Diseño de una etapa rf utilizando la herramienta awr por Liliana Jorquera IV Jornadas dfe Investigación y Postgrado UNEXPO

1. DISEÑO DE UNA
ETAPA RF
UTILIZANDO LA
HERRAMIENTA AWR
Ing. Liliana M. Jorquera F.

2. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA
“ANTONIO JOSE DE SUCRE”
DIRECCION DE INVESTIGACION Y POSTGRADO
BARQUISIMETO
DISEÑO DE ETAPA DE RF
PARA
SISTEMAS WiMAX
EN
VENEZUELA
AUTOR: LILIANA JORQUERA
TUTOR: ING. DIMAS MAVARES

3. Una red inalámbrica esta constituida por un Transmisor, un
Receptor y un canal (no guiado). El transmisor y el receptor se
componen principalmente de una Etapa de Banda Base y una
Etapa de RF cada uno.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

4. Una etapa RF toma la señal banda base y la procesa
hasta una antena transmisora, así mismo tomo la señal de
recepción de la antena, procesándola de manera inversa
para convertirla nuevamente en señal banda base. Las
etapas RF analógicas se diseñan para flexibilidad y niveles
de integración, estas soluciones incluyen convertidores de
datos UP/DOWN, amplificadores de RF, IF, VCO,
mezcladores, entre otros.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

5. La tecnología WiMAX cuyos usos se centran en la
transmisión de voz, datos y video, su disponibilidad y la
gran necesidad de llevar acceso multiservicio a zonas
desasistidas hacen de esta tecnología no solo un
mecanismo de competitividad, sino una herramienta
social, la cual puede ser implementada en cualquier parte
del mundo. El estándar IEEE 802.16 WiMAX, define
soluciones para accesos en los rangos de frecuencia de
los 2 a los 60 GHz,
Ing. Liliana M. Jorquera F.

6. Para la recopilación de estos datos se tomo en cuenta la
banda ISM de 2.4 GHz. Con una frecuencia central de
374MHz y un ancho de banda de 20 MHz Decidiendo
utilizar la tecnología WIMAX, debido a sus bondades. Se
investigo las principales empresas fabricantes de
semiconductores, Delimitando este estudio a
componentes que operen bajo esta tecnologia.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

7. Parámetros del standard IEEE 802.16
Ing. Liliana M. Jorquera F.

8. FCOUT= GCONV=-10 dB
RFIFRQ= P1DB=10 dBm
GCONV=-10 dB IP3=30 dBm
AMP_B LO2OUT=-25 dB
BPFC BPFC P1DB=10 dBm
ID=A4 IN2OUT=-20 dB BPFB
ID=F1 ID=F2 IP3=30 dBm
GAIN=10 dB LO2IN=-25 dB ID=F5
LOSS=0 dB AMP_F LOSS=0 dB LO2OUT=-25 dB BPFC P1DB=10 dBm BPFB OUT2IN=-25 dB LOSS=0 dB
N=3 ID=A1 N=3 IN2OUT=-20 dB ID=F3 IP3= ID=F4 PLO=10 dBm N=3
FP1=0.5 GHz DATA="" FP1=0.5 GHz LO2IN=-25 dB LOSS=0 dB IP2= LOSS=0 dB PLOUSE=Spur reference only FP1=0.5 GHz
FP2=1.5 GHz NOISE=Auto FP2=1.5 GHz OUT2IN=-25 dB N=3 MEASREF= N=3 PIN=-10 dBm FP2=1.5 GHz
AP=0.1 dB RFIFRQ= AP=0.1 dB PLO=10 dBm FP1=0.5 GHz OPSAT= FP1=0.5 GHz PINUSE=IN2OUTH Only AP=3.0103 dB
NOISE=Auto NOISE=Auto PLOUSE=Spur reference only FP2=1.5 GHz
NF=3 dB FP2=1.5 GHz NF=10 dB NOISE=Auto
PIN=-10 dBm AP=0.1 dB NOISE=Auto AP=3.0103 dB NOISE=Auto
PINUSE=IN2OUTH Only NOISE=Auto RFIFRQ= NOISE=Auto
NF=10 dB
Esquema de la Etapa RF del Receptor
NOISE=Auto
1 2 3 4 6 7 8 9 11
IN OUT IN OUT
LO LO
10
5
1.-Filtro 2450 MHz OSC_S
7.-HP 374 MHz
ID=A3
NET="M" OSC_S
2.-LNA
PORT=1
FRQ=
HARMIDX=1
8.-Filtro 374 MHz ID=A6
NET="M"
PORT=1
PWR= FRQ=
PHS=0 Deg HARMIDX=1
CTRFRQ= PWR=
3.-Filtro 2450 MHz
SMPFRQ=
ZS=_Z0 Ohm
T=_TAMB DegK
9.- MIX 20 MHz PHS=0 Deg
CTRFRQ=
SMPFRQ=
NOISE=Auto ZS=_Z0 Ohm
PNOISE=No phase noise
10.-Oscilador 394 MHz T=_TAMB DegK
NOISE=Auto
4.-MIX 374 MHz PNOISE=No phase noise
5.-Oscilador 2823 MHz 11.-Filtro 20 MHz
6.-Filtro 374 MHz Ing. Liliana M. Jorquera F.

