.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
31
4.1 Radioenlace con Componentes Comerciales
En este apartado, se realiza el análisis del radioenlace con elementos
comerciales, el cual está compuesto por dos mezcladores, dos amplificadores, un
splitter y un VCO. Para la medición se han utilizado un generador de señales, dos
fuentes de alimentación y un analizador de espectros.
La finalidad de este tipo de radioenlaces es recuperar la señal de información
que lleva la portadora, es decir, la señal que se usó como moduladora en
transmisión. Generalmente estas señales no son de frecuencias muy elevadas, en el
caso de una transmisión Wi-Fi siguiendo el estándar 802.11b/g debería ser como
mucho de 11MHz, ya que el ancho de banda de cada canal es de 22MHz. En el
caso en el que la frecuencia de la moduladora fuera mayor se perdería información o
se estaría interfiriendo con los canales adyacentes.
En este caso aparecerán un gran número de intermodulaciones y armónicos
en recepción debido a que no se dispone de filtro comercial y por lo tanto no se filtra
la señal recibida.
En primer lugar se comienza haciendo un montaje directo, es decir, sin
antenas. En este caso el medio de transmisión no era el aire, sino el propio
radioenlace dado que se utilizan conectores SMA en lugar de cables, para minimizar
las pérdidas. Para una potencia de la señal moduladora de -10dBm se obtiene los
valores en recepción que aparecen en la siguiente tabla.
Potencia señal demodulada en recepción
Pout -13.12dBm
Tabla 23. Potencia recibida sin antenas
Vemos que sólo perdemos 3dB en todo el sistema de transmisión, desde que
la señal sale del generador hasta que llega al analizador de espectros. Estos 3dB
son propios de las pérdidas que introduce cada uno de los componentes en el
sistema de transmisión y estarán presentes en cualquiera de las configuraciones. Se
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
32
podria decir que la señal de información se verá atenuada en 3dB como mínimo a
partir de ahora.
El siguiente montaje que realizamos fue también haciendo uso de todos los
elementos comerciales pero esta vez utilizando las antenas que se habían
proporcionado y el aire como medio de transmisión. Para esta configuración y una
potencia de la señal de entrada de 12dBm el valor de la señal de información en
recepción es el que se muestra en la siguiente tabla.
Potencia señal demodulada en recepción
Pout -4.01dBm
Tabla 24. Potencia recibida con antenas comerciales
4.2 Radioenlace con Componentes Propios
En este apartado, se realiza el análisis del radioenlace con elementos propios
y comerciales, el cual está compuesto por dos mezcladores, dos amplificadores, un
splitter diseñado, una antena microstrip diseñada y un filtro paso banda también
diseñado y un VCO. Para la medición se han utilizado un generador de señales, dos
fuentes de alimentación y un analizador de espectros.
En este caso, al igual que en el apartado anterior, la finalidad del radioenlace
es recuperar la señal de información que se utilizó como moduladora en emisión.
Ahora sí que se dispone de un filtro paso banda en recepción lo que hará que
no se vean tantos armónicos e intermodulaciones de la señal transmitida, sino que el
filtro es el encargado de atenuar estas señales espurias.
En este caso, al igual que en el apartado anterior, se han realizado varios
montajes con sus respectivas mediciones con el fin de analizar por qué se pierde
potencia y cuál es el efecto que cada uno de los componentes diseñados tiene en el
conjunto del radioenlace.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
33
En primer lugar se utilizan todos los elementos comerciales salvo el derivador
de potencia que era el que se había implementado. De esta manera se pretendía
analizar el efecto que este componente tenía sobre el radioenlace. Para una
potencia de la señal de entrada de 12dBm se obtienen los valores que se muestran
en la siguiente tabla en recepción.
Potencia señal demodulada en recepción
Pout -6.32dBm
Tabla 25. Potencia recibida con splitter propio
Se puede observar que de momento sólo se pierden 2dB respecto a la misma
configuración con todos los elementos comerciales que aparecen en la tabla 24.
En segundo lugar se reemplaza la antena emisora por la que se había
diseñado y se añadió el filtro paso banda en recepción. De esta manera se estaba
utilizando todos los componentes que se habían diseñado utilizando líneas de
transmisión microstrip. Con esta configuración y para una potencia de la señal de
entrada de 12 dBm se obtienen los resultados que se muestran en la tabla a
continuación.
Potencia señal demodulada en recepción
Pout -36.52dBm
Tabla 26. Potencia recibida con todos los componentes propios configuración ampli-filtro
A pesar de que la potencia en recepción es muy pequeña, se sigue
recuperando la señal de información, lo que hace que los elementos sean válidos
para esta configuración.
El problema que se presentaba depués era si colocar el amplificador en
recepción justo después de la antena receptora o después del filtro paso banda.
Esta es una cuestión que suele tener bastante influencia en los sistemas de
transmisión por radiofrecuencia. Los resultados obtenidos en la tabla 26 son con el
amplificador conectado justo detrás de la antena receptora antes de filtrar. Los que
aparecen en la siguiente tabla se midieron amplificando después de realizar el
filtrado de la señal.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
34
Potencia señal demodulada en recepción
Pout -29.96dBm
Tabla 27. Potencia de la señal recibida con componentes propios. Configuración filtro-ampli
Como se puede observar la potencia de la señal recibida con la configuración
de la tabla 27 es 7dB mayor que la de la configuración que muestra la tabla 26. Esto
es debido a que si se amplifica antes de filtrar se está amplificando el ruido que se
recibe junto con la señal, mientras que si se filtra y luego se amplifica el ruido de
fondo queda atenuado por el filtro pasa banda.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
35
Conclusiones y líneas futuras
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
36
5 Conclusiones y líneas futuras
En este apartado se exponen las conclusiones obtenidas tras dos meses de
desarrollo de este proyecto. En el siguiente apartado se exponen las líneas de
trabajo en las que podría resultar interesante seguir trabajando en un futuro próximo.
5.1 Conclusiones
La naturaleza del proyecto, que abarca varias disciplinas, ha forzado a los
alumnos a tener que adaptarse y enfrentarse a los obstáculos que se iban
sucediendo en todos los ámbitos de la aplicación.
En lo personal, se ha aprendido a trabajar en equipo y a cumplir ciertos
objetivos en unos determinados intervalos de tiempo. A pesar de que la colaboración
entre personas diferentes a veces es complicada debido a la dificultad para la
integración del trabajo, el resultado obtenido ha sido en líneas generales bastante
bueno. Las reuniones de seguimiento que hemos tenido a lo largo de todo el
desarrollo han ayudado a los alumnos ha integrarse en un entorno empresarial más
cerca de las aplicaciones reales que de las académicas.
En lo técnico, este proyecto ha servido para que los alumnos se formen en
tareas que hasta ahora eran totalmente desconocidas para él. A partir de ahora será
capaz de caracterizar elementos de un radioenlace con total precisión. A pesar de la
dificultad que esto entraña el resultado final ha sido satisfactorio, ya que se ha
demostrado que en un periodo determinado de tiempo es capaz de asimilar
cualquier tipo de tecnología.
Los objetivos que se marcaron en las etapas iniciales de este proyecto se
pueden dar por cumplidos aunque, como quedará patente en la próxima sección,
aún queda mucho trabajo por hacer.
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
37
Cabe destacar la falta de exactitud entre las simulaciones de los diseños y los
resultados obtenidos. Todos los diseños realizados durante este proyecto, han sido
simulados mediante la herramienta “Momentum”, logrando un resultado satisfactorio.
Después, se han comprobado los resultados reales en la práctica, y no se han
obtenido los mismos resultados.
En general, ha sido un proyecto muy interesante sobre nuevos objetivos en el
que el balance final ha sido muy positivo.
5.2 Definición de Líneas futuras
Como continuación de este proyecto se podrían mejorar y ampliar diferentes
ámbitos.
Al estar utilizando la frecuencia de 2,4GHz y con un ancho de banda de
200Mhz correspondiente a las especificaciones de la transmisión de datos wifi, un
paso siguiente sería completar este proyecto utilizando en lugar de un generador de
señal en el extremo inicial del circuito emisor utilizar un microprocesador,
microcontrolador o incluso un DSP que generase una trama de datos en banda base
y enviarla al otro extremo de la radio transmisión a través de la frecuencia de
2,4GHz comprobando en recepción si ha sido correcta la transmisión de esa trama
mediante ese mismo componente mostrándolo en una pantalla, de este modo
comprobaríamos que SNR tendría y a su vez la distancia máxima a la que se podría
enviar en lugar de ver un analizador de espectro que frecuencia se esta recibiendo y
a que potencia.
Otra modificación que se podría realizar sería la utilización de otro tipo de
sustrato utilizado en la realización de los componentes y de las antenas ya que al
estar creadas con microstrips podría mejorar la transmisión de potencia hacia la
salida de la antena.
BIBLIOGRAFÍA
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
38
Bibliografía
BIBLIOGRAFÍA
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
39
6 Bibliografía
LIBRO:
• Constantine A.Balanis, 2005, Antenna Theory,3rd edition, John Wiley &
Sons Inc
• Pozar, David M., 2004, Microwave Engineering, 3rd Edition, John Wiley
& Sons Inc
ARTÍCULOS:
• Dr. Jia-Sheng Hong, Department of Electrical, Electronic and Computer
Engeneering, Herio-Watt University, UK
PÁGINAS WEB:
• http://www.modragon.edu
• http://noticias.juridicas.com/articulos/15-
Derecho%20Administrativo/200709-25638998711254235235.html
• http://www.mityc.es/telecomunicaciones/Espectro/Paginas/index.aspx
• http://www.minicircuits.com/
• http://www.htmldatasheet.com/mini/zx952500s.htm
• www.minicircuits.com/pdfs/ZX60-6013E+.pdf
• http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/hernandez_a_r/c
apitulo3.pdf
• http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/Z/X/1/0/ZX10-2-
25.shtml
BIBLIOGRAFÍA
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
40
• www.datasheet4u.com/.../ZFM-4212_Mini-Circuits.pdf.html
• http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?cc=US&lc=eng&ckey
=1297113&nid=-34346.0.00&id=1297113
• www.agilent.com/find/eesof-momentum
• Microstrip Antennas," IEEE International Symposium on Antennas and
Propagation, Williamsburg Virginia, 1972 pp. 177-180
• www.pdf-search-engine.com/antenna-theory-by-balanis-pdf.html
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
41
7 Anexos
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
42
7.1 Anexo I: Caracterización Elementos Comerciales
1.1 Mezclador ZFM-4212
Un mezclador de frecuencias tiene la función de convertir o trasladar la señal
presente a su entrada a un rango de frecuencias diferente, sin modificar las
características de frecuencia de la señal a trasladar (ancho de banda, relación de
amplitudes).
