Caracterización del equipo de prácticas ME1000 para el diseño de circuitos de RF

Tutor: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez Autor: D. Octavio J. García Trenzado
Cotutor: D. Jonathan Arias Pérez Titulación: ITT. Sistemas Electrónicos
Fecha: Septiembre 2012
UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE
GRAN CANARIA
Escuela de Ingenieros de Telecomunicación y Electrónica

Bloque I: Introducción
 Introducción
 Equipo de Prácticas ME1000
 Objetivos del Proyecto
Bloque II: Subsistemas del Equipo de Prácticas ME1000
 Calibración de los Cables, Conectores y Pistas de PCB
 El Amplificador de Potencia
 El Amplificador de Bajo Ruido
 El Filtro
 El Mezclador de Frecuencias
 El Sintetizador de Frecuencias
 La Antena
Bloque III: Transceptor de RF Completo
 Cabeceras de RF
 Modelo Comportamental del Sistema
Bloque IV: Valoración del Proyecto
 Conclusiones y líneas futuras
 Presupuesto
ÍNDICE

INTRODUCCIÓN
Multicanalización por división de frecuencia
1. Arquitecturas de transmisores y receptores para lograr la
multicanalización en frecuencia
• Transmisor/receptor superheterodino
Ampl.
de audio
BPF de IF
LPF
de audio
AGC
Oscilador local
Mezclador
Amp. de RF
BPF de RF Altavoz
Detector
Amp. de IF
Antena
La selección de los canales se realiza a una frecuencia intermedia fija. El
oscilador local usa frecuencias superiores a las portadoras de RF.
fc + ωIF

INTRODUCCIÓN
Multicanalización por división de frecuencia
• Transmisor/receptor heterodino
La selección de los canales se realiza también a una frecuencia
intermedia fija pero el oscilador local usa frecuencias inferiores a las
que se han radiado los canales.
• Transmisor/receptor homodino
El filtrado y selección de la señal se realiza a frecuencia cero, es decir,
con filtros paso bajo.
• Receptor de radiofrecuencia sintonizada
El filtrado y selección de los canales se realiza a la frecuencia que se
radia las señales.

1. Cabeceras de RF
EQUIPO DE PRÁCTICAS ME1000
Funcionamiento

Unidad de Transmisión
2. Unidad de Transmisión

Unidad de Transmisión
• Diagrama de bloques del Front-end de Transmisión

Unidad de Recepción
3. Unidad de Recepción

Unidad de Recepción
• Diagrama de bloques del Front-end de Recepción

1. Objetivos de formación o estudio
• Estudiar los conceptos fundamentales de la radiofrecuencia
• Estudiar los equipos de laboratorio para realizar medidas de RF
2. Objetivos aplicados al entrenador ME1000
• Caracterizar los subsistemas del equipo entrenador ME1000
• Comprobar los tipos de conversión de frecuencia que se pueden realizar
con el entrenador
• Llevar a cabo la transmisión y recepción de señales de RF
• Redactar y comprobar 15 prácticas para el entrenador ME1000
OBJETIVOS

1. Calibración y corrección de medidas
CALIBRACIÓN
Introducción
𝑆𝑖 𝑆(1) =
𝑆11 𝑆12
𝑆12 𝑆22
𝑦 𝑆(2) =
𝑆22 𝑆12
𝑆12 𝑆11
𝑇 𝑚 = 𝑇(1) ∙ 𝑇′ ∙ 𝑇 2

2. Calibración de los cables, conectores y pistas de PCB
1. Calibración con Analizador de Espectros (SA)
• Medida de las pérdidas de inserción (-20 log|S21|)
2. Calibración con Analizador de RF (RFA)
• Calibración de |S21|
• Calibración de S11
3. Cuestiones teóricas
• Distorsión armónica
• Pérdidas de inserción
• Pérdidas de inserción en función de la frecuencia
• Compresión de la ganancia
CALIBRACIÓN
Magnitudes medidas y conceptos teóricos