9. Amplificadores de alta frecuencia
La amplificación es una función crítica en un receptor y
transmisor inalámbrico. Virtualmente toda microonda y
amplificadores de RF usan hoy dispositivos de estado
sólido de tres terminales tales como (FETS) de (AsGa)
transistores de efecto de campo, arseniuro de galio o
transistores bipolares (BJT) de silicón (Si) o Germanio
silicón (SiGe), heterojuntion bipolar transistor (HBTS), y
transistor de movilidad de electrón alta (HEMTS).
Ing. Liliana M. Jorquera F.

10. Parámetros necesarios para realizar el diseño de un
Amplificador de alta frecuencia:
-Parámetros de Scatering
Los parámetros “S” son descriptores de potencia de una onda que permiten
definir relaciones de entrada-salida de una red en términos de ondas viajeras
incidente y reflejada.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

11. Convención usada para definir los parámetros S de una red de dos puertos.
Red de dos
puertos
El significado de los parámetros de scatering se especifican a continuación:
b1 potencia reflejada en el puerto 1
S11
a1 a2 0
potencia incidente en el puerto 1
b2 potenciatransm itid en el puerto 2
a
S 21
a1 a2 0
potencia incidente en el puerto 1
Ing. Liliana M. Jorquera F.

12. b2 potenciatransm itid en el puerto 2
a
S 21
a1 a2 0
potencia incidente en el puerto 1
b2 potencia reflejada en el puerto 2
S 22
a2 a1 0
potencia incidente en el puerto 2
b1 potencia transm itid en el puerto 1
a
S12
a2 a1 0
potencia incidente en el puerto 2
Ing. Liliana M. Jorquera F.

13. Ganancia de potencia unilateral máxima:
Es cuando Γs = S11 y Γl = S22 . Entonces
Para ganancia máxima del transductor unilateral
Zi Dispositivo
Acoplamiento Acoplamiento
de Redes de de Redes de
Entrada D Salida
Zl
Vi S
Gf
Gs Gl
Γs Zi Zo
Γin Γout
Ing. Liliana M. Jorquera F.

14. 1 2 1
Gtu max 2
S 21 2
1 S11 1 S 22
g s max g f gl max
Gs max G f Gl max
Ing. Liliana M. Jorquera F.

15. -Pruebas de Estabilidad:
La prueba de K-Δ muestra si el dispositivo es incondicionalmente estable por
la condición de Rollet, definida como:
2 2 2
1 S11 S 22
K 1
2 S12 S 21
Utilizando la condición auxiliar
S11 S 22 S12 S 21 1
Ing. Liliana M. Jorquera F.

16. Se tiene otra prueba
2
1 S11
1
S 22 S11 S12 S 21
Mientras mas grande el valor de implica mayor estabilidad
Ing. Liliana M. Jorquera F.