Un mezclador de frecuencias le suma o le resta a la banda de frecuencias de
la señal de entrada, centrada en la frecuencia f IF, un valor de frecuencia constante
de valor f LO denominado como frecuencia del oscilador local para obtener una señal
resultante centrada en la frecuencia f RF. Tiene por lo tanto dos entradas (IF,OL) y
una salida (RF). El mezclador se utiliza tanto en el emisor como en el receptor.
. Este dispositivo, ha sido utilizado para una aplicación de WIFI, por lo tanto,
se ha generado una señal a una frecuencia de 2.4 GHz.
Anexo I. Figura 1. Mezclador comercial
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
43
El esquema del montaje es el siguiente:
Anexo I. Figura 2, Montaje para la caracterización del mezclador
Los parámetros que se han de medir son los siguientes:
• Ganancia o pérdida de conversión
La ganancia de conversión (gain) sucede cuando la potencia de la señal de
salida (RF) es mayor que la potencia de la señal de entrada (IF). En cambio, si la
potencia de la señal de salida es inferior a la potencia de la señal de entrada,
significa que hay perdidas de conversión (conversion loss).
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
44
Para calcular la ganancia o las pérdidas de conversión, se han generado dos
señales de entrada (OL) e (IF), y se han obtenido los siguientes resultados.
Valores introducidos:
Frecuencia (GHz) Potencia (dBm)
2.4 GHz(OL) 7
0.012 GHz (IF) -10
Respuesta del mezclador:
Anexo I. Figura 3.Relación frecuencias y potencias en la salida del mezclador
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
45
En la anterior imagen se aprecian tres picos. Los picos de las laterales, son
las respuestas del mezclador, que se obtienen con la suma y la resta de las
frecuencias del oscilador (OL) y de la entrada (IF). El pico del centro, corresponde a
la frecuencia del oscilador.
Las respuestas corresponden a la señal de radiofrecuencia (RF), que tiene un
valor de -16.83dBm en 2.412GHz. Si se calcula la diferencia entre la señal
intermedia (IF) y la respuesta, hay una diferencia de 6.03dB. Es decir, la pérdida de
conversión del mezclador es de 6.03dB. Es un resultado muy similar al de la hoja de
características del mezclador, que es de 5.92dB.
• Aislamiento
En un mezclador real, el aislamiento entre los puertos de este no es infinito,
por este motivo en la salida de cada puerto aparece parte de la señal de los otros
dos. Se pueden definir los aislamientos como las pérdidas que sufre una señal al
pasar de una puerta a otra sin conversión. Suelen definirse dos tipos:
• Aislamiento OL-IF
Para calcular el aislamiento entre los puertos OL e IF, se han generado una
señal de entrada, de 2.4GHz y 7dBm para OL. La respuesta será la salida de la
interfaz IF. En la interfaz RF, se ha puesto una carga de 50 ohm.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
46
El esquema es el siguiente:
Anexo I. Figura 4. Imagen del montaje para calcular aislamiento OL-IF
Respuesta del mezclador:
Anexo I. Figura 5. Resultado del aislamiento OL-IF
IF
OL RF
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
47
En la figura anterior se puede ver un pico a 2.4GHz, frecuencia que
corresponde al oscilador.
Para calcular el aislamiento entre OL e IF, se aplica la siguiente fórmula:
POL – Paislamiento = PIF =
7dBm – 14.063dB = -7.603dBm
Es decir, la potencia del aislamiento OL-IF es de 14.063dB.
En la hoja de características, el aislamiento entre OL-IF es muy parecido,
14.6dB.
• Aislamiento OL-RF
El aislamiento entre las puertas OL y RF se introduce una señal en la interfaz
de OL con 2.4GHz y 7dBm. La interfaz de RF, es la salida que se conecta al
analizador de espectros. En la interfaz de IF se ha puesto una carga de 50ohm.
El esquema es el siguiente:
Anexo I. Figura 6. Esquema medición aislamiento OL-RF
IF
RF
OL
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
48
Respuesta del mezclador:
Anexo I. Figura 7. Resultado aislamiento OL-RF
En la figura se puede ver un pico a 2.4GHz, frecuencia que corresponde al
oscilador. Para calcular el aislamiento entre OL- RF, se aplica la siguiente fórmula:
POL – Paislamiento = PRF =
7dBm – 26.61dB = -19.61dBm
En este caso, el aislamiento entre OL-RF es de 26.61dB, muy parecido al
valor mostrado en el datasheet, 26.5dB.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
49
• . Distorsión de intermodulación de orden 3
Otro de los parámetros importantes de analizar es la distorsión de
intermodulación de orden 3. Las componentes de tercer orden son más difíciles de
filtrar, ya que los productos de intermodulación de tercer orden aumentan con el
cubo de la señal de entrada. El IP3 o punto de intercepción de distorsión de tercer
orden en un mezclador, es el punto teórico en el cual, la potencia del oscilador y la
potencia de la distorsión de tercer grado son iguales.
Para calcular el IP3, se ha utilizado el siguiente esquema:
Anexo I. Figura 8. Montaje para el cálculo de IP3 .
Para obtener el punto de intercepción de distorsión, se han generado dos
señales de entrada de 0dBm (IF) y 7dBm (OL).
IF
RF
OL
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
50
L a respuesta obtenida, ha sido la siguiente:
Frecuencia (GHz) Potencia (dBm)
2.4 GHz(OL) -37
2.424GHz (OL+2*IF) -45
Input IP3(dBm)= Pin(dBm) +A/2
A(dB) = P(OL+2*IF) – POLsalida =
Input IP3(dBm)= 0 – (-37- -45)/2 = 0 + 4 = 4dBm
El resultado (4dBm) es muy parecido al de la hoja de características, que es
de 5dBm.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
51
1.2 Antena
La antena comercial utilizada para este proyecto ha sido un dipolo de λ/2. Los
dipolos λ/2 tienen como característica principal una resistencia de radiación igual a
73Ω haciendo que esta sea muy cercana a la impedancia característica de muchas
líneas de transmisión llegando a simplificar de este modo los circuitos de adaptación
necesarios para la máxima transmisión de potencia. Esta antena tiene un conector
SMA el cual es apto para las trasmisiones de 2,4GHz ya que son capaces de
trabajar hasta los 18GHz sin ningún tipo de problema.
Anexo I. Figura 9. Antena comercial
Teniendo estas características en cuenta se procedió a la caracterización de
la antena con el analizador de redes, pero como paso previo se procedió a la
calibración del analizador. La calibración del analizador se realiza para eliminar los
errores sistemáticos debidos a las imperfecciones de los componentes y las
alteraciones producidos en estos componentes por la humedad y cambios de
temperatura. Para calibrar el analizador de redes al tener que analizar una antena y
estas solamente tienen un puerto, sólo será necesario realizar la calibración SOLT
(Short, Open, Load, Throught) de un solo puerto debido a que los parámetros de la
antena que interesan son la reflexión y la impedancia característica de la antena. La
calibración SOLT es una de las técnicas más usadas por su sencillez y por la gran
corrección que realiza de los componentes.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
52
Al realizar esta calibración se deja el analizador preparado para que tenga en
su salida una impedancia de valor de 50Ω por lo que los valores de las reflexiones
que se tengan y los valores de las impedancias características obtenidas serán
representadas en función de este valor en las gráficas.
Una vez realizada la calibración se obtuvieron las siguientes imágenes y
resultados.
Anexo I. Figura 10. Parámetro S11 del dipolo comercial
En la figura 10 podemos observar el parámetro S11 de la antena en un rango
de frecuencias de 2GHz que va desde 1,4GHz hasta los 3,4GHz. Como se observa,
esta antena tiene un valor muy bajo de S11 a una frecuencia de 1,9GHz indicando
un bajo valor de reflexión y haciendo que a esa frecuencia halla una transmisión de
potencia muy alta en comparación con las otras frecuencias.
En este proyecto lo que se necesita es una antena que tenga un parámetro
S11 muy bajo a una frecuencia de 2,4GHz,
aunque esta antena no lo tenga bajo se puede considerar que si puede servir esta
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
53
antena para utilizar frecuencias de 2,4GHz ya que tiene un valor de -21dB
generando una reflexión de muy pequeña de potencia.
Anexo I. Figura 11. Impedancia antena en un rango de 1GHz centrado en 2.4GHz
En la figura 11 se obtiene los resultados de las impedancias para distintas
frecuencias en un rango que va desde 1,9GHz hasta 2,9GHz representado en una
carta de Smith. En esta carta se ve como esta antena está adaptada para una
impedancia de 50Ω para una frecuencia de 1,9GHz que tenga una impedancia de
este valor significa que si ponemos en su puerto de entrada otro elemento conectado
con un valor de 50Ω se obtiene una transferencia máxima de potencia.
Anteriormente se dijo que la impedancia de un dipolo de λ/2 tenía una impedancia
de 73Ω por lo que se deduce que esta antena ya tiene un circuito de adaptación
para acercarlo a una impedancia de 50Ω pero debido a que a frecuencias altas los
valores de reflexión cambian según la frecuencia a la que esté funcionando, sólo se
podrá obtener para una frecuencia determinada la adaptación a 50Ω y las
frecuencias cercanas a esta se aproximaran a este valor.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
54
1.3 Splitter
El derivador de potencia o splitter que se facilitó al comienzo del proyecto es
el ZX10-2-25 de Mini-circuits. Cabe recordar que un derivador de potencia es un
dispositivo que divide la potencia de entrada entre sus dos salidas. Uno de los
parámetros más importantes y el primero que se midió fue el aislamiento entre la
entrada y las salidas del derivador de potencia. La tabla a continuación muestra la
comparación entre los valores medidos y los que aparecen en el datasheet del
fabricante para la frecuencia de trabajo del sistema, 2.4GHz.
Anexo I. Figura 12. Splitter ZX10-2-25
El montaje utilizado para la caracterización del derivador de potencia es el
que se ve en la figura a continuación.
Anexo I. Figura 13. Montaje utilizado en la caracterización del derivador
En primer lugar se realizó la medición de las pérdidas que los cables
introducían en el sistema conectando directamente el generador de señales con el
analizador de espectros mediante un cable.