3. Calibración de las pérdidas de inserción con Analizador de
Espectros
CALIBRACIÓN
Ejemplo de Medida
Analizador de Espectros (SA) Generador de Señales (SG)
Entrada
de RF
Salida
de RF
Pistas de PCB para conectar el DUT
Conector
SMA
Conector
SMA
Pérdidas del cable,
Lcable_sa
Pérdidas del cable,
Lcable_sg
Cable coaxial SMA
(Cable-SA)
Cable coaxial SMA
(Cable-SG)
Psig_gen
Pout_sa
Placa TRM,
Lfull_TRM
Línea central
Mitad de la placa,
Lhalf_TRM
Mitad de la placa,
Lhalf_TRM

Cables, Conectores y Pistas de PCB de entrada
Gráfico 1.- Medida del 20 log|S21|
CALIBRACIÓN
Ejemplo de Medida
50, -0.415
818, -1.14
868, -1.19
-1.7
-1.5
-1.3
-1.1
-0.9
-0.7
-0.5
-0.3
-0.1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
f (MHz)
|𝑆21 |
(𝑑𝐵)

• Se usan en las etapas finales de los transmisores.
• Las potencias de salida típicas suelen ser de 1W a 100W.
• El amplificador es de clase A.
EL AMPLIFICADOR DE POTENCIA
Introducción
Transmisor Receptor

Figura 1.- Esquema del Amplificador de Potencia
Esquema del dispositivo

1. El Amplificador de Potencia
1. Caracterización con Analizador de Espectros (SA)
• Medida de la ganancia y de la compresión de la ganancia (20 log|S21|)
• Medida del aislamiento (-20 log|S12|)
• Medida del punto de intercepción de tercer orden (OIP3)
2. Caracterización con Analizador de RF (RFA)
• Medida de |S21| y |S12|
• Contrastar medidas de transmisión (ganancia y aislamiento)
• Atenuación adecuada en el SA para medir el OIP3
• Productos de intermodulación
• Aislamiento de un amplificador
• Compresión de la ganancia y frecuencias armónicas
• Aproximación polinómica de la ganancia

3. Medida del Punto de Intersección de 3er Orden
Generador de Señales 2 (SG)
Salida
de RF
Analizador de Espectros (SA)
Entrada
de RF
Pout_sa_PAPout
Cable coaxial
SMA Cable
coaxial
SMA
In OutIn OutRF In IF Out
RF OutPuerto USB LO In
Unidad de transmisión
Mezclador
elevador
Sintetizador
de frecuencias
Amplificador
de potencia
Filtro paso-
banda de RF
Generador de Señales 1 (SG)
Salida
de RF
Pin
Psig_gen
Combinador
de Potencia
de RF
Ejemplo de Medida

Gráfico 1.- Medida del 𝑂𝐼𝑃3 =
1
2
3 ∙ 𝑃𝑓1
− 𝑃2𝑓1−𝑓2
= 19,71 𝑑𝐵𝑚
𝑉𝑜 𝑡 ≅ 𝛼0 + 𝛼2 𝐴
+ 𝛼1 +
9
4
𝛼3 𝐴2
𝐴 𝑐𝑜𝑠𝜔1 𝑡 + 𝑐𝑜𝑠𝜔2 𝑡
+ 𝛼2 𝐴2
𝑐𝑜𝑠 𝜔1 − 𝜔2 𝑡 + 𝑐𝑜𝑠 𝜔1 + 𝜔2 𝑡 +
1
2
𝑐𝑜𝑠 2𝜔1 𝑡 +
1
2
+
3
4
𝛼3 𝐴3
𝑐𝑜𝑠 2𝜔1 − 𝜔2 𝑡 + 𝑐𝑜𝑠 2𝜔2 − 𝜔1 𝑡 + 𝑐𝑜𝑠 2𝜔1 + 𝜔2 𝑡 + 𝑐𝑜𝑠 2𝜔2 + 𝜔1 𝑡
+
1
3
1
3
cos 3𝜔2 𝑡
𝑉𝑖 𝑡 = 𝐴 𝑐𝑜𝑠𝜔1 𝑡 + 𝐴 𝑐𝑜𝑠𝜔2 𝑡
𝑉𝑜 = 𝛼0 + 𝛼1 𝑉𝑖 + 𝛼2 𝑉𝑖
2
+ 𝛼3 𝑉𝑖
3
+ ⋯
0
Ejemplo de Medida

