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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

Departamento de Electrónica

Materia: Medidas Electrónicas 2

Proyecto: “FILTRO PASABANDA 2 GHZ CON MICROSTRIP”

Docente: Ing. Henze, Alejandro Ayudante de TP: Ing. Di Bruno, Federico

Grupo N°: 3

Alumnos :

Apellido y Nombre Legajo

1 Scazzariello, Pablo 114637-3

2 Nadra, Marcos 116452-1

3 Grassano, Franco 131373-3

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6

Entrega Informe Fecha Firma

Primer entrega 11 / 12 / 12

Aprobación / / 12

Entrega Devolución Re-entrega Firma Recepción

2° / / 12 / / 12

3° / / 12 / / 12

4° / / 12 / / 12

UTN – FRBA – ME2 Diciembre, 2012

II

ÍNDICE

Pág. 1. Introducción …………………….………………………………………….…….……….. 3

2. Desarrollo del Trabajo …...........................................………….……………..……… 3

2.1. Descripción …………………….…………………………………..….................…. 3

2.2. Principio de funcionamiento ……………….……………….……….................… 4

2.3. AnsoftDesigner SV ……………………………….…………….………....….……. 8

2.4. Simulaciones ……………………………...........………………….…………..……. 10

2.5. Mediciones Realizadas ……………………..................……………………...……. 11

3. Resultados ………………………………….…………………………………………..…. 16

Comparación entre simulaciones y mediciones.............................................. 16

4. Discusión ………………………………….…………………………………………….... 18

5. Conclusiones ………………………………….…………………………………………... 19

6. Referencias ………………………………….……………………………..…………..…. 19

7. Anexos ………………………………….……………………………..………………........ 20


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FILTRO PASABANDA 2 GHZ CON MICROSTRIP

Grassano, Franco / Nadra, Marcos / Scazzariello, Pablo Docente a cargo: Ing. Henze, Alejandro

Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires Medidas Electrónicas 2

Resumen: En este artículo se presenta el diseño y análisis del filtrado de señales en la banda de 2 GHz, usando la tecnología de microcinta como una opción para el desarrollo de nuevas aplicaciones en RF. Además, se resaltan las ventajas que brinda ésta técnica al trabajar en frecuencias de microondas, especialmente, en cuanto a costo y tamaño. Se inicia con el estudio de las distintas formas y topologías para diseñar esta clase de circuitos, hasta la implementación de adaptadores y filtros que cumplan con especificaciones requeridas, posteriormente se realiza una comparación en cuanto a los resultados obtenidos usando herramientas de simulación y las medidas de los prototipos desarrollados.

1. INTRODUCCIÓN El uso masivo del espectro radioeléctrico mediante el desarrollo de una gran cantidad de aplicaciones de telecomunicaciones, ha llevado a que algunas bandas, especialmente las más apetecidas para aplicaciones móviles, se saturen y estén a punto de colapsar. Es por eso que surge la necesidad de transmitir en bandas de frecuencias cada vez más altas (del orden de los GHz), lo que conlleva a que el desarrollo de nuevas aplicaciones hardware tenga un mayor grado de dificultad debido a los fenómenos que experimentan los elementos tradicionales en estos rangos de frecuencia. Como consecuencia de esto, la tecnología de micro líneas se perfila como alternativa que supera estos inconvenientes, además que proporciona ventajas significativas en cuanto a facilidad de construcción y de bajo costo. Por lo anterior, esta tecnología poco a poco se ha convertido en una tecnología de uso masivo llegando a ser ampliamente utilizadas en sistemas microondas tales como: sistemas de comunicación personal, comunicaciones móviles satelitales, redes de área local inalámbricas (WLAN’s), tecnologías tales como bluetooth y telefonía celular, entre otras. En este artículo se presentan los conceptos básicos de filtros, diseño de los dispositivos mencionados en la banda de 2 GHz para algunos requerimientos específicos con la ayuda de la herramienta de simulación y diseño Ansoft-Designer-SV, se dan las pautas para la construcción de los prototipos en cuestión usando tecnología de microcintas y finalmente se comparan los resultados obtenidos en la simulación y medidos en laboratorio con la ayuda de un analizador de espectro donde obtendremos solamente el módulos de los parámetros S. 2. DESARROLLO DEL TRABAJO