En la siguiente figura se puede observar los resultados de las mediciones.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
55
Anexo I. Figura 14. Pérdidas ocasionadas por el cable en las mediciones
Estas mediciones son para una potencia de señal de entrada de 3dB por lo
que las pérdidas del cable se sitúan en torno a 1.312 dB. Una vez cuantificadas las
pérdidas ocasionadas por los cables SMA que se utilizarán para conectar los
dispositivos se puede pasar a realizar las mediciones correspondientes al dispositivo
en cuestión.
En primer lugar se miden el aislamiento entre las diferentes puertas del
derivador. La figura 18 muestra el aislamiento entre las puertas 1 y 2 del derivador,
mientras que la figura 19 muestra el aislamiento entre las puertas 1 y 3 del mismo
derivador. La tabla a continuación muestra la comparación entre los valores que
aparecen en el datasheet del fabricante y los medidos con los instrumentos de
medición.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
56
Anexo I. Figura 15. Aislamiento puertas 1 y 2
Anexo I. Figura 16. Aislamiento puertas 1 y 3
Valores teóricos(dB) Valores reales(dB)
Isolation -23 -18.77
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
57
Anexo I.Tabla 1Comparación valores datasheet y reales
Como se puede observar en la tabla, la diferencia entre ambas es
considerable, pero si se echa un vistazo al datasheet del fabricante se ve que ellos
sólo garantizan un aislamiento de 10dB y dan el valor de 23dB como el valor típico.
El siguiente valor que se midió fueron las pérdidas de inserción. Esto es,
cuánto pierde la señal de entrada por pasar por introducirla en el circuito de dos
puertas. Para realizar esta medición hay que tener en cuenta que los cables que se
utilizaron para conectar el derivador con el generador de señales y con el analizador
de espectros también tienen pérdidas. Una vez realizadas las mediciones oportunas
se llegó a la conclusión de que estas pérdidas son de 1.66dB para los conectores
SMA que se utilizan.
La figura a continuación muestra las pérdidas de inserción medidas en el
analizador de espectros.
Anexo I. Figura 17. Pérdidas de inserción del derivador
La tabla a continuación muestra la
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
58
comparación entre los valores de las pérdidas de inserción que el fabricante muestra
en su datasheet y los que se han medido en la práctica.
Valores teóricos(dB) Valores reales(dB)
Pérdidas
Inserción
.09 0.7
Anexo I.Tabla 2 Pérdidas de Inserción del Derivador de Potencia
Como se puede observar en la tabla, la medida realizada mejora el valor típico
que el fabricante especifica en el datasheet del componente.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
59
1.4 Amplificador
El amplificador utilizado para la caracterización de los elementos comerciales
ha sido el ZX60-6013E+. Para la caracterización del comportamiento de este
amplificador se han tenido que hacer distintos montajes en distintos aparatos.
Anexo I. Figura 18. Amplificador ZX-60-6013E
MODELO RANGO FRECUENCIAS
VOLTAGE ALIMENTACIÓN
ZX60-6013E+ 20 MHz-6 GHz 12 V+
Anexo I Tabla 3. Características amplificador comercial
• Montaje
Montaje con el analizador de espectros para calcular la ganancia, los
armónicos y el punto de compresión de 1dB:
Anexo I. Figura 19. Primer montaje para la caracterización del amplificador con el analizador de espectros
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
60
Montaje con el analizador de espectros para calcular las intermodulaciones y
la linealidad:
Anexo I. Figura 20. Segundo montaje para la caracterización del amplificador con el analizador de espectros .
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
61
• Montaje con el analizador de redes para calcular los parámetros S y el
punto de compresión de 1 dB:
Anexo I. Figura 21. Montaje para la caracterización del amplificador con el analizador de redes
• Parámetros a medir con el analizador de espectros:
.1 Ganancia
Lo primero que se ha tenido en cuenta a la hora de medir la ganancia ha sido
el error generado por las pérdidas de los cables. Se debe medir la potencia que se
pierde en los cables y en los conectores. Para ello, se ha unido el generador de
señales con el analizador de espectros a través de un cable y se ha generado un
tono de -60dBm a 2.4 GHz para ver la potencia que llega al analizador. El resultado
ha sido el siguiente:
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
62
Anexo I. Figura 22. Medición de las pérdidas de conectores y cables
Como se puede apreciar en la foto la señal que llega a la salida es casi 3 dB
menor que la que entra, por lo que se sabe las pérdidas de los cables y conectores
son de casi 3 dB.
Una vez calculado lo que influyen los cables y conectores utilizados para la
medición de los parámetros, se ha calculado la diferencia de potencia entre la salida
y la entrada y se ha visto que es de más o menos 10dB. Por lo que si se le suma la
atenuación calculada anteriormente, se concluye que la ganancia del amplificador es
de más o menos de 13dB.
.2 Punto de compresión a 1 dB
El punto de compresión a un 1 dB constituye una medida del inicio de
saturación de un circuito, y se define como el nivel de entrada para cual la ganancia
disminuye 1 dB respecto a la ganancia en pequeña señal.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
63
Para su medición se ha ido cambiando la potencia introducida por el
generador de señales hasta ver que la ganancia del amplificador ha sido 1 dB menor
de la obtenida en zona lineal.
Se ha metido un tono de referencia de -9.5 dBm de potencia a 2.4GHz y se ha
obtenido una ganancia de 11 dB. Una vez marcada la referencia, se ha subido la
potencia poco a poco hasta conseguir que la potencia sea de 10dB. El proceso de
medición ha sido el siguiente:
Potencia_in (dBm) Potencia_out (dBm) Ganancia (dB) -9.5 1.5 11
-8.5 2.5 11
-7.5 3.3 10.8
-6.5 4.2 10.7
-5.5 5.2 10.7
-4.5 5.6 10.1
-4.3 5.7 10
Anexo I.Tabla 4. Medición del punto de compresión a 1dB
Anexo I. Figura 23. Medición del punto de compresión a 1dB
Tal y como se ve en la tabla anterior, se estima que para una entrada de -
4.3dBm de potencia se obtiene el punto de compresión a 1dB.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
64
.3 Intermodulaciones
Para el cálculo de intermodulaciones se ha tenido que utilizar un splitter,
obteniendo así, una señal combinada de dos tonos de distinta frecuencia. Uno de los
tonos generados ha sido de 2.4GHz y el otro de 0.5GHz.
El resultado obtenido ha sido el siguiente:
Anexo I. Figura 24. Medición de las intermodulaciones y armónicos en el analizador de espectros
INTERMODULACIONES f1=2.4GHz
f2= 0.5GHz
Frecuencia (GHz)
Potencia (dBm)
Segundo orden
F1-f2=1.898 F1+f2=2.903
-12 -15
Tercer orden
f1-2f2=1.4GHz
-13
Cuarto orden
f1-3f2=0.9GHz
-31.63
Anexo I.Tabla 5. Relación de frecuencias y potencias para medición de intermodulaciones
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
65
.4 Armónicos:
Para el análisis de los armónicos y la su distorsión se ha hecho uso de bajas
frecuencias ya que el analizador de espectros visualiza hasta 3GHz.
Se ha introducido una señal de 0dBm a 500 MHz y la salida del amplificador
lo que se puede observar en la figura anterior.
Como se puede apreciar en la foto, los armónicos de segundo y tercer orden
tienen mucho menos potencia que el tono de la frecuencia fundamental por lo que
apenas son apreciables.
ARMÓNICOS f= 0.5GHz
Frecuencia (GHz)
Potencia (dBm)
Segundo orden
2*f=1
-15.64
Tercer orden
3*f=1.5
-21
Anexo I.Tabla 6. Relación de frecuencias y potencias para medición de los armónicos con una potencia de entrada de -10dBm
.5 IP3:
El IP3 o punto de intercepción de tercer orden se define como la potencia de
entrada a la cual el producto de intermodulación de tercer orden se hace igual al
armónico fundamental. Obviamente, cuanto mayor sea el IP3 de un circuito, mayor
será su linealidad.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
66
Anexo I. Figura 25. Definición gráfica del punto de intercepción de orden 3
Para el cálculo del IP3 se han introducido dos tonos, 2.4GHz y 100MHz.
Como tercera intermodulación se ha tomado la de 2.2GHz, que es la que se
consigue de la siguiente manera:
I3 => f1-2*f2 = 2.4 e9 – 2*0.1e9 = 2.2GHz
Introduciendo dos potencias de entrada distintas en cada frecuencia, se
obtiene todo lo necesario para el cálculo. Los resultados obtenidos han sido los
siguientes:
FRECUENCIA
(GHz)
POTENCIA IN
(dBm)
POTENCIA
OUT (dBm)
FUNDAMENTAL 2.4 -5 2.5
INTERMODULACIÓN
3er ORDEN
2.2 -5 -30.5
Anexo I.Tabla 7. Relación de frecuencias y potencias del IP3 con una potencia de entrada de -5dBm
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
67
FRECUENCIA
(GHz)
POTENCIA IN
(dBm)
POTENCIA
OUT (dBm)
FUNDAMENTAL 2.4 -10 -2.4
INTERMODULACIÓN
3er ORDEN
2.2 -10 -48
Anexo I.Tabla 8. Relación de frecuencias y potencias para medir el IP3 con una potencia de entrad de -10dBm
Las pendientes de cada recta:
Por lo tanto, a medida que el fundamental sube ∆, la intermodulación de 3er
orden subirá 3∆.
Consiguiendo la ecuación de cada una de la rectas,
Por lo que la solución igualando estas ecuaciones sería las siguientes:
La potencia de entrada a la cual el producto de intermodulación de tercer
orden se hace igual al armónico fundamental sería de 5.45dBm.
X=5.45 dBm = P in
Y=2.94 dBm = P out
Fundamental: Y = 0.98*X – 2.4
Intermodulación de 3er orden: Y = 3.2*X – 14.5
Fundamental: m1 = (y2-y1)/(x2-x1) => m1 = (-2.4-2.5)/(-10+5) => m1 =0.98
Intermodulación de 3er orden: m3 = (y2-y1)/(x2-x1) => m3 = (-48+30.5)/(-10+5) => m3=3.2
m3 ≈ 3*m1
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
68
• . Parámetros a medir con el analizador de redes:
o Parámetros S:
Los parámetros S representan una la relación de potencia que hay entre las
ondas incidentes, reflejadas y transmitidas a través de un dispositivo. Como en
frecuencias altas es difícil la medición de tensiones y corrientes, se utilizan estos
parámetros.
Anexo I. Figura 26. Mediciones de los parámetros S
Parámetro S11
El parámetro S11 representa la relación entre la potencia reflejada y la
potencia incidente. Su valor ideal es de -∞dB, ya que ese valor significa que no ha
rebotado potencia y se ha transmitido todo lo enviado. A pesar de que este
resultado es imposible de conseguir, en la caracterización se ha logrado una
potencia de -22dB, que supone muy poco respecto a lo enviado.