• Efecto dominante de la primera etapa en el balance de ruido de
todo el sistema.
EL AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO
Introducción
• Por lo general, no es posible obtener a la vez figura de ruido
mínima y ganancia máxima.
𝐹 = 𝐹1 +
𝐹2 − 1
𝐺1
+
𝐹3 − 1
𝐺1 𝐺2
∙ 2 +
𝐹4 − 1
𝐺1 𝐺2 𝐺3
+
𝐹5 − 1
𝐺1 𝐺2 𝐺3 𝐺4
Transmisor Receptor

Figura 1.- Esquema del Amplificador de Bajo Ruido

1. El Amplificador de Bajo Ruido
• Medida de la ganancia (20 log|S21|)
• Medida del aislamiento (-20 log|S12|)
• Medida de S11 y S22 ( Magnitud, VSWR, Carta de Smith )
3. Caracterización con Analizador de Figura de Ruido (NFA)
• Calibración de la relación S/N de la fuente de ruido
• Medida de la figura de ruido
• Contrastar medidas de transmisión (ganancia y aislamiento)
• Polos de alta frecuencia
• |S21| es ganancia de tensión o de potencia
• Adaptación de impedancia de los puertos

• Se componen de elementos reactivos para no disipar potencia.
• El diseño suele hacerse a partir de un filtro prototipo paso bajo.
• Rechazo de frecuencias: banda lateral inferior, frecuencia del LO, etc…
• Evitar la entrada de frecuencias parásitas.
EL FILTRO
Introducción
Transmisor Receptor

Figura 1.- Esquema del Filtro Paso-Banda de RF (V1.01)
EL FILTRO

1. El Filtro
• Medida de las pérdidas de inserción (-20 log|S21|)
• Medida del rechazo (-20 log|S21|)
• Medida de |S21|
• Medida de S11 ( Magnitud, Carta de Smith )
• Contrastar medidas de transmisión (pérdidas de inserción, rechazo)
• Pérdidas de inserción de un filtro
• Rechazo de frecuencias
• Filtro sin distorsión
• Pérdidas de retorno de un filtro (-20 log|S11|)
• Adaptación de impedancia en las bandas de paso y rechazo
EL FILTRO

1. Medida de |S21|
EL FILTRO
Ejemplo de medida
Recuerde que
𝑆21
2 =
𝑃𝐿
𝑃𝑎𝑣𝑠
Cuando
𝑍𝑠 = 𝑍 𝑜1 y 𝑍 𝐿 = 𝑍 𝑜2
Analizador de RF
RF OUT
RF IN
Filtro paso-
banda de RF
Amplificador
de potencia
Mezclador
elevador
Sintetizador
de frecuencias
RF Out LO In
RF In IF Out In Out OutIn
Puerto USB Unidad de transmisión
Cable SMA
Cable SMA

(Ancho de Banda = 446 MHz)
(Rechazo de frecuencias)
EL FILTRO
Ejemplo de medida

• Se usa un elemento no lineal para lograr la conversión de
frecuencia.
• El mezclador produce una salida consistente en múltiples tonos de
frecuencia n·ωLO ± m·ωRF .
• El mezclador es un demodulador de frecuencias y la conversión de
RF a IF se realiza de forma heterodina.
EL MEZCLADOR DE FRECUENCIAS
Introducción
Transmisor Receptor

