02 Adaptación de impedancias en RF [Modo de compatibilidad]
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ELECTRNICA DE COMUNICACIONESADAPTACIN DE IMPEDANCIAS EN RF
Prohibida la reproduccin de cualquier parte de este documento, por cualquier medio y, especialmente para su empleo en la imparticin de cursos o seminarios sin permiso por escrito del autor.
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rea de Tecnologa ElectrnicaDpto. de Ingeniera Electrnica y ComunicacionesUNIVERSIDAD DE ZARAGOZA ESPAA
Electrnica de Comunicaciones
Adaptacin de impedancias en RF
2011 Arturo MEDIANO Carlos BERNAL - [email protected]
Arturo [email protected]
Diseo electrnico para comunicaciones en RF
ndice
INTRODUCCIN A LA ELECTRONICA DE COMUNICACIONES.
Introduccin y revisin de conceptos bsicos.
Diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones.
ESPECIFICACIONES DE DISEO DE TRANSMISOR Y RECEPTOR.
Especificaciones del transmisor. Especificaciones del receptor.
TCNICAS DE DISEO EN ELECTRNICA DE COMUNICACIONES.
Adaptacin de impedancias en RF. Filtros de RF. Amplificadores de RF. Osciladores de RF. Mezcladores de RF. Moduladores analgicos y digitales. Bucles enganchados en fase (PLLs). Demoduladores analgicos y digitales. Ruido en electrnica de comunicaciones.
TCNICAS ESPECIALES Y APLICACIONES
Tcnicas especiales.
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Objetivos del tema
Analizar la influencia de las impedancias de fuente y carga en el ancho de banda (QL) de un circuito resonante.
Presentar equivalentes serie-paralelo y paralelo-serie de circuitos RC y RL. Este apartado permite en posteriores simplificar una red RLC.
Analizar la influencia de los elementos parsitos de los componentes en la resonancia de circuito (QL y/o fo).
Introducir la necesidad de TRANSFORMAR impedancias. Se presentan las redes TAPPED-C y TAPPED-L.
Ser capaces de conseguir resonancias con factores de forma pequeos a partir del circuito resonante bsico. Introducir el concepto de FACTOR DE FORMA. Presentar los acoplamientos con C, L o transformador.
Conocer las tcnicas de diseo de redes de adaptacin de impedancias empleadas en RF.
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Resonancia paralelo
1 10 100 1000 10000Frequency (MHz)
-50
-40
-30
-20
-10
0
142 MHz -0.0229
20 MHz -18.2
10 MHz -25.3
2.01e+03 MHz -23.9
1.01e+03 MHz -17.9
DB(|VTG[2,1]|)Low Pass
DB(|VTG[2,1]|)HighPass
DB(|VTG[2,1]|)Bandpass
Gv(dB) 50 OhmR1
25 pFC1
50 OhmR1
50 nHL1 QL
fo
BW:=
QL 1.123=50nH
25pF
50
50
25 pFC1
50 nHL1
50nH25pF
50
A.M
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Influencia de Zs y ZL
1 10 100 1000Frequency (MHz)
-80
-60
-40
-20
0Vgain[dB]
CONCLUSINES DIFCIL ALCANZAR QCUANDO RS Y/O RL SON
BAJAS.
RS=50QL=1.1
RS=1000QL=22.5
C1 50 nHL1 50nH
25pF
RS RL=
fR=142.353MHz
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El equivalente global ... OBJETIVO: construir un equivalente RLC paralelo donde:
Xp ser la reactancia de CT o LT en fo. Rp IMPLICA QL. De forma equivalente, Rp IMPLICA QL Dadas Rs y RL, QL es mayor si L y C.
RpRS RL
RS RL+:=
QLRp
Xp:=
fo1
2 L C:=
Rp
CTLT
1 10 100 1000 10000Frequency (MHz)
-80
-60
-40
-20
0
DB(|VTG[2,1]|)Bandpass
L=50nHC=25pF
L=2.5nHC=500pF fo=142.35MHz
QL=1.1
Rp=50
QL=22.4
Vgain[dB]
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Equivalentes serie-paralelo (1)
CpRp Cs
Rs
Xp 1w Cp:=
Qp RpXp
:=1Rs Rp
1 Qp2+:=
Cs Cp Qp2
1+Qp
2:=
Xs 1w Cs:= Q
CpRpCs
Rs
Qs XsRs
:= Rp Rs 1 Qs2+( ):=
Cp CsQs
2
Qs2
1+:=
Los siguientes equivalentes permitirn simplificar los circuitos con los que trabajemos posteriormente ...