Anexo I. Figura 27. Parámetro S11 del amplificador
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
69
Parámetro S21
Este segundo parámetro es la relación entre las potencias de entrada y salida,
es decir, la ganancia. Tal y como se ve en la siguiente imagen, la ganancia del
amplificador, que es más o menos de 13dB, es lineal en la banda de trabajo.
Cabe decir que, a medida que se sube en frecuencia, mayor es el rizado, lo
que conlleva a que la ganancia sea más no-lineal.
Anexo I. Figura 28. Parámetro S21 del amplificador
Parámetro S12
Este parámetro es lo contrario del parámetro anterior. Mide la ganancia pero
convirtiendo la entrada en salida y la salida en entrada. Al ser un amplificador no
simétrico, no se consigue el mismo resultado. Conviene que sea lo menor posible ya
que no conviene que la señal rebotada se amplifique hacia la entrada.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
70
Anexo I. Figura 29. Parámetro S12 del amplificador
Parámetro S22
El parámetro S22 significa lo mismo que el parámetro S11, pero al revés. Aún
así, así como conviene que el S11 sea lo menor posible, conviene que el S22 sea lo
mayor posible para que la potencia que llegue a la carga sea lo mayor posible.
Anexo I. Figura 30. Parámetro S22 del amplificador.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
71
Punto de compresión a 1 dB:
Medir el punto de compresión en el analizador de redes es más fácil y preciso
que en el analizador de espectros. Por una parte porque en vez de medir en una
frecuencia en concreto, se mide en un rango de frecuencias. Y por otra porque se
pueden visualizar las imágenes guardadas en la memoria.
La medición de este parámetro trata de examinar el punto que desciende 1dB
de la ganancia lineal del amplificador. Para ello, hay que ir subiendo en potencia de
entrada hasta conseguir 1dB menos que la ganancia de zona lineal.
Cabe decir que conviene que el span utilizado sea lo más pequeño posible
para evitar errores.
Como se puede apreciar en la siguiente foto, es posible conseguir la
diferencia de 1dB. En morado, se representa la ganancia del rango lineal. En cambio
en azul, la ganancia del rango no lineal.
Anexo I. Figura 31. Medición del punto de compresión de 1dB
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
72
Group delay:
El retraso de grupo es el tiempo que necesita una señal para pasar por un
DUT, que en este caso es el amplificador. Los cambios en el retraso de grupo
suponen distorsión en la señal por lo que conviene que sea lo más lineal posible. En
este caso es bastante lineal ya que se trata de un amplificador comercial.
Anexo I. Figura 32. Medición del retardo de grupo
Fase:
La fase es muy parecida al retraso en grupo. Lo único que cambia es que en
vez de medir en tiempo se mide en fase. Por eso, conviene que este también sea
lineal.
.
Anexo I. Figura 33. Medición de la fase del amplificador
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
73
1.5 Oscilador Controlado por Tensión (VCO)
Un Oscilador controlado por tensión o VCO (Voltage-controlled oscillator) es
un dispositivo electrónico que da a su salida una señal eléctrica de frecuencia
proporcional a la tensión de entrada.
Cuando la entrada es 0V, el VCO tiene una señal con una frecuencia llamada
frecuencia libre de oscilación y ante variaciones de la entrada, sube o baja la
frecuencia de su salida de forma proporcional.
En este caso, el VCO que se ha utilizado ha sido el ZX95-2500. Como se
puede ver en la imagen, consta de un puerto de salida y varios pines, uno para la
alimentación, otro para la sintonización y los demás son tierra. El VCO puede dar
una frecuencia de salida entre 1600 y 2500 MHz y normalmente se suele alimentar a
12 V. El voltaje de entrada que hará variar la salida en frecuencia, irá de 0 a 14 V.
Anexo I. Figura 34. VCO comercial
En la caracterización del oscilador, se han utilizado una fuente de
alimentación y el analizador de espectros. Este es el esquema que se ha seguido
para hacer las mediciones.
Anexo I. Figura 35. Montaje para la caracterización del VCO
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
74
El primer parámetro a medir ha sido, el valor de los componentes
frecuenciales obtenidos al meter determinada tensión, comparando estos valores
con los teóricos que vienen dados en el datasheet del componente.
Como anteriormente se ha mencionado, los voltajes de sintonización oscilan
entre 0 y 14 Voltios, por lo que se ha decidido hacer 3 mediciones. La primera cerca
del máximo, la segunda en un caso intermedio y por último cerca del mínimo.
En el primer caso, se ha introducido una tensión de 12V y estas son las
respuestas obtenidas:
Anexo I. Figura 36. Respuesta con una tensión de 12V
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
75
Anexo I. Figura 37. Respuesta con una tensión de 14V
En el segundo caso, la tensión introducida es de 7V y el resultado el de la
figura 34.
Como tercera prueba, se ha introducido una tensión de 3V.
Anexo I. Figura 38. Salida del oscilador para la entrada de 3V de sintonización
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
76
Por último se ha hecho una última prueba con el valor máximo recomendado
14V, obteniendo los siguientes resultados:
Anexo I. Figura 39. Salida del oscilador para la entrada de 14V de sintonización
Para poder comparar los valores obtenidos con los teóricos y extraer
conclusiones de las mediciones realizadas, presentamos dos tablas.
Valores obtenidos Valores teóricos
Voltaje de
sintonización
(V)
Frecuencia(GHz) Potencia(dBm) Frecuencia(GHz) Potencia(dBm)
3 1.595 6.1 1.589 6.8
7 2.01 6.73 1.995 7.49
12 2.4475 6.625 2.433 7.3
14 2.583 6.6 2.5718 7.25
Anexo I.Tabla 9. Comparación entre los valores obtenidos y los teóricos
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
77
Como se puede ver en la tabla, los valores obtenidos en las mediciones no
distan mucho de los valores teóricos que aparecen en el datasheet, además se
puede decir que las variaciones que se estudian entre estos valores, siguen las
proporciones de las variaciones en valores teóricos, sin observar ninguna
irregularidad remarcable.
Una vez comprobados los valores de los fundamentales a diferentes
frecuencias, el próximo paso es comprobar el nivel de los harmónicos. En este caso,
hay que tener en cuenta que los analizadores de espectro utilizados tienen un span
de 9kHz-3GHz, lo que dificulta la posibilidad de ver los armónicos. Por esta razón, se
ha escogido una frecuencia baja y así poder ver el harmónico de segundo nivel al
doble de la frecuencia del fundamental. Para ello se ha tenido que poner como
Vtune=0.5V.
Anexo I. Figura 40. Análisis de la distorsión producida por armónicos en el VCO
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
78
Anexo I. Figura 41. Análisis de la distorsión producida por armónicos en el VCO
Valores teóricos Valores obtenidos
Harmónicos (dBc) -16.7 -16.72
Anexo I.Tabla 10. comparación entre los valores teóricos y los reales
En este caso se puede volver a decir que los resultados obtenidos en la
realidad son muy similares a los que aparecen en el datasheet, por lo que se dedujo
que las mediciones son bastante exactas.
Por último, se ha medido el ruido de fase. Las señales periódicas se
caracterizan por un incremento de su fase en el tiempo de manera lineal y
proporcional a una frecuencia angular determinada. Se llama ruido de fase de una
señal periódica a las variaciones aleatorias de su fase instantánea con respecto a la
de una señal ideal.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
79
El ruido de fase se mide de la siguiente manera:
Relación de la densidad de potencia del ruido alrededor de la frecuencia
central con respecto a la potencia de la señal, expresada en decibeles-portadora por
hertz [dBc/Hz].
El ruido de fase, al superponerse a la oscilación en elementos no-lineales,
provoca un fenómeno llamado mezclado recíproco (reciprocal mixing, en inglés).
Como consecuencia, aparecen componentes espurios en la señal, que degradan su
calidad. Con las sucesivas amplificaciones, el ruido llega a tapar a la señal útil. Es
preciso, entonces, que la señal original, la que se obtiene del oscilador, sea lo más
limpia posible.
El ruido de fase medido a Vtune=12V, puesto que es el nivel que nos da
2.4GHz de frecuencia de oscilación, son los siguientes:
Anexo I. Figura 42. Medición del ruido de fase con Offset de frecuencia de 1MHz
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
80
Anexo I. Figura 43. Medición del ruido de fase con Offset de frecuencia de 10kHz
Anexo I. Figura 44. Medición del ruido de fase con offset de 100kHz
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
81
La fórmula que se ha utilizado para calcular el ruido de fase es la siguiente y
los resultados obtenidos son los que aparecen en la tabla comparados con los
ideales.
Anexo I. Figura 45. Medición del ruido de fase
x dBc – 10*log (RBW) = x dBc/Hz
Ruido de fase en dBc/Hz para frecuencias en kHz
Frecuencia (kHz) 10 100 1000
Valores obtenidos
(dBc/Hz)
-40.31 -81.2 -87.52
Valores teóricos
(dBc/Hz)
-91 -112 -132
Anexo I.Tabla 11. Mediciones del ruido de fase
Estos valores distan mucho de los que aparecen en la hoja de
especificaciones. La razón de ello es que se ha tenido que subir mucho el ancho de
banda de resolución para que el pico fuera estable y poder así hacer la medición. El
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
82
aumentar el ancho de banda de resolución implica que se pierde detalle de la
imagen y que la atenuación del filtro en la banda no pasante sea menor. Es por ello,
que las diferencias que se han obtenido son menores en comparación con las del
datasheet.
Anexos
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
83
7.2 Anexo II: Diseño y Caracterización de los Compo nentes Propios
1.1 Filtro Paso Banda
Un filtro pasabanda ideal presenta una banda de paso entre dos frecuencias
de corte, de forma que en este rango de frecuencias la señal no se ve atenuada. En
cambio, si el valor de frecuencia se encuentra por debajo del límite inferior
frecuencial(f1) de dicha banda o por encima del límite superior frecuencial(f2), la
señal se atenúa.
Anexo II. Figura 1. Respuesta frecuencial filtro paso banda
Como el filtro ha sido diseñado para una aplicación en WIFI, ha sido centrado
en 2.412GHz (primer canal de WIFI) con dos frecuencias de corte (superior e
inferior) que tienen como ancho de Banda 22MHz.