Figura 1.- Esquema del Mezclador de Frecuencias

1. El Mezclador de Frecuencias
1. Caracterización con Analizador de Espectros
• Medida de las pérdidas de conversión
• Medida de la compresión de la ganancia (P1dB)
• Medida del rechazo de la frecuencia imagen
2. Caracterización con Analizador de RF
• Medida de la reflexión de los puertos RF, IF y LO (Magnitud, VSWR)
• Medida del aislamiento de RF-IF (-20 log|S21|)
• Medida del aislamiento de LO a RF (-20 log|S13|)
• Medida del aislamiento de LO a IF (-20 log|S23|)
• Frecuencia imagen
• Rechazo de la frecuencia imagen

Detector
~ p c
V
ff
de fase
Kp
v Filtro
F(S)
v VCO
2πK
ωo
fo
ωf
Divisor
1/ N
• Los osciladores de microondas y RF de alta potencia generalmente
tienen muy poca estabilidad en frecuencia. Para corregir este
defecto se utiliza la técnica del enganche en fase del VCO.
• Aplicando el teorema de valor final, se puede comprobar que:
ωi
fi
𝜔 𝑜 = lim
𝑠→0
𝑠 ∙ 𝜔 𝑜 𝑠 = lim
𝑠→0
𝑠
𝐾 𝑝
𝑠 ∙ 2𝜋𝐾𝑣 ∙ 𝐹 𝜔𝑖
1 +
𝐾 𝑝
𝑠
∙ 2𝜋𝐾𝑣 ∙ 𝐹 𝜔𝑖 ∙
1
𝑁
𝜔𝑖
𝑠
= 𝑁 ∙ 𝜔𝑖
EL SINTETIZADOR DE FRECUENCIAS
Introducción

Figura 1.- Esquema del VCO
Esquema del VCO

1. Medida de la Potencia del LO y del Ruido de Fase
Analizador de Espectros (SA)
Entrada
de RF
RF In IF OutIn Out
Sintetizador
de frecuencias
LNA Mezclador
demodulador
FIltro paso-
banda de IF
Amplificador
de IF
In Out In Out
Puerto USB RF Out LO in Unidad de recepción
Cable USB
PC con el software de Panel de Control
del Entrenador de RF pre-instalado
Cable coaxial SMA
Psa_Lo
Plo
Magnitudes medidas

Bloque I: Introducción
 Introducción
 Equipo de Prácticas ME1000
 Objetivos del Proyecto
Bloque II: Subsistemas del Equipo de Prácticas ME1000
 Calibración de los Cables, Conectores y Pistas de PCB
 El Amplificador de Potencia
 El Amplificador de Bajo Ruido
 El Filtro
 El Mezclador de frecuencias
 El Sintetizador de Frecuencias
 La Antena
Bloque III: Transceptor de RF Completo
 Cabeceras de RF
 Modelo Comportamental del Sistema
Bloque IV: Valoración del Proyecto
 Conclusiones y líneas futuras
 Presupuesto
ÍNDICE

• Circuito eléctrico e interfaz para la propagación de ondas electromag.
• Distancia de campo lejano, Rff = 2D2/λ ;
siendo D la longitud de la antena receptora.
• Fórmula de radio-enlace de Friis,
𝑃𝑟 =
𝐺𝑡 ∙ 𝐺𝑟 ∙ 𝜆2
4𝜋𝑅 2
𝑃𝑡 ; 𝑅 ≥ 𝑅𝑓𝑓
LA ANTENA
Introducción
Transmisor Receptor

1. La Antena
1. Caracterización con Analizador de RF
• Medida del S11 de la antena en posición recta y en posición doblada
( Magnitud, VSWR, Carta de Smith )
2. Caracterización con Analizador de Espectros
• Estimación de la ganancia de la antena
• Pérdidas de retorno (-20 log|S11|) y ancho de banda
• Longitud de una antena y frecuencias de sintonía
• Reflexión de una antena doblada
• Ganancia de una antena y ganancia de un radio-enlace
LA ANTENA

1. Medida de S11
LA ANTENA
Ejemplo de medida
Recuerde que 𝑆11 =
𝑉1
−
𝑉1
+
𝑉2
+
=0
Cuando 𝑍𝑠 = 𝑍 𝑜1 y 𝑍 𝐿 = 𝑍 𝑜2
Analizador de RF
RF OUT RF IN