SUGERENCIA: Trata de analizar el caso de Qp
Xs Xp Qp2
Qp2
1+:=
SUGERENCIA: Trata de analizar el caso de Qs
Xp Xs 1 Qs2+
Qs2:=
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Equivalentes serie-paralelo (2)
LpRp
Ls
Rs
Ls
Rs
LpRp
Xp w Lp:=
Qp RpXp
:=Xs Xp
Qp2
Qp2
1+:=
Rs Rp
1 Qp2+:=
Ls Lp Qp2
Qp2 1+:=
Xs w Ls:=Qs Xs
Rs:=
Xp XsQs2 1+
Qs2:=
Rp Rs 1 Qs2+( ):=Lp Ls
Qs2 1+Qs2
:=
Los siguientes equivalentes permitirn simplificar los circuitos con los que trabajemos posteriormente ...
SUGERENCIA: Trata de analizar el caso de Qp
SUGERENCIA: Trata de analizar el caso de Qs
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1 10 100 1000Frequency (MHz)
.1
1
10
100
1000
100 MHz 33
|ZIN[1]|Equivalents
|ZIN[2]|Equivalents
QU IMPEDANCIAES LA DE CADA UNODE LOS CIRCUITOS?
ZTOTAL()
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Equivalente SLO en 1 frecuenciaEJEMPLO
Bobina de 50nH, nucleo de aire con Q=3.14 a 100MHz.
Ls
Rs
Rs = 10
LpRp Rp 108.696 =Xp 34.599 =Lp 55.066 nH=
z Clculo del equivalente:
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Cmo influye el valor de Qu (1)
Trataremos ahora de evaluar la influencia de los parsitos de los componentes.
RS=1000
RL=1000
1.- Red adaptada en potencia ...
1000
1000fo
142.3MHz
2.- Se introduce una LC paralelo ...
50nH
25pF
POSIBILIDAD IDEAL:
L = 50nHQu = 3.14 @ 100MHz
ESR = 10
QuC = 25pF
POSIBILIDAD REAL:
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Cmo influye el valor de Qu (2)
1 10 100 1000Frequency (MHz)-80
-60
-40
-20
0Vgain[dB]
RS=1000 RL=1000IDEAL
143 MHz -16.7dB
-6dB
REAL
Rp=211
Permiten comparar lasituacin SIN y CON la red.
PRDIDAS DE INSERCININSERTION LOSSES (IL)
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Diseo electrnico para comunicaciones en RF
L y Cpueden no
ser prcticassi se desea un alto Q y el
paralelo de Rs y RL es pequeo
Dos conclusiones
1) La mala calidad de los componentes (Qu) provoca: una reduccin en QL (ms ancho de banda) y, prdidas de insercin (IL) en la seal deseada (que se acumulan en la
cadena de etapas).
2) El diseador puede para un cierto QL deseado ... Seleccionar L y C para unas ciertas Rs y RL.
Seleccionar Rs y RL ptimas.
Rs y RLnormalmente
definidas
QL Xpfija L y C
Rs y RLnormalmente
definidas
QL TRANSFORMARIMPEDANCIAS
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Transformacin de impedancias
La TRANSFORMACIN DE IMPEDANCIAS permite engaar a un circuito haciendole ver la impedancia que nos interesa a una(s) determinada(s) frecuencia (s).
Transformador o dividir uno de los componentes en dos obteniendo un grado de libertad.
TAPPED-C
C1
C2R2
Rt
L
TAPPED-L
L1
L2R2
Rt
C
Rt > R2 Rt > R2
Rt
R2
TRANSFORMADOR
n1 n2
N=n1n2
Rt = N2 x R2
NOTA: Cuidado con la definicin de N
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Transformador Tapped-C
SUGERENCIA: Trata de deducir las ecuaciones haciendo uso de las equivalencias serie-paralelo.
Rt > R2 OBJETIVO HABITUAL
Calcular C1 y C2 para que R2sea transformada a Rt a la frecuencia de resonancia de la red (fo) y con el ancho de banda BW especificado (BW).