Anexo II. Figura 2. Distribución canales Wi-Fi
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
84
Para diseñar el filtro, se han utilizado microtiras (microstrip). Su uso tiene un
gran auge para aplicaciones en las que el tamaño reducido es importante y las
frecuencias son elevadas, principalmente en los rangos de microondas y ondas
milimétricas.
Algunas de las ventajas que este tipo de diseño puede ofrecer son: tendencia
a la miniaturización al lograr los dispositivos cada vez más pequeños y fáciles de
integrar tanto a superficies planas como no planas, sencillas, de fácil producción en
masa.
Anexo II. Figura 3. Líneas transmisión microstrip
• DISEÑO DEL FILTRO
Cálculos del diseño del filtro:
Primer diseño: Centrado en 2.4GHz
Para diseñar un filtro con microtiras, lo primero que se ha de decidir es la
atenuación deseada para poder elegir el orden del filtro.
Para elegir el orden del filtro, se ha de utilizar una tabla y hacer los siguientes
cálculos:
1)
F0 = ( F1 × F2)½ = (2.389GHz × 2.411GHz) ½ = 2.39999GHz
F1: 2.389GHz
F2: 2.411GHz
2)
Fa=F1
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
85
Fb=F2
Fa’= F0^2/Fb = 2.389 GHz
Fb’= F0^2/Fa = 2.41105 GHz
Fb’-Fa= 0.2205 GHz
Fb-Fa’= 0.022 GHz
As= (Fb’-Fa)/(Fb-Fa’)= 1.00272
Anexo II. Figura 4. Requisito atenuación filtro Chebyshev
En la gráfica, se puede observar, que para el valor de As= 1,002 , se puede
elegir un filtro de orden 3, con atenuación de 20 dB en el ancho de banda de 3dB.
Una vez elegido el orden, se cogen los valores de g1, g2 y g3, respectivos:
As As
n
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
86
Anexo II. Figura 5. Valores normalizados filtro Chebyshev
Para la n=3, los valores son los siguientes:
g1= 1.5963
g2= 1.0967
g3= 1.5963
Posteriormente, se ha de calcular el siguiente parámetro:
w2: 2×π ×frecuencia superior = 2×π× 2.389GHz
w1: 2×π× frecuencia inferior = 2×π× 2.411GHz
w0: 2×π ×frecuencia central = 2×π× 2.4GHz
Ω = (w2- w1) / w0 = 9.16×10-³
Después, utilizando las siguientes formulas se obtienen los valores para las
impedancias Z
∆ = Ω
Para n=1
oωωω 12 −=Ω
1
012 g
ZJ∆= π
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
87
J1Z0= 0.09497
Para n=2
J2Z0 = 0.010874622
Para n=3
J3Z0 = 0.09497
Los valores de las impedancias necesarias se sacan con las siguientes
fórmulas:
Z0e, 1 = 55.19946 Ω
Z0o, 1 = 45.702 Ω
Z0e, 2 = 50.5496 Ω
Z0o, 2 = 49.462 Ω
Z0e, 3 = 50.549 Ω
Z0o, 3 = 49.462 Ω
nn
n
ggLL
CCZJZJ
1
41
22
222
010
2'
'
−
∆=
= π
11
201
2 ++
∆==NN
NggJ
JZJ
π
( )[ ]2
0000 1 JZJZZZ e ++=
( )[ ]2
0000 1 JZJZZZ o +−=
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
88
• DISEÑO DEL FILTRO PASA BANDA EN ADS
Después de haber calculado los valores de las impedancias necesarias para
el diseño del filtro, se han traducido a distancias para las líneas acopladas haciendo
uso de la herramienta LineCalc que dispone el ADS. Como se trata de un filtro de
tercer orden y es simétrico, se ha realizado la operación dos veces.
Una vez obtenidas dichas distancias se han configurado los parámetros de
los MCFIL. Para diseñar filtros de líneas acopladas se ha utilizado MCFIL en vez de
MLIN, ya que con ellos la simulación del ADS se asemeja más a la del “Momentum”.
El diseño del filtro paso banda sería el siguiente:
Anexo II. Figura 6. Diseño del filtro paso banda en ADS
Tras haber realizado el diseño, el siguiente paso es comprobar si la
simulación cumple las condiciones requeridas.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
89
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.92.0 3.0
-50
-40
-30
-20
-10
-60
0
freq, GHz
dB(S
(2,1))
m1
m2m3
m1freq=dB(S(2,1))=-1.044
2.398GHz
m2freq=dB(S(2,1))=-4.232
2.381GHzm3freq=dB(S(2,1))=-4.141
2.416GHz
Anexo II. Figura 7. Simulación del filtro paso banda en ADS
Como se observa en la simulación, la respuesta no es tan exacta como se
esperaba. En los cálculos se ha impuesto un ancho de banda de 22 MHz y en la
simulación es de 35 MHz y la frecuencia a la que se ha diseñado es de 2.4 GHz. En
cambio en la simulación es de 2.398 GHz. Aún así, como la atenuación es bastante
pequeña, se ha decidido probarlo.
Por lo que lo siguiente que se ha hecho ha sido generar el circuito y ver su
respuesta en el “Momentum” mediante la opción “Generate/Update Layout”.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
90
El circuito generado por el “Momentum” ha sido el siguiente:
Anexo II. Figura 8. Diseño del filtro paso banda en Momentum
Si los cálculos y la configuración se hacen correctamente la simulación de
ADS y la de Momentum deben de ser muy parecidas.
2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.552.20 2.60
-40
-30
-20
-10
-50
0
Frequency
Mag. [dB]
S21
Anexo II. Figura 9. Resultado de la simulación del filtro en ADS Momentum
Como se puede ver, la respuesta de ambas simulaciones es casi idéntica. Se
ha desplazado un poco en frecuencia pero suele ser normal por lo que se ha
procedido a construir el circuito.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
91
A pesar de que las simulaciones eran más que satisfactorias al montar los
circuitos se ha observado que la respuesta real cambiaba mucho a la de la
simulación. En el siguiente apartado se aprecian las diferencias.
• MEDICIONES DEL FILTRO DISEÑADO I
PARÁMETROS S:
Parámetro S21:
Tal y como se ve en la siguiente imagen la frecuencia central del filtro se ha
movido hasta 2.7GHz y ha aumentado su atenuación. El ancho de banda deseado
era de 22MHz y se ha conseguido un BW de 74.4MHz.
Anexo II. Figura 10. Parámetro S21 del filtro
Como los resultados obtenidos no han sido los deseados se ha optado por
diseñar un filtro en el que la frecuencia central esté en 2.2 GHz pero con el mismo
ancho de banda, 22MHz. El análisis de los parámetros de este filtro se puede ver en
los anexos.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
92
Segundo diseño: Centrado en 2.2GHz
Para el segundo diseño, se ha elegido un filtro de orden 3.
Para la n=3, los valores son los siguientes:
g1= 1.5963
g2= 1.0967
g3= 1.5963
Posteriormente, se ha de calcular el siguiente parámetro:
W2: 2×π ×frecuencia superior = 2×π× 1.5963 GHz
W1: 2×π× frecuencia inferior = 2×π× 1.0967 GHz
W0: 2×π ×frecuencia central = 2×π× 2.2 GHz
Ω = (w2-w1) /w0 = 0.01
Después, utilizando las siguientes formulas se obtienen los valores para las
impedancias Z
∆ = Ω
Para n=1
oωωω 12 −=Ω
1
012 g
ZJ∆= π
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
93
J1Z0= 0.099197
Para n=2
J2Z0 = 0.036385086
Para n=3
J3Z0 = 0.099197
Los valores de las impedancias necesarias se sacan con las siguientes
fórmulas:
Z0e, 1 = 55.45190895 Ω
Z0o, 1 = 45.53211431 Ω
Z0e, 2 = 51.88544806 Ω
Z0o, 2 = 48.2469394 Ω
Z0e, 3 = 55.45190895 Ω
Z0o, 3 = 45.53211431 Ω
nn
n
ggLL
CCZJZJ
1
41
22
222
010
2'
'
−
∆=
= π
11
201
2 ++
∆==NN
NggJ
JZJ
π
( )[ ]2
0000 1 JZJZZZ e ++=
( )[ ]2
0000 1 JZJZZZ o +−=
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
94
El proceso de diseño en el ADS ha sido el mismo. Primero, se han calculado
las distancias para las líneas acopladas con la herramienta LineCalc del ADS y
después, se han configurado los parámetros de los MCFIL. Los valores en este caso
han sido los siguientes:
Port
P1
Num=1
Port
P2
Num=2
MCFIL
CLin2
L=18.498100 mm
S=4.675110 mm
W=2.751540 mm
Subst="MSub1"MCFIL
CLin3
L=18.543800 mm
S=2.024190 mm
W=2.696270 mm
Subst="MSub1"
MCFIL
CLin1
L=18.543800 mm
S=2.024190 mm
W=2.696270 mm
Subst="MSub1"
MSUB
MSub1
Rough=0 mil
TanD=0
T=35 um
Hu=3.9e+034 mil
Cond=5.8e+07
Mur=1
Er=4.5
H=1.5 mm
MSub
Anexo II. Figura 11. Diseño del filtro paso banda en ADS
El siguiente paso ha sido comprobar que efectivamente el filtro está centrado
a 2.4 GHz.
Una vez comprobado que el diseño está correctamente, se ha generado el
circuito y se ha visto su respuesta en el “Momentum” mediante la opción
“Generate/Update Layout”.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
95
2.15 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 2.452.10 2.50
-40
-30
-20
-10
-50
0
Frequency
Mag. [dB]
S21
Anexo II. Figura 12. Resultado de la simulación del filtro en ADS Momentum
En este caso también, la frecuencia central de ha desplazado. Se ha diseñado
para que trabaje a 2.2 GHz pero trabaja a 2.14 GHz, más o menos. Aún así, viendo
como se ha comportado en el caso anterior, se ha procedido a construir el circuito.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
96
• MEDICIONES DEL FILTRO DISEÑADO II
PARÁMETROS S:
Parámetro S21:
Esta vez la frecuencia central del filtro está en 2.4GHz como se esperaba. A
pesar de que la atenuación no ha mejorado demasiado, el ancho de banda ha
decrecido.
Anexo II. Figura 13. Parámetro S21 del filtro
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
97
Parámetro S12:
Este parámetro es lo contrario del parámetro anterior, convirtiendo la entrada
en salida y la salida en entrada. Como se trata de un elemento simétrico, los
resultados de los parámetros S21 y S12 deben de ser muy parecidos como se
aprecia en la siguiente foto.