17. -Figura de Merito Unilateral
Cuando |S12| no es cero pero es muy pequeña, el error que ocurre debe ser
calculado por la figura de merito.
S12 .S 21 s l
X
1 S11 s 1 S 22 l
1 Gt 1
2 2
1 X Gtu 1 X
Ing. Liliana M. Jorquera F.

18. -Círculos de Figura de Ruido Constante
El centro y el radio están dados respectivamente por:
o
c Fi
1 Ni
1 2 2 1/ 2
rFi Ni Ni 1 o
1 Ni
Ing. Liliana M. Jorquera F.

19. -Diseño de Amplificadores de Alta-Ganancia
Procedimiento de Diseño, se deben cumplir los siguientes pasos:
1.-Listar las especificaciones del amplificador de microondas a ser diseñados,
tales como frecuencia, ganancia de potencia y salida de potencia.
2.-Encontrar un dispositivo que cumpla estas especificaciones.
3.- Medir los parámetros del dispositivo.
4.-Comprobar las condiciones de estabilidad
5.-Dibujar los círculos de ganancia constante.
6.-Calcular la figura unilateral de merito.
7.-Calcular el rango de error para la suposición unilateral..
8.-Diseñar las entradas y salida del acoplamiento para las redes para máxima
ganancia de potencia.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

20. Amplificador de Bajo-Ruido
Procedimiento de Diseño, se deben cumplir los siguientes
pasos:
1.-Dibujar los círculos de ganancia constante y ruido constante en la
misma carta de Smith.
2.-Calcular la máxima ganancia de potencia para el amplificador a
diseñar.
3.- Elegir círculo de ganancia de potencia para interceptarlo con
un círculo de bajo ruido para compensación.
4.-Determinar la entrada y la salida de las redes de acoplamiento.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

21. Osciladores
Procedimiento de Diseño:
1.-Calcular el factor de estabilidad k<1 para oscilación.
2.-Convertir los parámetros S a parámetros Z para la realización del
circuito oscilador.
3.- Convertir los parámetros Y desde los parámetros Z.
4.- Calcular los valores de los elementos para el circuito mostrado.
5.-Dibujar el circuito equivalente Serie-Oscilador.
6.-Calcular la máxima eficiencia de potencia de salida.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

22. Mezclador
Operación de frecuencia up-converted
fLO fRF = fLO ± fIF
fIF fLO
Oscilador
fLO – fIF fLO + fIF
Local
Oscilador
IF
Ing. Liliana M. Jorquera F.

23. -Operación de Down-converted de frecuencia fIF= fRF ± fLO
Operación de frecuencia down-converted
fRF fIF=fRF ± fLO
fLO fRF
Oscilador
fRF - fLO fRF + fLO
RF
Oscilador
local
Ing. Liliana M. Jorquera F.

24. Diseño de filtros mediante el método de perdidas de
inserción
Este método consiste en el diseño de un filtro prototipo pasa bajas
normalizado en términos de la impedancia y la frecuencia de corte, y el uso de
transformaciones para el escalamiento de las impedancias y de la frecuencia
para convertir el diseño normalizado en otro que posea la respuesta en
frecuencia y los niveles de impedancia deseados.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

25. Filtros
Utilizando el escalamiento de impedancia y la transformada de frecuencia, para
los valores de los elementos del circuito, se tiene:
g1 Z 0
L1
w0
C1
w0 g1 Z 0
g2
C2
w0 Z0
Z0
L2
w0 g 2
g3 Z0
L3
w0
C3
w0 L3 Z 0
Ing. Liliana M. Jorquera F.

