UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL … · Entrega Informe Fecha Firma Primer...

UTN – FRBA – ME2 Febrero, 2014

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

Departamento de Electrónica

Materia: Medidas Electrónicas 2

Proyecto: Filtro Pasa banda 10.7Mhz AB 100khz

Docente: Ing. A. Henze

Ayudante de TP: Federico Lumma

Grupo N°: 7

Alumnos :

Apellido y Nombre Legajo

1 Arguimbau, Ignacio 115197-6

2 Rodríguez, Germán 120983-8

3 Shinyashiki, Pedro 108205-0

Entrega Informe Fecha Firma

Primer entrega 09/02/14

Aprobación / / 14

Entrega Devolución Re-entrega Firma Recepción

2° / / 14 / / 14

3° / / 14 / / 14

4° / / 14 / / 14


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ÍNDICE

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

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

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

2.2. Principio de funcionamiento……………….……………….……….................… 3

2.3. Diseño del filtro……….…………….……………………..........…….….......….…. 4

2.4. Diseño de las bobinas………………………………….…………….……….….…. 4

2.5. Construcción de las bobinas…………...........………………….…………..……. 6

2.6. Diseño de circuito impreso……………..................……………………...……. 7

2.5. Construcción de circuito impreso…...........………………….…………..……. 7

2.6. Armado del circuito………………………..................……………………...……. 8

2.5. Simulaciones……………………………...........………………….…………..……. 9

2.6. Mediciones realizadas……………………..................……………………………. 11

2.6. Mediciones para el ajuste……………………..................…………………….... 11

2.6. Mediciones con el VNA……………………..................…………………….......... 12

3. Resultados………………………………….…………………………………………..…. 17

4. Discusión………………………………….…………………………………………….... 17

5. Conclusiones………………………………….…………………………………………... 18

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


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FILTRO PASA BANDA 10.7Mhz AB 100khz

Arguimbau I., Rodríguez G y Shinyashiki P. Docente a cargo: Ing. Henze A.

Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires Medidas Electrónicas 2

• Resumen: En el trabajo se realiza el diseño y medición de un filtro pasa banda de 10.7 MHz de frecuencia central, 100khz de ancho de banda y topología Butterworth de 2° Orden. En el diseño del filtro se incluye el diseño de bobinas y placa. El filtro se diseña mediante el software “AADE Filter Design V4.5”. Las bobinas se diseñan según la fórmula De Harold A. Wheeler, y son construidas con núcleo de aire. La placa es diseñada con el software “Altium Summer 09” y construida en una placa bifaz de PBC.

1. INTRODUCCIÓN

El objetivo del proyecto es comparar los resultados de la simulación con los resultados de la medición de un filtro pasa bajo; para ello se realiza el diseño, simulación, armado y medición del mismo. Se elige un filtro de 10.7 MHz y ancho de banda 100 Hz típico para aplicaciones de radio. Para el diseño del filtro se utiliza un software de diseño “AADE Filter Design V4.5” y para las simulaciones se usa el software “Tina 9”. Luego del diseño del circuito y la simulación del mismo se realiza los cálculos para la construcción de las bobinas de forma teórica utilizando la fórmula de Harold A. Wheeler. Para el diseño de la placa se usa el software “Altium Summer 09”. La construcción de las bobinas se hace con alambre de cobre y núcleo de aire. Para el circuito impreso se recurre a una placa de PBC bifaz. La medición del circuito se realiza con el VNA del laboratorio de electrónica de la Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional de Buenos Aires (en adelante FRBA). Previamente se emplea un ajuste del filtro utilizando un analizador de espectro de la FRBA. 2. DESARROLLO DEL TRABAJO Descripción

Para la realización del filtro se opta por un filtro pasivo con componentes discretos. La frecuencia central del filtro es de 10,7 MHz, el ancho de banda 100 KHz y la topología de tipo Butterworth de 2° Principio de funcionamiento Los filtros electrónicos son circuitos que presentan características selectivas de frecuencia, la atenuación en ellos es selectiva en función de la frecuencia, lo que permite discriminar las frecuencias que pasaran libremente por el filtro y las que se atenuaran. Existen distintos tipos de filtros de los cuales podemos destacar: filtros pasa bajos, filtros pasa altos, filtros pasa banda. El circuito que se realiza es un filtro pasa banda. El filtro pasa banda es aquel que permite el paso de frecuencias, desde una frecuencia inferior denominada frecuencia de corte inferior hasta una frecuencia denominada de corte superior.