Anexo II. Figura 14. Parámetro S12 del filtro
Parámetro S11:
El parámetro S11 representa la relación entre la potencia reflejada y la
potencia incidente. En el caso del filtro debe dejar pasar la potencia rebotada en
todo el rango de frecuencias menos en la frecuencia central del filtro, que es
2.4GHz. En esta frecuencia mencionada no debe de rebotar potencia ya que se
transmite.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
98
Anexo II. Figura 15. Parámetro S12 del filtro
Parámetro S22:
El parámetro S22 significa lo mismo que el parámetro S11, pero al revés. Esta
vez se trata de lo que se rebota a la salida. En este caso también, debe dejar pasar
la potencia rebotada en todo el rango de frecuencias menos en la frecuencia central
del filtro que es 2.4GHz. En esta frecuencia mencionada no debe de rebotar
potencia ya que se transmite hacia la entrada.
Anexo II. Figura 16. Parámetro S22 del filtro
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
99
• RETRASO DE GRUPO:
El retraso de grupo es el tiempo que necesita una señal para pasar por un
DUT, que en este caso es el filtro. Los cambios en el retraso de grupo suponen
distorsión en la señal por lo que conviene que sea lo más lineal posible. En este
caso no es muy lineal pero al tratarse de un filtro no comercial, los problemas
pueden deberse a que el proceso de estañar los conectores no ha sido el adecuado
además de que el sustrato empleado no se asemeja del todo al utilizado en el
diseño.
Anexo II. Figura 17. Retardo de grupo
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
100
• FASE:
La fase es muy parecida al retraso en grupo. Lo único que cambia es que en
vez de medir en tiempo se mide en fase. Por eso, conviene que este también sea
lineal. En este caso, se puede ver que a medida que sube en frecuencia es menos
lineal.
Anexo II. Figura 18. Retardo de fase del filtro
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
101
1.2 Splitter
En el siguiente apartado, se desarrolla la parte de configuración del splitter o
divisor de potencia. Antes de analizar las fases para crear un splitter, es necesario
entender la necesidad de un splitter en el radioenlace.
Un radio enlace consta de dos partes, una de emisión y otra de recepción.
Tanto en uno como en otro, se necesita un oscilador, para modular/demodular la
señal que se emite/recibe. Es muy difícil, conseguir que dos osciladores estén en
fase. Si no es así, y los dos osciladores están en desfase, la señal que se reciba, no
será la que se envía y esto puede provocar que no se pueda entender. Para
solucionar esto de manera sencilla se ha optado por usar el mismo oscilador
tanto para el receptor como para el emisor.
Con el propósito de dividir la señal del oscilador, se ha diseñado un splitter.
Una vez analizados diferentes tipos de circuitos, se ha decidido diseñar un
divisor de Potencia Wilkinson, puesto que es el que mejor se ajusta a las
especificaciones requeridas.
El divisor de potencia Wilkinson es una clase específica de divisor de potencia
que puede lograr el aislamiento entre los puertos de salida, manteniendo al mismo
tiempo una condición correspondiente en todos los puertos. El diseño puede ser
utilizado también como un combinador de potencia, ya que está compuesto de
componentes pasivos y, por tanto, recíproca.
El principal distintivo del divisor Wilkinson es el uso de resistencias
conectadas entre las puertas de salida. Cuando los puertos de salida están cargados
con las llamadas “impedancias de diseño (Zo)”, no circula corriente por la resistencia
R, por lo que no aparecen pérdidas disipativas en el dispositivo. En el caso de cargar
con impedancias distintas a la “impedancias apropiadas”, parte de la potencia
reflejada será absorbida por la resistencia y parte irá a la puerta de entrada pero
nunca a las otras puertas de salida.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
102
En su forma más simple, la misma amplitud, dividida en dos sentidos, de una
etapa Wilkinson se muestra en la siguiente figura. Las líneas de transmisión son de
cuarto de longitud de onda.
Anexo II. Figura 19. Diseño de un splitter tipo Wilkinson
La figura anterior expresa la forma en que el divisor Wilkinson funciona como
un divisor de potencia: una señal ingresa en el puerto 1, en el que se divide en dos
señales de igual amplitud y fase. Desde cada extremo de la resistencia hay
aislamiento entre los puertos 2 y 3, puesto que son puntos de mismo potencial y por
tanto, no hay flujo de corriente a través de la resistencia. Por lo que se puede decir
que, la resistencia se le desconecta de la entrada y no aparecen pérdidas
disipativas. La impedancia característica de la cuarta parte de longitud de onda en
las líneas debe ser igual a 1.414xZ0 para que la entrada se igual cuando los puertos
2 y 3 se terminan en Z0.
Lo que se quiere obtener es un divisor de potencia de 3 dB con una
impedancia de referencia para las puertas de salida de 50 Ω y una impedancia
característica de la línea de la puerta de entrada de 50 Ω. A continuación se
muestran los resultados obtenidos con un circuito de líneas ideales para poder
verificar el buen comportamiento del divisor.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
103
R
R1
R=100 Ohm
TLIN
TL2
F=2.4 GHz
E=90
Z=70.7 Ohm
TLIN
TL1
F=2.4 GHz
E=90
Z=70.7 Ohm
Term
Term1
Z=50 Ohm
Num=1
Term
Term2
Z=50 Ohm
Num=2
Term
Term3
Z=50 Ohm
Num=3
Anexo II. Figura 20. Diseño de un splitter en ADS
En las siguientes imágenes se puede observar que en simulación se ha
obtenido el resultado que se buscaba. La pérdida de los puertos de salida respecto a
la entrada es de -3.01dB y el aislamiento entre los dos puertos de salida, el 3
respecto al 2 y viceversa, es muy bueno.
Anexo II. Figura 21. Resultados de la simulación en ADS
Para poder generar el Layout, es necesario añadir las líneas reales, y con la
herramienta de LineCalc que ADS propone, calcular la anchura y largura necesarias.
Para eso primero hay que concretar los valores del substrato a utilizar. Las líneas
pueden ser bien rectas o curvas. Este es el diseño en este caso.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
104
MCURVE
Curve2
Radius=3.0 mm
Angle=90
W=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MCURVE
Curve1
Radius=3.0 mm
Angle=90
W=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL3
L=16.907300 mm
W=2.779250 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL5
L=17.410900 mm
W=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL4
L=17.410900 mm
W=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MTEE
Tee1
W3=2.779250 mm
W2=1.439780 mm
W1=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL1
L=16.907300 mm
W=2.779250 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL2
L=16.907300 mm
W=2.779250 mm
Subst="MSub1"
MSUB
MSub1
Rough=0 mil
TanD=0
T=35 um
Hu=3.9e+034 mil
Cond=5.8E+7
Mur=1
Er=4.5
H=1.5 mm
MSub
R
R1
R=50 Ohm
Port
P3
Num=3
Port
P2
Num=2
Port
P1
Num=1
Anexo II. Figura 22. Diseño del splitter con líneas acopladas
A la hora de generar el Layout, la resistencia que aparece en la siguiente
imagen, desaparece. En este caso la función de la resistencia es únicamente la de
aislamiento. Por ello, se ha hecho dos diseños diferentes, una la que se puede ver
en la imagen anterior, y otra en la que se emplaza la resistencia por una línea
acoplada de la miSMA impedancia.
Anexo II. Figura 23. Diseño del splitter con líneas acopladas en ADS
MCURVE
Curve2
Radius=3.0 mm
Angle=90
W=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MCURVE
Curve1
Radius=3.0 mm
Angle=90
W=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL5
L=17.410900 mm
W=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL4
L=17.410900 mm
W=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL6
L=6 mm
W=0.599972 mm
Subst="MSub1"
MTEE
Tee3
W3=0.599972 mm
W2=1.439780 mm
W1=2.779250 mm
Subst="MSub1"
MTEE
Tee2
W3=0.599972 mm
W2=2.779250 mm
W1=1.439780 mm
Subst="MSub1"
Port
P1
Num=1
Port
P2
Num=2
Port
P3
Num=3
MSUB
MSub1
Rough=0 mil
TanD=0
T=35 um
Hu=3.9e+034 mil
Cond=5.8E+7
Mur=1
Er=4.5
H=1.5 mm
MSub
MLIN
TL2
L=16.907300 mm
W=2.779250 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL1
L=16.907300 mm
W=2.779250 mm
Subst="MSub1"
MTEE
Tee1
W3=2.779250 mm
W2=1.439780 mm
W1=1.439780 mm
Subst="MSub1"
MLIN
TL3
L=16.907300 mm
W=2.779250 mm
Subst="MSub1"
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
105
Como se puede ver en la siguiente imagen, y comparándola con la gráfica de
la figura 21, en las pérdidas de inserción no hay gran cambio entre construir un
circuito con líneas acopladas o con resistencias. Pero en cambio en el aislamiento
podemos ver una gran diferencia. Mientras el circuito con la resistencia aísla -80 dB,
en este circuito el aislamiento es de -6.36 dB.
m1freq=dB(S(1,2))=-3.123
2.400GHz
2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.552.20 2.60
-3.20
-3.15
-3.10
-3.25
-3.05
freq, GHz
dB(S(1,2))
m1
dB(S(1,3))
m1freq=dB(S(1,2))=-3.123
2.400GHzm2freq=dB(S(2,3))=-6.361
2.400GHz
2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.552.20 2.60
-6.5
-6.4
-6.3
-6.6
-6.2
freq, GHzdB(S(2,3)) m2
dB(S(3,2))
m2freq=dB(S(2,3))=-6.361
2.400GHz
Anexo II. Figura 24. Resultados de la simulación en ADS
Al generar el Layout del diseño, se consiguen los siguientes circuitos. En uno
de ellos podemos observar que como se ha mencionado anteriormente, la
resistencia no aparece, por lo que se deberá estañar en la misma placa. Y en el otro
en cambio, podemos ver la línea acoplada que hace la función de la resistencia.
Anexo II. Figura 25. Diseño final de la placa, dos versiones
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
106
Al añadir las líneas, generar el Layout y simularlo con la herramienta
Momentum, podemos observar que la respuesta obtenida es algo diferente a la que
se ha obtenido en la simulación ideal que se ha hecho al principio. También
podemos ver los diferentes comportamientos de aislamiento de los dos circuitos.