2.1. Descripción: El filtro elegido para realización del prototipo es un Pasabanda centrado en 2Ghz con un ancho de banda de 200 Mhz. Se debe elegir en la primera etapa del proyecto la placa de especificaciones FR4 donde se realizará el circuito de micro-líneas. Luego el circuito se realiza en el Programa “Ansoft-Designer-SV”, con la aplicación llamada “FilterDesignerWizard”, una sencilla interfaz que en pocos minutos se puede diseñar y simular un filtro desde especificaciones dadas. Se transfiere el circuito a la placa con algún método especifico (en este caso utilizamos transferencia térmica) y se ataca la placa con algún químico. Una vez que poseemos el circuito finalizado se realizan las mediciones pertinentes de los parámetros |S11|, |S22|, |S21| y |S12|.


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2.2. Principio de funcionamiento

La línea Microstrip es una de las líneas de transmisión de tipo planar más populares, principalmente porque se puede fabricar mediante procesos fotolitográficos y se pueden integrar fácilmente otros componentes de microondas activos y pasivos. En una línea de transmisión microstrip el material dieléctrico no rodea completamente a la tira conductora y consecuentemente el modo fundamental de propagación no es un modo TEM puro. A bajas frecuencias, típicamente por debajo de unos pocos GHz para líneas microstrip prácticas (los valores concretos dependerán de las dimensiones y constante dieléctrica de la estructura), el modo es un modo cuasi-TEM. En este rango de frecuencias, la línea de transmisión microstrip se puede caracterizar en términos de su capacitancia e inductancia por unidad de longitud, en un modo similar a los modos TEM puros. Desafortunadamente, no hay expresiones analíticas cerradas que se puedan utilizar para describir la distribución del campo o las características de las líneas de transmisión planares, para esto se utilizan software de simulación. La estructura general de una microstrip esta ilustrada en la siguiente Figura. Una tira conductora (línea microstrip) con un ancho W y un espesor t esta en la parte superior de un substrato dieléctrico que tiene una constante dieléctrica relativa εr y un espesor h, y por debajo del substrato esta un plano de masa (conductor).

Estructura general microstrip.

Líneas de campo eléctrico y magnético.

Las características de transmisión de microstrips son descritas por dos parámetros, llamados, la constante dieléctrica efectiva εre y la impedancia característica Zc, que se pueden obtener mediante el análisis cuasi-estático de los campos. Las líneas microstrip acopladas son ampliamente utilizadas para la implementación de filtros y acopladores microstrip. La siguiente figura ilustra la sección transversal de un par de líneas microstrip acopladas, donde las dos líneas microstrip de anchura W están en la configuración en paralelo con una separación s.

Sección transversal de líneas microstrip acopladas


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Recientemente se están llegando a obtener respuestas similares con resonadores acoplados en tecnología microstrip que con las guías de onda. Esta tecnología tiene la ventaja de conseguir diseños con un menor costo, tamaño y peso, aunque tiene pérdidas mayores. A pesar de ello es una buena elección debido a la facilidad de construcción de filtros y a la posibilidad de usar esta tecnología en bandas de frecuencia de microondas relativamente bajas o cuando las especificaciones de pérdidas de inserción no sean excesivamente severas. Las discontinuidades microstrip comúnmente encontradas en filtros y acopladores incluyen steps (cambios de anchura), líneas terminadas en abierto, codos, huecos (ausencia de contacto directo por metal en la línea en un pequeño tramo), y uniones en cruz. En función de ello podemos obtener distintos comportamientos equivalentes eléctricos para el diseño del filtro deseado:

Discontinuidades microstrip; (a) step-Cambio de anc ho; (b) final abierto; (c) hueco; (d) codo

La necesidad de filtros pasabanda con alta selectividad en frecuencia y bajas pérdidas de inserción se ha incrementado con la aparición de los modernos sistemas de comunicaciones de microondas, sobre todo comunicaciones móviles y por satélite. Por este motivo han cobrado especial fuerza los filtros pasabanda formados por resonadores acoplados, ya que son capaces de satisfacer estos requerimientos. Una forma de implementar estos filtros para lograr una mayor selectividad en frecuencia es mediante la utilización de acoples cruzados entre resonadores no adyacentes, que van a permitir la aparición de ceros de transmisión finitos. Además, van a ser capaces de permitir respuestas asimétricas respecto a la frecuencia central de la banda de paso, haciendo así que el filtro sea únicamente selectivo en una parte de la banda de paso. Esto permitirá disminuir el tamaño final del filtro en los casos en que sólo importe la selectividad en un lado de la banda de paso. El aumento del orden de un filtro hace que se incrementen las pérdidas del mismo. Para mejorar las características del filtro sin aumentar el orden se recurre a la incorporación de ceros de transmisión finitos


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próximos a la banda de paso. En el caso de realizar el filtro en tecnología microstrip dichas pérdidas son bastante mayores que en otros tipos de estructuras. Por ello al trabajar con tecnología microstrip es de especial interés buscar estructuras que incorporen ceros de transmisión. Además, para frecuencias bajas es importante la compactación física del filtro. La forma más directa para conseguir ceros finitos es la introducción de acoples cruzados dentro de la estructura del filtro. Estos acoples proporcionan una vía alternativa a la propagación de energía electromagnética entre la entrada y la salida. Un ejemplo de estructura física en la que se cumple esto:

Esquema de un filtro de cuarto orden con dos ceros de transmisión simétricos. Realización mediante estructuras hairpi n.

Como puede verse, la solución implementada utiliza líneas de longitud λ/2 plegadas para formar resonadores Hairpin . El camino directo de propagación de la energía electromagnética se realiza mediante acoplamiento longitudinal entre los cuatro resonadores. El camino alternativo se realiza mediante un salto o gap entre el resonador de entrada y de salida. La entrada y la salida del filtro se han implementado mediante línea taped. Los acoplamientos entre los resonadores de un filtro en microstrip se deben a la proximidad de las líneas y están basados en los campos de efecto de borde: la naturaleza y la extensión de los bordes determinará la naturaleza y la magnitud del acoplamiento. En el caso de filtros con resonadores hairpin podemos identificar cuatros estructuras útiles, que se muestran en la Figura:

Estructuras básicas de acoplo de resonadores hairpi n

Cada estructura es identificada por el tipo primario de acoplamiento que se produce en ella. En resonancia el campo de efecto borde eléctrico es mucho más fuerte en los extremos abiertos mientras que el magnético es más fuerte en la parte media del resonador. Los acoples magnético y eléctrico pueden mostrar signo distinto uno respecto al otro y esto posibilita la inclusión de ceros de transmisión en la respuesta si se utilizan distintos signos para el camino directo y para el camino alternativo en la propagación de energía electromagnética. El caso de la estructura mixta I presenta como principal peculiaridad que la magnitud del acoplo es mayor para una separación entre líneas arbitraria que el resto de casos, por lo que se utilizará


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principalmente para el camino directo que es el que requiere mayores acoplamientos. Finalmente, la estructura mixta II es la única en la que el coeficiente de acoplamiento no decrece monótonamente con la distancia sino que crece al principio para luego decrecer. Al tratarse de acoplos por proximidad, la fuerza del acoplamiento dependerá de la distancia de separación entre resonadores. El uso de una u otra depende del ancho de banda del filtro que requerirá un mayor o menor acoplamiento. En el primer caso se utiliza la línea taper, mientras que en el segundo se puede utilizar la entrada mediante línea acoplada.