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Fig.1- Atenuación de un filtro pasa banda

Fig.2- Filtro pasa bajos de 10,7 MHz AB 100Khz

Topología Butterworth de 2° Orden

Diseño del Filtro Se emplea un software de diseño de filtros pasivos (AADE Filter Design V4.5), se le ingresa los datos correspondientes a nuestro diseño: • Filtro pasa-banda centrado en 10,7MHz • Ancho de banda 100KHz • Conectores SMA para su conexión • Adaptado a 50Ω de impedancia característica

Fig. 3- Filtro Butterworth de 2° Orden

Diseño de las Bobinas

Se procede a realizar el diseño de las bobinas, previamente realizando el cálculo de los factores de mérito (Q) del sistema y el de ambas bobinas.

107=cQ⇒==⇒=Khz

Mhz

B

fQ

Q

fB o

c

c

o

100

7.10 66 10196,67107,101415,322 ⋅=⋅⋅⋅=⋅⋅= oo fπω

83,1472

22 =

⋅=

R

LserieQ oω

Ω=⋅⋅⋅

= 92,744022

12

CfXC

oπΩ=⋅⋅⋅= 56,7392222 LfXL oπ


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Con los Q obtenidos y los valores de inductancia de las bobinas impuestos

por nuestro diseño se calcula los parámetros para su construcción.

Fórmulas para el cálculo:

• De Harold A. Wheeler

• Verificación de Q de la Bobina

• Capacidad distribuida

pFCaSerieXCXLXaSerie 50,30136,4922 =⇒Ω−=−=

98,050

36,49=

Ω

Ω==

Rs

XaSerieQs 97,02 =Qs Ω=+⋅= 73,98)1( 2QsRsRp

pFCaParaleloQs

XasXap 81,14825,100)1

1(2

=⇒Ω−=+⋅=

Ω−=⋅⋅⋅

= 317,012

11

CfXC

oπΩ=⋅⋅⋅= 316,0121 LfXL oπ

nFCaSerieXapXCXbParalelo 09,47316,0//1 =⇒Ω−==Ω== 23,33//1 RpRRxt

107115,105

1

1

1

107

11

1

11>>⇒+=⇒+= Qo

QoRxt

XL

QoQc

10701=Qo 502 =Qo

Dl

DnuHyL

⋅+

⋅⋅=

45,0

001,0][

22

fDQ ⋅⋅⋅= ϕ5,7

DKpFCd ⋅=][


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Fig. 4 – Valor del ϕ en función de la relación del diámetro y las espiras

Fig. 5 –I/D en función de K

Como el Valor de Inductancia de las bobinas y sus respectivos Q dependen de varios parámetros, se arma una tabla de Excel con las formulas y tablas cargadas para facilitar las pruebas

f [MHz] L[uH] n[turns] Diam.Bob[mm]

Diam. Alam[mm] Sep[mm] long[mm] diam.al/sep phi Q long/D>0,4

Longitud cobre[m]

10,70 100,72 75,00 21,00 0,18 0,02 15,18 9,00 1,00 515,20 0,72 4,9455

10,70 86,17 30,00 60,00 0,10 0,25 10,60 0,40 1,00 1471,99 0,18 5,652

10,70 1,35 100,00 5,00 0,82 1,00 182,82 0,82 1,00 122,67 36,56 1,57

10,70 1,35 100,00 5,00 0,82 1,00 182,82 0,82 1,00 122,67 36,56 1,57

10,70 1,35 100,00 5,00 0,82 1,00 182,82 0,82 1,00 122,67 36,56 1,57

10,70 1,35 100,00 5,00 0,82 1,00 182,82 0,82 1,00 122,67 36,56 1,57

10,70 3,87 22,00 10,00 0,30 0,05 8,00 6,00 1,00 245,33 0,80 0,6908

f [Mhz] L[nH] n[turns] Diam.Bob[mm]

Diam. Alam[mm] Sep[mm] long[mm] diam.al/sep phi Q long/D>0,4

Longitud cobre[mm]

10,70 9,73 3,00 4,00 1,00 3,00 13,00 0,33 0,75 73,60 3,25 37,68

10,70 3,20 3,00 3,00 3,00 4,00 24,00 0,75 0,75 55,20 8,00 28,26

10,70 2,44 1,00 5,00 2,00 4,00 8,00 0,50 0,75 92,00 1,60 15,7

10,70 4,74 2,00 6,50 0,90 15,00 32,70 0,06 0,75 119,60 5,03 40,82

Tabla 1- de Excel para el diseño de las bobinas

Construcción de las Bobinas Para la construcción de la bobina se usa el bobinado en forma manual. Para la bobina de 10uHy se realiza la ayuda de una hoja de papel para brindar soporte mecánico a la misma, debido a que el alambre es demasiado delgado. Para la bobina de 9,73 nHy se emplea un alambre más grueso por lo tanto no es necesario ningún soporte mecánico.