Hay que tener en cuenta que en el caso del circuito de la resistencia, al generar el
Layout la resistencia desaparece, por lo que los resultados que se ven en la
siguiente imagen no son relevantes.
m1freq=dB(S(1,2))=-3.107
2.400GHz
2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.552.20 2.60
-3.16
-3.14
-3.12
-3.10
-3.08
-3.18
-3.06
freq, GHz
dB(S(1,2))
m1
dB(S(1,3))
m1freq=dB(S(1,2))=-3.107
2.400GHzm2freq=dB(S(3,2))=-6.438
2.400GHz
2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.552.20 2.60
-6.6
-6.5
-6.4
-6.7
-6.3
freq, GHz
dB(S(3,2))
m2
dB(S(2,3))
m2freq=dB(S(3,2))=-6.438
2.400GHz
Anexo II. Figura 26. Resultados de la simulación en ADS, diseño con líneas.
m1freq=dB(S(1,2))=-3.145
2.400GHz
2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.552.20 2.60
-3.20
-3.18
-3.16
-3.14
-3.12
-3.10
-3.22
-3.08
freq, GHz
dB(S(1,2)) m1
dB(S(1,3))
m1freq=dB(S(1,2))=-3.145
2.400GHzm2freq=dB(S(2,3))=-5.839
2.400GHz
2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 2.552.20 2.60
-5.90
-5.85
-5.80
-5.75
-5.70
-5.95
-5.65
freq, GHz
dB(S(2,3))
m2
dB(S(3,2))
m2freq=dB(S(2,3))=-5.839
2.400GHz
Anexo II. Figura 27. Resultados de la simulación en ADS, diseño con resistencias.
Una vez hechas todas las pruebas de simulación, queda compararlo con los
resultados que da el circuito en realidad. Para ello se han realizado diferentes
mediciones.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
107
La primera de ellas se ha llevado a cabo en el analizador de redes. Para
hacer las mediciones se ha hecho el siguiente montaje.
Anexo II. Figura 28. Montaje para la medición de parámetros del splitter
Con el siguiente montaje, se ha medido la pérdida de los puertos de salida
respecto a la entrada. Para ello, se ha unido la entrada del circuito con la puerta 1
del analizador de redes y una de las salidas del circuito a la puerta dos, cargando la
salida que queda libre a 50 Ω. Una vez hecho esto se ha medido el parámetro S31 y
el S21.
Anexo II. Figura 29. Medición del parámetro S31 del splitter
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
108
Anexo II. Figura 30. Medición del parámetro S21 del splitter.
Comparando los resultados de la realidad con los de simulación, podemos
decir que el resultado obtenido es muy bueno, puesto que en simulación
conseguíamos una pérdida de -3.01dB y en realidad de -3.395 dB. Y además,
podemos ver que la respuesta de las dos salidas respecto a la miSMA entrada es
muy parecida, por lo que podemos decir que el divisor de potencia cumple su
función de manera aceptable. Por último se ha medido el aislamiento entre los dos
puertos de salida, es decir, el parámetro que mide la cantidad de potencia que
traspasa de una salida a otra cuando el splitter es alimentado por una de las salidas
y a la entrada se coloca una carga de igual impedancia característica que el resto
del circuito, en este caso 50 ohmios.
Este es el resultado que se ha obtenido.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
109
Anexo II. Figura 31. Medición del aislamiento, parámetro S23
Anexo II. Figura 32. Medición del aislamiento, parámetro S32
Podemos ver que los resultados obtenidos, no son los mismos que los de
simulación pero aun y todo son muy buenos, puesto que comparando con los
resultados obtenidos en la medición del
comercial, no hay gran diferencia.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
110
La segunda medición se ha hecho utilizando el analizador de espectros y una
generador de señal como se puede ver en la siguiente imagen.
Anexo II. Figura 33. Montaje para la medición de los parámetros del splitter
Para hacer esta medición se ha seguido el mismo razonamiento que antes.
En este caso, introducimos un pulso a 2.4 GHz y 0dBm de potencia, se carga una de
las salidas y se analizan las pérdidas de inserción en el analizador de espectros.
Esta es la respuesta obtenida.
Anexo II. Figura 34. Medición de las pérdidas de inserción del splitter
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
111
Podemos ver que la pérdida es de -7.398 dBm. Pero en este caso hay que
mencionar que cuando introducimos un pulso directo desde el generador de señales
al analizador de espectros, podemos observar también una pérdida de -1.398 que es
por el cable utilizado. Asumiendo que utilizamos dos cables la pérdida sería del
doble y por último teniendo en cuenta la pérdida que suponen los conectores,
calculamos que las pérdidas de inserción del splitter, son de -3.398dBm.
Se ha realizado la misma medición con la otra salida y el resultado es
parecido.
Anexo II. Figura 35. Medición de las pérdidas de inserción del splitter.
Por último, y siguiendo con el mismo razonamiento, se midió el aislamiento
entre las dos salidas del circuito. Introduciendo para ello una señal de 0dBm de
potencia en una de las salidas y luego en la otra, cargando la entrada. Éste es el
resultado.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
112
Anexo II. Figura 36. Medición del aislamiento del splitter.
Anexo II. Figura 37. Medición del aislamiento del splitter
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
113
1.3 Antena
Uno de los requisitos del proyecto era que la antena estuviese diseñada
utilizando líneas de transmisión. Por lo que tras evaluar diversas opciones se optó
por diseñar e implementar una antena del tipo patch o parche. Estas antenas deben
su nombre al hecho de que consiste en un parche de metal suspendido sobre un
plano de tierra. Estas antenas son muy simples de fabricar y de modificar y adaptar
a diferentes aplicaciones. Son el tipo de antena de líneas de transmisión descritas
por Howell, las cuales son una línea de transmisión del tipo microstrip de
aproximadamente la mitad de la longitud de onda.
La antena tipo parche desarrollada para esta aplicación es una antena del tipo
rectangular. Este tipo de antenas son las más empleadas de todas las antenas de
tipo parche debido a su simplicidad, coste y muchas veces a la necesidad de que la
antena esté incluida dentro de un circuito integrado, como en el caso de un teléfono
móvil, donde el espacio es un requisito fundamental.
Para realizar el diseño e implementación de esta antena parche tipo
rectangular se siguieron los pasos descritos por Balanis en su libro “Antenna
Theory”. Para ello se utilizaron al igual que en el resto de los componentes descritos
en los apartados anteriores, el software de Agilent, ADS.
Anexo II. Figura 38. Antena Patch modelo del Balanis
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
114
Los pasos que se siguieron para realizar el diseño son los siguientes.
Partiendo del modelo de antena tipo parche que aparece en la figura 38, se debe
calcular los parámetros que la definen, L, Y0, W y W0. Las fórmulas utilizadas son
para este fin son las siguientes:
Una vez aplicadas las fórmulas correspondientes los resultados fueron :
L=43mm
W=32.25mm
Y0=12.25mm
W0=3.5mm
Con estas medidas y utilizando la herramienta Momentum de ADS se
empezó a diseñar la antena en cuestión siendo el resultado obtenido el que se
muestra en la figura a continuación.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
115
Anexo II. Figura 39. Antena Patch
A continuación se debe calcular la longitud de la prolongación de alimentación
con el fin de que la antena esté adaptada a 50ohm. Para ello se ha utilizado la
siguiente fórmula.
La longitud de la misma es de 31mm. Simulando la antena que aparece en la
figura 39, se obtienen los siguientes parámetros de caracterización de la antena.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
116
1.5 2.0 2.51.0 3.0
-10
-5
-15
0
Frequency
Mag. [dB]
S11
1.5 2.0 2.51.0 3.0
-100
0
100
-200
200
Frequency
Phase [deg]
S11
f req (1.000GHz to 3.000GHz)
S11
Mon Jan 11 2010 - Dataset: antena2_mom_a
Anexo II. Figura 40. Parámetros caracterización de la antena
La razón por la que en la simulación aparece como que la antena resuena a
2.2GHz es porque tras realizar varias simulaciones y pasar luego a la placa de
circuito impreso la frecuencia de resonancia cambia debido a la capacitancia que se
creaba entre las diferentes líneas de transmisión. Se puede ver que el parámetro
S11 es de -14.01dB, lo que lo hace aceptable para esta aplicación, aunque ya se
verá posteriormente que los parámetros medidos en la realidad distan bastante de
los calculados en el simulador.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
117
La herramienta Momentum de ADS dispone de una serie de herramientas de
simulación muy prácticas para el diseño de antenas. En primer lugar se puede ver el
diagrama de radiación en tres dimensiones como aparece en la figura 40 y 41.
Anexo II. Figura 41. Diagrama de radiación 3D
Anexo II. Figura 42. Diagrama de radiación 3D
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
118
Otra de las características principales de Momentum es que se puede realizar
un corte en el diagrama de radiación en tres dimensiones y poder verlo sobre un eje
de coordenadas cartesianas en dos dimensiones. La herramienta permite realizar el
corte a los grados que se quiera, la figura que aparece a continuación muestra un
corte transversal o a 90º sobre el diagrama de radiación.
Anexo II. Figura 43. Corte transversal 2D del diagrama de radiación.
Los parámetros de caracterización de la antena que se han diseñado son los
que aparecen en la tabla a continuación.
Parámetros Antena Microstrip del tipo parche rectangular para 2.4GHz
S11
Potencia radiada
Ángulo efectivo
Directividad
Ganancia
Intensidad Máxima
--11.57dB
3.446*e-06W
181.45º
5.98dB
5.01dB
1.087*e-06W/Steroradian
Anexo II. Tabla 1. Caracterización de la antena Propia
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
119
Estos valores hacen que la antena que se diseñó cumpla con los requisitos
necesarios para el buen funcionamiento del radioenlace que se debe implementar en
este proyecto. En primer lugar la antena resuena a 2.4GHz que es la frecuencia de
trabajo del sistema para esta aplicación en concreto, primer requisito importante que
se debía cumplir. En segundo lugar, el ángulo efectivo es superior a 180º
cuando lo habitual en este tipo de antenas es que radien por encima de un plano de
tierra, es decir, que su ángulo efectivo máximo sea de 180º. La directividad de una
antena se define como la relación de intensidad de radiación de una antena en la
dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia
con la misma potencia en todas las direcciones del espacio. En este caso es de
5.98dBi, lo que significa que la intensidad de radiación de la antena isotrópica es
cuatro veces superior a la de la antena que hemos implementado. Teniendo en
cuenta que la antena isotrópica es tan sólo un modelo teórico de antena, este valor
es más que aceptable. La ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación
de una antena se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia
en las zonas indicadas en el diagrama de radiación.
La siguiente tabla muestra la comparación entre el parámetro S11 de la
antena que se ha implementado y la comercial que se proporcionó al comienzo de
este proyecto para la frecuencia de trabajo de esta aplicación en concreto, 2.4GHz.