(Ancho de Banda = 400 MHz)
Gráfico 2.- Medida del 𝑉𝑆𝑊𝑅 =
1+ 𝑆11
1− 𝑆11
LA ANTENA
Ejemplo de medida
Gráfico 3.- Medida de S11

1. Cabeceras de RF
• Frecuencias de conversión en la salida de la unidad TX
• Ancho de banda de salida de la unidad TX
• Frecuencias de conversión en la salida de la unidad RX
• Rechazo de la frecuencia imagen en la entrada de la unidad RX
• Medida de la frecuencia moduladora recibida en una transmisión de FM
• Sintonización de canales en la unidad de recepción
• Receptor superheterodino
• Rechazo de la frecuencia imagen en la unidad de recepción
• Modulación en frecuencia (FM) de una señal sinusoidal
CABECERAS DE RF
Medidas y cuestiones teóricas

1. Medida de la Frecuencia de la señal Mensaje
contenida en una señal de FM
Analizador de Espectros (SA)Generador de Señales (SG)
50 MHz,
–15 dBm
868 MHz
50 MHz
818 MHz
15
0.5 m
CABECERAS DE RF
Ejemplo de medida

Gráfico 1.- Medida de la Frecuencia Moduladora de FM
= fn – fn-1 = 80 kHz
• La medida de los dos Front-
ends se realizó con una
potencia de IF de entrada
de -15 dBm y con ganancia
de 15 dB en el Amplificador
de IF de salida.
𝜑 𝐹𝑀 𝑡 ≈ 𝐴
𝑛 ≈ −
∆𝜔+𝜔 𝑚á𝑥
𝜔 𝑚
∆𝜔+𝜔 𝑚á𝑥
𝜔 𝑚
𝐽 𝑛
∆𝜔
𝜔 𝑚
cos 𝜔𝑐 + 𝑛𝜔 𝑚 𝑡
• Recuerde que cuando la
moduladora es un tono la
señal de FM toma la forma:
CABECERAS DE RF
Ejemplo de medida

1. Simulación usando bloques configurables en Agilent ADS
MODELO COMPORTAMENTAL
Entrenador ME1000
Figura 1 – Cabeceras de RF de un transmisor y un receptor heterodinos

1. Conclusiones
• En este proyecto se logra estudiar los conceptos fundamentales de la
radiofrecuencia.
• Se estudian los equipos de laboratorio para realizar medidas de RF.
• Se caracterizan los subsistemas del equipo ME1000 con diferentes
funciones.
• Se comprueba que no es posible la conversión de frecuencias homodina.
• La conversión de frecuencias superheterodina se realiza de manera
deficiente:
- disminuye la ganancia de conversión de los mezcladores,
- empeora el rechazo de la banda lateral suprimida.
• Ambos front-ends se encuentran sintonizados a 868 MHz y poseen un
ancho de banda de 1’5 MHz.
• Se ha conseguido redactar y comprobar 15 prácticas para el entrenador
ME1000.
CONCLUSIONES

2. Trabajos futuros
Posibles ampliaciones del proyecto serían:
• Caracterizar los subsistemas restantes del equipo entrenador ME1000.
• Completar los esquemáticos para poder simular todo el sistema a nivel
de transistores.
• Diseñar las etapas de frecuencia intermedia y de banda base para poder
transmitir información.
• Medir la distancia operativa del equipo, etc…
CONCLUSIONES

PRESUPUESTO
Resumen de los Costes del Proyecto
Descripción
Gastos
(€)
Costes de recursos humanos 210,35
Costes de ingeniería 15625,12
Costes de equipos informáticos 291,03
Costes de herramientas software 291,25
Costes de medidas y equipo ME1000 768,95
Otros costes 162,50
PRESUPUESTO FINAL 17349,20
TOTAL (IGIC 5%) 18216,66
Tabla 1.- Presupuesto total

Caracterización del equipo de prácticas ME1000 para el diseño de circuitos de RF

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