Estructuras básicas para la implementación de la en trada y la salida

del filtro. (a) Línea acoplada. (b) Taper. El espacio de separación entre dos resonadores no puede ser excesivamente pequeño porque la resolución en la construcción física del filtro restringe el parámetro; el acoplo cruzado es eléctrico porque requiere un valor menor que el magnético o el mixto.; las esquinas de los resonadores hairpin están achaflanadas para reducir sus efectos como discontinuidad; la entrada está realizada por taper porque permite acoplar entradas cuando el espaciado para alimentar con línea acoplada sería demasiado pequeño y el taper está estrechado en su contacto con el resonador para conseguir una mejor características de reflexión en la banda de paso. La topología Hairpin implementada en este diseño pasabanda realizada con acoplos cruzados permite la generación de ceros de transmisión finitos y respuestas asimétricas en frecuencia, muy útiles en ciertas aplicaciones. La mayor ventaja que presentan los filtros pasabanda construidos con este tipo de resonadores es que van a permitir tamaños más reducidos. Un menor tamaño proporcionará menor peso, menor costo y menores pérdidas.


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2.3. AnsoftDesigner SV

Se selecciona el filtro del tipo pasabanda con una topología “Hairpin – Tapped Input”, Aproximación “Maximally Flat” y Prototipo “Microstrip”.

Luego se seleccionan las especificaciones que se deseen para el filtro. En este caso se selecciono de orden 5. BW: 200Mhz y centro en 2Ghz y terminaciones en 50 Ohms.


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Se exporta el circuito y el PCB.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P=p2W=w1

W1=w1W2=w1

W1

=w

1W

2=

w1

P=p2W=w1

W1=w1W2=w1

P=p2W=w1

W1=w1W2=w1

W1

=w

1W

2=

w1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P=p2W=w1

W1=w1W2=w1

W1

=w

1W

2=

w1

P=p2W=w1

W1=w1W2=w1

W1

=w

1

W2

=w

1

12

3W

1=

w1

W2

=w

1W

3=

w1

12

3

W1

=w

1W

2=

w1

W3

=w

1

Port1

Port2


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2.4. Simulaciones

Fig. 1. Parámetros simulados |S21| y |S12|.

Fig. 2. Parámetros simulados |S11|.


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Fig. 3. Parámetros simulados |S22|.

2.5. Mediciones Realizadas Setup para mediciones de |S12| y |S21|:

Fig. 4. Setup de medición del parámetro |S21|.

Analizador Espectro in Tr

DUT


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Medición en banda de paso:

Medición de S12/S21

Fig. 5. Medición centro del filtro.

Resultado: -2,76 dB @ 2,10 Ghz

Medición de Ancho de Banda:

Fig. 6. Medición de Ancho de banda

Resultado: 226,47 Mhz


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Setup para mediciones de |S11| y |S22|:

Fig. 7. Setup para medición de |S11| y |S22|

Analizador Espectro in Tr

DUT Puente

Direccional

Carga de 50 Ohms


14

Medición de S11

Fig. 8. Medición S11 primer pico

Fig. 9. Medición S11 segundo pico


15

Medición de S22

Fig. 10. Medición S22 primer pico

Fig. 11. Medición S22 segundo pico


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3. RESULTADOS

3.1. Resultados de las Simulaciones

䦋 Simulación

F0 (S21/S12) 2.00 GHz

Ancho de Banda 200.00 MHz

Atenuación en Banda de Paso -3.26 dB

S11 -9.19 dB ; -8.05 dB

S22 -12.00 dB ; -21.00 dB

3.2. Resultados de la Mediciones Realizadas

䦋 Mediciones

F0 (S21/S12) 2.10 GHz

Ancho de Banda 226.47 MHz

Atenuación en Banda de Paso -2.76 dB

S11 -8.35 dB ; -10.36 dB

S22 -18.94 dB ; -21.38 dB

3.3. Tabla Comparativa de Resultados

䦋 Simulación Mediciones

F0 (S21/S12) 2.00 GHz 2.10 GHz

Ancho de Banda 200.00 MHz 226.47 MHz

Atenuación en Banda de Paso -3.26 dB -2.76 dB

S11 -9.19 dB ; -8.05 dB -8.35 dB ; -10.36 dB

S22 -12.00 dB ; -21.00 dB -18.94 dB ; -21.38 dB


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Fig. 12. Comparación S12/S21 – Simulación / Medición

Fig. 13. Comparación S11 – Simulación / Medición

Fig. 14. Comparación S22 – Simulación / Medición


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4. DISCUSIÓN Uno de los principales problemas con el cual nos encontramos fue la limitación que tuvimos al comenzar el diseño del filtro mediante una topología Microstrip distinta a la que finalmente utilizamos. Comenzamos el diseño del filtro mediante la implementación de líneas paralelas acopladas:

Con esta topología tuvimos el problema que ocupaba demasiado espacio físico en el sustrato y se debían lograr resoluciones muy precisas en las distancias y geometrías de las microtiras. Luego, al ir incorporando mayor conocimiento del software de desarrollo y la teoría del Microstrip, optamos por desarrollar nuestro proyecto mediante la topología Hairpin , la cual se describió en el desarrollo de este trabajo en la sección 2.2, y que permite la generación de ceros de transmisión finitos para lograr la respuesta pasabanda buscada, y que nos permitió lograr tamaños más reducidos y consecuentemente menores pérdidas.

Otro problema con el cual nos encontramos fue la especificación de la constante dieléctrica de las placas, ya que la mayoría de los fabricantes proporcionan esta especificación para frecuencias relativamente bajas, no teniendo información para poder extrapolar a la frecuencia de trabajo. Optamos por la placa de especificaciones FR4 (Rogers RO4350B) en la cual el fabricante nos proporcionaba mayor información que lo otros fabricantes, y teniendo en cuenta que hay una alta dependencia de la frecuencia central del diseño con el er de dieléctrico de la placa.


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5. CONCLUSIONES La comparación entre los resultados experimentales y las simulaciones teóricas muestran buena concordancia. Únicamente se observa un ligero desplazamiento en frecuencia que podemos asociarlos a las siguientes causas:

• Tolerancia de la constante dieléctrica del substrato. Ya que hay una alta dependencia de la frecuencia central del diseño con el Er. de dieléctrico de la placa.

• Con las técnicas que utilizamos de traspaso de diseño a la placa, se nota unas imperfecciones por la

definición utilizada en la impresora. Al no tener un VNA para esas frecuencias debimos utilizar un Analizador de Espectro y solo centrarnos en medir módulos de los parámetros S. Si hubiéramos dispuesto del uso de un VNA con un rango compatible, se podrían obtener los valores de módulo y fase de los parámetros S. Cuanto menor es el BW del dispositivo mayor será la atenuación del filtro en la banda de paso. AGRADECIMIENTOS Ing. Di Bruno, Federico por la motivación y ayuda dada, cada vez que realizábamos algún avance del Proyecto. 6. REFERENCIAS [1] Trabajo realizado en 2011 grupo 3, para la determinación del Er del material fr4. [2] Rogers CORP., “RO4000® Laminates – Data sheet”, http://www.rogerscorp.com/acm/products/16/RO4000-

Series-High-Frequency-Circuit-Materials-Woven-glass-reinforced-ceramic-filled-thermoset.aspx, 01-09-12.


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7. ANEXOS Propiedades de la Placa FR4 elegida, de la empresa Rogers.

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