Antena comercial Antena Propia
S11 -16.32dB -11.57dB
Anexo II. Tabla 2. Comparación antena comecial y propia
Como se observa en la tabla 2, la antena comercial presenta un coeficiente de
reflexión a la entrada menor que la antena desarrollada, a pesar de que está
diseñada para trabajar a 1.9GHz. Cabe destacar que la antena comercial que se
proporcionó es un dipolo mientras que una de las restricciones que se tuvieron era
implementar nuestra antena usando líneas
de transmisión microstrip.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
120
Otro parámetro importante para que la antena cumpliera los requisitos previos
era que la impedancia de entrada estuviera adaptada a 50ohm al igual que la antena
comercial. Después de realizar varios diseños y de seguir una vez más los pasos de
Balanis para la adaptación de antenas microstrip se consiguió una impedancia de
entrada para la antena de 31.23ohm situándose en el eje real de la carta de Smith lo
que hace que la antena sea más que aceptable para esta aplicación en concreto.
7.3 Anexo III: Radioenlace Comercial
En este apartado, se realiza el análisis del radioenlace con elementos
comerciales, el cual está compuesto por dos mezcladores, dos amplificadores, un
splitter y un VCO. Para la medición se han utilizado un generador de señales, dos
fuentes de alimentación y un analizador de espectros, como se puede ver en la
siguiente figura.
Anexo III. Figura 1. Esquema del montaje total del sistema
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
121
Se han realizado tres distintas fases de medición, suponiendo en todas ellas
que nuestra señal es un tono de 100MHz. En la primera se ha analizado la
respuesta del emisor, en segunda la del radioenlace sin uso de antenas y en la
última, el radioenlace por completo.
Cabe decir que para disminuir la atenuación que introducen los cables, se han
utilizado conectores SMA para interconectar los componentes.
• ANÁLISIS DEL EMISOR
Para analizar el comportamiento del emisor, primero se ha realizado una
medición sin antenas, en la que se ha medido el comportamiento del amplificador
respecto a las señales de entrada.
Anexo III. Figura 2. Esquema de montaje de la parte del transmisor
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
122
Anexo III. Figura 3. Respuesta del transmisor a una señal de entrada de -10dBm
Primero, se ha introducido una señal de -10 dBm, y en la salida se ha
obtenido un tono de -13.62 dBm a 2.4GHz. También se aprecian las
intermodulaciones creadas por el mezclador a fc±fm y a la frecuencia de la señal
moduladora (100MHz).
En la siguiente prueba, se ha introducido una señal de -2dBm. En la salida se
ha obtenido un tono de igual amplitud a 2.4GHz, mientras que la amplitud de los
demás tonos ha cambiado.
Anexo III. Figura 4. Respuesta del transmisor a una señal de entranada de -2dBm
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
123
El tercer paso ha sido el de introducir una señal de 5dBm, queriendo
conseguir que al aumentar la potencia de entrada, el amplificador se sature. Se
deduce que se ha saturado ya que la potencia de la portadora constante hasta
ahora, ha disminuido en 2dB.
Anexo III. Figura 5. Respuesta del transmisor a una señal de entrada de 5dBm
Por último, se ha introducido una señal de 18 dBm, con la intención de saturar
al máximo el amplificador.
Anexo III. Figura 6. Respuesta del transmisor a una señal de entrada de 18dBm
Como se muestra en la imagen, la
potencia ha disminuido aún mas, teniendo como salida una señal de -8 dBm.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
124
• ANÁLISIS DEL RADIOENLACE SIN ANTENAS
Para conocer las consecuencias debidas a la distancia entre las antenas y las
interferencias producidas por enviar la señal por aire, se ha optado por realizar una
primera medición sin hacer uso de ellas.
Como se aprecia en el siguiente montaje se han sustituido las antenas por un
cable, manteniendo tanto en el receptor como en el emisor, el montaje anteriormente
mencionado.
Anexo III. Figura 7. Esquema del montaje sin antenas
La primera medición que se ha realizado ha sido introducir una
potencia de entrada de -50dBm, en el que podemos observar que sólo se ve la
portadora, perdiendo así la información enviada.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
125
Anexo III. Figura 8. Salida inapreciable con una potencia de entrada de -50dBm
En la segunda medición se ha aumentado la potencia hasta -41 dBm. En este
punto se ha podido observar el límite donde se empieza a ver la señal enviada,
como se muestra en la siguiente imagen.
Anexo III. Figura 9. Se aprecia la salida con una potencia de entrada de -41dBm
Por último se ha introducido una señal de -10dBm donde se puede apreciar
nuestra señal y las intermodulaciones con una potencia no despreciable.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
126
Anexo III. Figura 10. Salida en intermodulaciones con una potencia de entrada de -10dBm
• ANÁLISIS DEL RADIOENLACE
Para terminar con el radioenlace, se ha analizado el sistema en conjunto, se han
estudiado las consecuencias debidas a las diferentes posiciones de las antenas,
interferencias etc.
Anexo III. Figura 11. Esquema del montaje total
Se han efectuado diferentes mediciones a diferentes distancias entre las
antenas, con una miSMA potencia de entrada.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
127
La primera medición se ha desarrollado con una potencia de entrada alta y
juntando las antenas, es decir, a 0cm de distancia una de la otra. El resultado
obtenido es el que se presenta en la siguiente imagen.
Anexo III. Figura 12. Potencia de salida a una distancia de 0cm.
Como se observa en la imagen, la potencia de nuestra señal es de -4 dBm en
la antena de recepción. También se observa que la potencia de las
intermodulaciones y armónicos es alta.
Por último, se han alejado las antenas 10 cm en línea recta, una distancia
despreciable en una línea de comunicación y se ha visto, que la respuesta varía
mucho. Por lo que se puede concluir que el radioenlace sólo puede trabajar en
distancias cortas.
Anexo III. Figura 13. Potencia de salida a una distancia de 10cm.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
128
7.4 Anexo IV: Radioenlace con Elementos Propi os
En este anexo, se realiza el análisis más exhaustivo del radioenlace con
elementos propios y comerciales, el cual está compuesto por dos mezcladores, dos
amplificadores, y un VCO, todos ellos comerciales; y por un splitter diseñado, una
antena microstrip diseñada y un filtro paso banda también diseñado. Para la
medición se han utilizado un generador de señales, dos fuentes de alimentación y un
analizador de espectros.
La finalidad del radioenlace es recuperar la señal de información que se utilizó
como moduladora en emisión. Con el fin de encontrar la mejor potencia de la señal
en recepción se han realizado varios montajes con sus respectivas mediciones con
el fin de analizar por qué se pierde potencia y cuál es el efecto que cada uno de los
componentes diseñados tiene en el conjunto del radioenlace. Todas las mediciones
que aparecen a continuación se realizan con una potencia de la señal de entrada de
10dBm.
El primer montaje que se realizó fue sustituir la antena emisora comercial por
la antena parche rectangular que se había diseñado, como puede verse en la
siguiente figura.
Anexo IV. Figura 1. Antena patch en transmisión
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
129
Con este montaje se consiguió una potencia de la señal recuperada de -
20.9dBm. Se pudo comprobar que la señal recibida variaba en función de la
distancia de separación de ambas antenas debido a rebotes y pérdidas en el medio
de transmisión. En la siguiente figura se puede observar que se ha movido la antena
emisora y ahora la potencia recibida es de -41.07dBm, una diferencia de más de
20dB, es decir, unas cien veces menor.
Anexo IV. Figura 2. Montaje con antena emisora propia a 20cm de la comercial
Los resultados de las mediciones con esta configuración en el analizador de
espectros pueden verse en la figura a continuación. Se puede apreciar que la
potencia de la señal recuperada es de -20.9 dBm como se ha mencionado
anteriormente.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
130
Anexo IV. Figura 3. Mediciones realizadas con el esquema de la figura1
En segundo lugar se añadió el splitter que se había diseñado, que puede
verse en la siguiente figura, y el filtro que también había sido diseñado. El montaje
del conjunto en recepción puede verse en la figura 4 mientras que el conjunto en
recepción puede verse en
la figura 5.
Anexo IV. Figura 4.VCO comercial y splitter propio
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
131
Anexo IV. Figura 5. Montaje emisor
Anexo IV. Figura 6. Montaje del receptor
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
132
Los resultados de las mediciones en el analizador de espectros con estas
configuraciones pueden verse en la figura a continuación. En ella se observa que la
potencia de la señal recuperada es de -35.09dBm. Con lo cual se ha perdido casi
15dB respecto a los resultados que se muestran en la figura 3 de este mismo anexo.
Esto es debido a las pérdidas introducidas por el splitter y el filtro paso banda que se
diseñó diseñó.
Anexo IV. Figura 7. Mediciones realizadas con el esquema de la figura 6
De esta manera se ve cómo se puede recuperar la señal de información
fácilmente en recepción. Lo cual induce a pensar que los elementos que se
diseñaron pueden perfectamente ser válidos para su uso en un radioenlace real. A
pesar de ello, se decidió probar con una nueva configuración de montaje. Ya que se
planteó la duda de si sería mejor colocar el amplificador en recepción antes o
después de realizar el filtrado. Para ello la mejor manera es realizar las pruebas
pertinentes.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
133
De esa manera se introdujo el amplificador después del filtro paso banda en
recepción tal y como se muestra en la siguiente figura.
Anexo IV. Figura 8. Esquema configuración 2
Con este montaje se obtuvo la correspondiente medición en el analizador de
espectros que se muestra en la figura a continuación. En ella se puede observar que
la potencia de la señal recuperada en recepción es de -29.96dBm. si se compara
estos resultados con los obtenidos con el montaje de la figura 1 que se muestran en
la figura 3, se puede ver que sólo se pierde 9dB introduciendo el splitter y el filtro
diseñados. Además, se han mejorado en 6dB los resultados obtenidos colocando el
amplificador antes del filtrado que se muestran en la figura 7 del presente
documento. Esto se debe principalmente a que si se amplifica sin filtrar, se está
amplificando el ruido de fondo que acompaña a la señal recibida.
DISEÑO DE LOS COMPONENTES PARA UN RADIOENLACE A UNA FRECUENCIA DE 2.4GHz
134
Anexo IV. Figura 9. Resultados obtenidos con el esquema de la figura 8
En conclusión, el esquema que mejor se adapta a los requerimientos de la
aplicación en cuestión es el que aparece en la figura 8 del presente documento. Es
decir, amplificar después de realizar el filtrado paso banda. Los resultados obtenidos
hacen que los componentes diseñados sean perfectamente válidos para ser
utilizados en una aplicación comercial.