26. FCOUT= GCONV=-10 dB
RFIFRQ= P1DB=10 dBm
GCONV=-10 dB IP3=30 dBm
AMP_B LO2OUT=-25 dB
BPFC BPFC P1DB=10 dBm
ID=A4 IN2OUT=-20 dB BPFB
ID=F1 ID=F2 IP3=30 dBm
GAIN=10 dB LO2IN=-25 dB ID=F5
LOSS=0 dB AMP_F LOSS=0 dB LO2OUT=-25 dB BPFC P1DB=10 dBm BPFB OUT2IN=-25 dB LOSS=0 dB
N=3 ID=A1 N=3 IN2OUT=-20 dB ID=F3 IP3= ID=F4 PLO=10 dBm N=3
FP1=0.5 GHz DATA="" FP1=0.5 GHz LO2IN=-25 dB LOSS=0 dB IP2= LOSS=0 dB PLOUSE=Spur reference only FP1=0.5 GHz
FP2=1.5 GHz NOISE=Auto FP2=1.5 GHz OUT2IN=-25 dB N=3 MEASREF= N=3 PIN=-10 dBm FP2=1.5 GHz
AP=0.1 dB RFIFRQ= AP=0.1 dB PLO=10 dBm FP1=0.5 GHz OPSAT= FP1=0.5 GHz PINUSE=IN2OUTH Only AP=3.0103 dB
NOISE=Auto NOISE=Auto PLOUSE=Spur reference only FP2=1.5 GHz
NF=3 dB FP2=1.5 GHz NF=10 dB NOISE=Auto
PIN=-10 dBm AP=0.1 dB NOISE=Auto AP=3.0103 dB NOISE=Auto
PINUSE=IN2OUTH Only NOISE=Auto RFIFRQ= NOISE=Auto
NF=10 dB
Esquema de la Etapa RF del Receptor
NOISE=Auto
1 2 3 4 6 7 8 9 11
IN OUT IN OUT
LO LO
10
5
1.-Filtro 2450 MHz OSC_S
7.-HP 374 MHz
ID=A3
NET="M" OSC_S
2.-LNA
PORT=1
FRQ=
HARMIDX=1
8.-Filtro 374 MHz ID=A6
NET="M"
PORT=1
PWR= FRQ=
PHS=0 Deg HARMIDX=1
CTRFRQ= PWR=
3.-Filtro 2450 MHz
SMPFRQ=
ZS=_Z0 Ohm
T=_TAMB DegK
9.- MIX 20 MHz PHS=0 Deg
CTRFRQ=
SMPFRQ=
NOISE=Auto ZS=_Z0 Ohm
PNOISE=No phase noise
10.-Oscilador 394 MHz T=_TAMB DegK
NOISE=Auto
4.-MIX 374 MHz PNOISE=No phase noise
5.-Oscilador 2823 MHz 11.-Filtro 20 MHz
6.-Filtro 374 MHz Ing. Liliana M. Jorquera F.

27. Salida en Voltaje de la Fuente de Alimentación
Ing. Liliana M. Jorquera F.

28. Filtro Pasabanda de 2450 MHz
Utilizando el escalamiento de impedancia y la transformada de frecuencia, para
los valores de los elementos del circuito, se tiene:
L1 635.1nH C1 0.0066pF
C2 174.5 pF L2 0.02418
nH
L3 635.1nH C3 0.0066pF
Ing. Liliana M. Jorquera F.

29. El diseño del filtro obtenido en el software AWR Desing Enviroment 9.0 es el
siguiente:
Filtro Pasabanda 2450MHz
CAP CAP
IND IND
PORT ID=C5 ID=C4
ID=L4 ID=L6
P=2 C=0.006644 pF C=0.006644 pF
L=635.1 nH L=635.1 nH
Z=50 Ohm
PORT
CAP P=1
IND Z=50 Ohm
ID=C6
ID=L5
C=174.5 pF
L=0.02418 nH
Ing. Liliana M. Jorquera F.

30. El resultado de la respuesta en Amplitud obtenido en el software AWR Desing
Enviroment 9.0 se muestra a continuación
Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 2450MHz
Ing. Liliana M. Jorquera F.