C1
C2R2
Rt
L
Q p
RtCt
LN Rt
R2:=
QtfoBW
:= Ct 12 BW Rt:=
L1
2 fo( )2 Ct:=
RseCse
Qp Qt2
1+N
2
1:=
CseC2 Qp
21+( )
Qp2
:=
C2 N Ct:=
C1C2
N 1:=
C2Qp
2 fo R2:=
C1 Cse CtCse Ct:=
CASO TPICO Y SIMPLIFICACIN:
Qp QtN
:=QtN
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Transformador Tapped-L
SUGERENCIA: Trata de deducir las ecuaciones haciendo uso de las equivalencias serie-paralelo.
Rt > R2 OBJETIVO HABITUAL
Calcular L1 y L2 para que R2sea transformada a Rt a la frecuencia de resonancia de la red (fo) y con el ancho de banda BW especificado (BW).
RtC
LtN Rt
R2:=
QtfoBW
:=
Qp Qt2
1+N
2
1:=
RseLse
Qp QtN
:=
CASO TPICO Y SIMPLIFICACIN:
QtN
10
L1
L2R2
Rt
C
Q p
LseL2 Qp
2( )Qp
21+( ):=
L2 R22 fo Qp:=
L1 Lt Lse:=
L2 LtN
:=L1 Lt L2:=
C 12 BW Rt:=
Lt1
2 fo( )2 C:=
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Transferencia de potencia
Vout RL( )
V
Pout RL( )
W
RL()0.1 1 100.01
1
0.5
0
Valor de RL para obtener mxima Pout ?.RS=1
RLVS=1V
Vout
z Habitualmente se emplea adaptacin de impedancias para:
OBTENER PTIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIA ENTRE ETAPAS.
EVITAR REFLEXIONES CUANDO SE TRABAJA CON LINEAS DE TRANSMISIN.
PROTEGER AMPLIFICADORES DE POTENCIA QUE VEN DESADAPTADA SU SALIDA.
z Ejemplo prctico ...
Transmisor Linea de transmisin (50) Sistema radiante(50) (50)
A. Mediano 2007
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Adaptacin de impedancias
MAmplificador
FiltroMezcladorOscilador
Etc
AmplificadorFiltro
MezcladorOscilador
Etc
REDDE
ADAPTACIN
Zs ZLZs* ZL* z Topologas ms habituales ...X1
X2RED EN L
X1
X2
RED EN TX1
X2
X3
RED EN PI
X2 X3X1
600
10
122.4nH
20.4pF
600 @ 100MHz600
10
ATT = -11.9dB 10 @ 100MHz
SUGERENCIA: Trata de utilizar los equivalentes serie-paralelo y paralelo-serie para entender el modo en que trabaja la red.
IMPORTANTESLO SE CONSIGUE ADAPTACINPERFECTA EN UNA FRECUENCIA
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Red en L: diseo.
Pasobajo
Pasoalto
IDEANo pasa DC.
Qs RpRs
1:=
Qp Qs:=Xs Qs Rs:=Xp Rp
Qp:=
ECUACIONES DE DISEO
z Precauciones Usar como valor de Rp en las ecuaciones el mayor de las
resistencias terminales. Siempre Xs y Xp debern ser de naturaleza diferente
(inductiva vs capacitiva). Dadas Rs y Rp, esta red NO PERMITE fijar un Qtotal.
Xs
Xp Rp
Rs
Rama Serie Rama ParaleloQs Qp
Rp > Rs
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Redes en PI y T: diseo.
Si Rs y Rp son fijas,Q est definido.
Qs RpRs
1:=
Limitacin red en L. Solucin. Aadir un elemento ms. El Q alcanzado es siempre mayor o igual al de la L. Las redes se disean como en L pero hacia una
resistencia intermedia virtual.
X2 X3X1
X2
X1a
X3
X1b
R
X1 X3
X2a R
X1
X2
X3
RLRS RLRS
RS RL
RL
RS
R < RsR < RL
R > RsR > RL
Q RhR
1:=
Rh = la mayor entre RS y RL
El Qtotal (Q), lo determina la rama L con mayor Q
Rs = la menor entre RS y RL
PI T
Q RRs
1:=
X2b
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Adaptacin en banda ancha
HASTA EL MOMENTO ... Una red en L me permite adaptar Rs y RL pero el Q es fijo (al estar Rs y RL fijas). Si el Q ofrecido por esa red no es suficiente utilizo una red en PI o en T. Solucin idonea
para adaptacin de banda estrecha (NARROWBAND MATCHING). QU HACER SI NECESITO BANDA ANCHA Y EL Q DE UNA RED L ES
DEMASIADO ALTO?. SOLUCIN 1: transformadores de RF. SOLUCIN 2: encadenar N redes en L.