31. Se acopla la fuente al filtro pasabanda diseñado de 2450 MHz, en la figura se
muestra la grafica de entrada y salida.
Grafica entrada vs. Salida del filtro pasabanda de 2450 MHz.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

32. Amplificador de bajo ruido (LNA)
DCVS
ID=V1
V=5 V
CAP IND
M_PROBE ID=C1 ID=L3 M_PROBE
ID=VP2 C=2.3 pF L=35 nH ID=VP3
SUBCKT
ID=S2 2
NET="mgf1423b"
IND
CAP
1 ID=L2
ID=C2
L=19 nH
C=2.27 pF
IND
3
ID=L1
L=4.4 nH
Ing. Liliana M. Jorquera F.

33. Representación sobre la carta de Smith
90
1
120 60
trama
150 30
RS
C_S1
P_ S 0
180 0
RL
C_L1
P_ L
210 330
240 300
270
arg trama)
( RS C_S1 P _ S RL C_L1 P _ L
Ing. Liliana M. Jorquera F.

34. La figura muestra la salida vs. la entrada en dB. La grafica es obtenida con el
software AWR Design Enviroment 9.0, es la siguiente:
Grafica de entrada vs. Salida del circuito LNA
Ing. Liliana M. Jorquera F.

35. Se acopla el Amplificador de Bajo Ruido, para realizar este diseño se investigo un
transistor especifico con sus parámetros Scatering y este componente se creo en
el simulador cargando estos parámetros se muestra la grafica de entrada vs.
Salida.
Grafica entrada vs. Salida del LNA dentro del circuito
Ing. Liliana M. Jorquera F.

36. Nuevamente se adiciona un filtro pasabanda de 2450 MHz, se muestran la
grafica entrada vs. Salida.
Grafica de entrada vs. Salida del segundo Filtro de 2450 MHz.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

37. Mezclador de diferencia
DCVS
ID=V3
V=5 V
RES
ID=R2
salida IF
R=1000 Ohm
XFMR
ID=XF1 RES
N=1.0 ID=R1
PORT
1
o
1:n1
o
3
IF-
R=1000 Ohm
IF+ XFMR
ID=X2
N=1
CAP
ID=C1
C=5 pF
P=3 1 3
Z=50 Ohm 2 1:n1
PIN_ID=LO 4 o o
PORT
BSIM3V322 2 P=2
ID=BS1 BSIM3V322 4
2 D 2 Z=50 Ohm
L=0.5 um ID=BS3 D
1 3 DCVS PIN_ID=IF
1:n1 ID=SRC1 W=60 um L=0.5 um
o o W=60 um
V=1.5 V
1 4 4 1
2 4 G SS SS G
XFMR
3 S S
LO+
ID=XF2 3
LO-
N=1.0
PORT
P=1 CAP 2 D
Z=50 Ohm ID=C2 BSIM3V322
PIN_ID=RF C=5 pF ID=BS2
1 4 L=0.5 um
W=120 um
G SS
3 S
IND
ID=L1
L=10 nH
DCCS
ID=I1
I=5.55436395034577 mA
DCVS
ID=V1
V=1.41732237790578 V
Ing. Liliana M. Jorquera F.

38. Grafica entrada vs. Salida del mezclador de 374 MHz
Ing. Liliana M. Jorquera F.

39. Circuitos Osciladores de 2824 MHz
DCVS
ID=V1
V=100 mV
IND
ID=L1
L=1000 nH
TOM1
ID=XMFS2 CAP
AFAC=1.0 ID=C2
NFING=1.0 C=10 pF
1
PORT PORT
P=1 P=2
Z=50 Ohm Z=50 Ohm
2
3
RES
ID=R1SRL
ID=RL1
R=5 Ohm
R=10 Ohm
L=3.99 nH
CAP
ID=C1
C=0.435 pF
Ing. Liliana M. Jorquera F.

40. Filtro Pasabanda de 374MHz.
Diseño de un filtro pasabanda que tiene una respuesta de igual rizo de 0.5 dB
con N=3. La frecuencia central es de 374 MHz., la fracción del ancho de banda
es de 20 MHz. Y la impedancia de acoplamiento es de 50
L1 635.1nH C1 0.2851pF
C2 174.5 pF L2 1.038nH
L3 635.1nH C3 0.2851pF
Ing. Liliana M. Jorquera F.