Xs1
Xp1 R RLRS
Rs < R < RL
Xs2
Xp2
Suponiendo un caso de RS < RL:
Si RS > RL se invierte la red.
DISEO:1) Establecer Qtotal.2) Elegir qu extremo controlar el Q total.3) Despejar R:
si el extremo escogido es el paralelo:
si el extremo escogido es el serie:
4) La mxima anchura de banda (Qmin) se obtiene cuando:
QRmax
R
1:=
QR
Rmin
1:=
RRmin
1
RmaxR
1:= R RS RL:=
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Impedancias terminales complejas
El diseo de redes L aisladas, encadenadas, en PI o en T se ha presentado haciendo uso de impedancias reales Rs y RL en los extremos. Qu hacer si una o ambas impedancias fueran complejas? Se ABSORBEN o HACEN RESONAR las partes reactivas procediendo con las resistivas como hasta ahora.
MTODO 1ABSORCIN
X1
X2
Las reactancias de fuente y/o carga forman parte de elementos de igual naturaleza de la red, son absorbidas.
Puede combinarse el uso de ambos
MTODO 2RESONANCIA
X1
X2
La reactancia de la fuente y/o carga se coloca en serie o paralelo con un elemento de naturaleza opuesta que resuene haciendola desaparecer a la frecuencia de trabajo.
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Cmo medir la adaptacin ...
RELACIN DE ONDAS ESTACIONARIAS (ROE) VOLTAGE Standing Wave Ratio (VSWR) Es un NMERO SIN UNIDADES que mide la dasadaptacin.
PRDIDAS DE RETORNO Return Loss (RL) Medida de la desadaptacin en dB.
X Adaptacin VSWR Descripcin1.0:1 Perfecta adaptacin. Imposible en la prctica.1.4:1 Excelente adaptacin. Tpico criterio de diseo.2.0:1 Aceptable en muchas aplicaciones.10:1 Inaceptable en todos los casos.
infinito:1 Imposible. Conectar una manguera a un tunel.
VSWR RL1.0:1 infinito1.4:1 15.6dB2.0:1 9.5dB10:1 1.7dB
infinito:1 0dB
Hace referencia a la REFLEXIN que provoca la desadaptacin.
Tpico caso de un short o un open que provocan la
reflexin de toda la RF daando habitualmente el
emisor de RF.
X : 1
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Adaptando con lineas (1)
MICROSTRIP
STRIPLINE
CONDUCTORESPARALELOS
COAXIAL
vp=1/r cm= vp x 30000/fMHz
Zo,pd L, C
Long
Long = =360Long = /2 =180Long = /4 =90Long = /8 = 45
En UHF y MW ES MUY PRCTICO ADAPTAR EMPLEANDO
LINEAS DE TRANSMISIN
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Adaptando con lineas (2)
/4 (90)Zo
Rin = Zo2/RLRL Zo = (Rin*RL)MUY TIL
ADAPTAR Rin con RL EMPLEANDO LINEA DE Zo IGUAL A:
Zo
Zin = XC = Zo2/XLXL
/4 (90) Zo
XCZin = XL = Zo2/XC
/4 (90)
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Adaptando con lineas (3)
90 < < 180: Zin = = 180: Zin = SHORT
= 90: Zin = OPEN0 < < 90: Zin =
= 45: XL=Zo
90 < < 180: Zin = = 180: Zin = OPEN
= 90: Zin = SHORT0 < < 90: Zin =
= 45: XL=Zo
Zin = Zo tg Zo, long
LINEA TERMINADA EN CORTO
Zin = Zo cotg Zo, long
LINEA TERMINADA EN ABIERTO
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Ejemplo 1
Diseo en UHF. Componentes SMD. Lineas microstrip. 10W de RF Adaptacin en entrada, interetapa y a la salida.
Q1
VDC
Q2M1 M2 M3
Q1 Q2
IN OUT
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Ejemplo 2
Ejemplo de PolyFET: 60W 30-512MHz