41. Filtro Pasabanda 374 MHz
CAP CAP
IND IND
PORT ID=C10 ID=C9
ID=L10 ID=L12
P=1 C=0.2851 pF C=0.2851 pF
L=635.1 nH L=635.1 nH
Z=50 Ohm
PORT
CAP P=2
IND Z=50 Ohm
ID=C11
ID=L11
C=174.5 pF
L=1.038 nH
Ing. Liliana M. Jorquera F.

42. Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 374 MHz
Ing. Liliana M. Jorquera F.

43. Grafica de entrada vs. Salida del filtro de 374 MHz.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

44. Amplificador de Alta Potencia de 400 MHz.
DCVS
ID=V2
V=5 V
ACVS
ID=V1 IND
Mag=0.0032 V ID=L3 PORT
Ang=0 Deg SUBCKT L=35 nH P=1
PORT
P=2 Offset=0 V ID=S1 Z=50 Ohm
Z=50 Ohm DCVal=0 V NET="mgf2407a"
2
IND
CAP 1 ID=L2 CAP
ID=C1 L=170 nH ID=C2
C=6.5 pF C=4.42 pF
IND
3
ID=L1
L=16 nH
Ing. Liliana M. Jorquera F.

45. Grafica en dB salida vs. entrada
Ing. Liliana M. Jorquera F.

46. Se coloca a continuación el amplificador de alta potencia de 374MHz, se muestran
la figura de la pantalla del software y la grafica entrada vs. Salida.
Grafica de entrada vs. salida
Ing. Liliana M. Jorquera F.

47. Mezclador 20 MHz
Grafica de entrada vs. Salida del mezclador de 20 MHz.
Ing. Liliana M. Jorquera F.

48. Oscilador de 394 MHz.
IND
ID=L1 DCVS
L=2e6 nH ID=V1
V=1000 mV
TOM1
ID=XMFS2
AFAC=1
NFING=1
CAP
ID=C2
C=10 pF
1
PORT
P=1 PORT
Z=50 Ohm P=2
Z=50 Ohm
2
3
RES
ID=R1
R=5 Ohm
SRL
ID=RL1
CAP
R=10 Ohm
ID=C1
L=84 nH
C=1.6 pF
Ing. Liliana M. Jorquera F.

49. Filtro Pasabanda de 20 MHz.
Diseño de un filtro pasabanda que tiene una respuesta de igual rizo de 0.5 dB con
N=3. La frecuencia central es de 10 MHz., la fracción del ancho de banda es de
20 MHz. Y la impedancia de acoplamiento es de 50
L1 635.1nH C1 398.8 pF
C2 174.5 pF L2 1451
nH
L3 635.1nH C3 398.8 pF
Ing. Liliana M. Jorquera F.

50. El diseño del filtro obtenido en el software AWR Desing Enviroment 9.0 es el
siguiente:
CAP CAP PORT
PORT IND IND P=1
ID=C2 ID=C1
P=2 ID=L1 ID=L3 Z=50 Ohm
C=398.8 pF C=398.8 pF
Z=50 Ohm L=635.1 nH L=635.1 nH
CAP
IND
ID=C3
ID=L2
C=174.5 pF
L=1451 nH
Ing. Liliana M. Jorquera F.

51. Respuesta en Amplitud del filtro pasabajos de 20 MHz
Ing. Liliana M. Jorquera F.

52. Finalmente se acopla el filtro pasabaja de 20 MHz. Se obtiene una ganancia
total del receptor de 19 dB. Representada por los impulsos en color azul. Se
muestran pantalla del circuito y grafica de entrada vs. salida.
Grafica de entrada vs. salida
Ing. Liliana M. Jorquera F.

53. Ing. Liliana M. Jorquera F.

54. Ing. Liliana M. Jorquera F.

55. Ing. Liliana M. Jorquera F.