Fig. 6 –Bobinas construidas.


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Diseño del circuito impreso El diseño del circuito impreso se realiza mediante el software “Altium Summer 09”. El diseño busca optimizar el plano de masa para evitar ruidos que puedan afectar el correcto funcionamiento del filtro. Se utiliza una placa de PBC bifaz para evitar todo tipo de puente o pista larga que generen capacidades parásitas. En las figuras siguientes se puede ver el layout del circuito impreso: En primer lugar el layout con la correspondiente ubicación de los componentes, en segundo lugar la cara inferior del layout y por último la cara superior del circuito impreso.

Fig. 7 –Layout de circuito impreso

Fig. 8 –Layout de circuito impreso.

Cara inferior

Fig. 9 –Layout de circuito impreso.

Cara superior Construcción del circuito impreso La construcción del circuito impreso se realiza con un método que consiste en impregnar mediante calor tinta sobre la parte de la placa de cobre que quiere protegerse del percloruro. Luego de proteger la placa se hace el grabado mediante un baño en percloruro y se obtiene como resultado lo que se ve en la figura 10. Se repite el proceso para la otra cara. Por último se efectúa la limpieza de la placa y la perforación para el montaje de los componentes, véase figura 11.


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Fig. 10 –Circuito impreso luego del proceso de grabado.

Fig. 11 –Circuito impreso terminado

Armado del circuito Con el circuito impreso y las bobinas ya construidas, se realiza el montaje de todos los componentes:

bobinas, capacitores y conectores. Obteniéndose el circuito de la Fig. 12.


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Fig. 12 –Filtro de 10,7 MHz ancho de banda de 100Khz pasivo con elementos discretos

Simulaciones Las simulaciones se realizan utilizando el software “Tina 9”. En primer lugar se grafica el circuito con los valores obtenidos en el diseño del filtro.

Fig. 13- Filtro pasa bajos de 10,7 MHz AB 100Khz

Se hacen dos graficas comparativas de la transferencia del filtro; en la primer gráfica (Fig. 14) considerando un circuito ideal sin perdidas, adoptando el que de las bobinas ideal. (Q=Infinito). En La segunda gráfica se considera un caso más real adoptando un Q =100 (Fig. 15). Comparando ambos gráficos se observa claramente la importancia del Q de las bobinas en el ancho de banda de la respuesta del filtro.


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Fig. 14- Simulación de la respuesta del filtro.

Suponiendo las Bobinas ideales.

Fig. 15- Simulación de la respuesta del filtro.

Suponiendo las Bobinas Q=100.


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Mediciones realizadas Se realizan dos mediciones, la primer medición se hace con el analizador de espectro y el objetivo de la misma es ajustar la frecuencia central lo más próxima a los 10,7 MHz. La segunda medición se hace con el VNA para la verificación de los parámetros S del filtro. Mediciones para el ajuste. Al realizar las mediciones para el ajuste del filtro se observa con claridad que los valores teóricos de los mismos no coinciden con los valores reales. Para el ajuste de las inductancias de los bobinados se fueron ajustando las vueltas de las bobinas. Este trabajo es muy delicado ya que es necesario desoldar y modificar la cantidad de vueltas, soldar y volver a medir. Luego del ajuste de las bobinas se hace el ajuste de los capacitores para que sintonicen con las bobinas. El mejor valor obtenido es de 10,87 MHz, que muestra un desvió de 0,17 Mhz del valor buscado, con un ancho de banda de 447,43 kHz, con un desvío de 347,43 kHz del valor buscado.

Fig.16- Medición y ajuste con AE


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Fig. 17- Medición de BW con AE

Mediciones con el VNA. Las mediciones de los parámetros S se realiza con el VNA. Para medir correctamente con el instrumento antes mencionado, es fundamental la calibración del mismo. La calibración lleva el nombre de TOSM, sigla que responde a “Thru”-“Open”-“Short” -“Match”. La calibración consta de realizar la medición de los puertos del VNA con cargas conocidas, para que el equipo corrija de forma automática los errores sistemáticos [1]. Las cargas que se utilizan son: “open”: Circuito abierto; “Short”: Corto circuito; “Match”: Carga adaptada; para este filtro es de 50 ohm “Thru” Interconectando ambos puertos. Luego de la calibración se realiza la medición en módulo y fase de todos los parámetros “S”: S11, S12, S21 y S22. El parámetro S11 mide la relación de potencia reflejada sobre la potencia incidente en el cuadripolo. En la Fig. 18 se puede observar que cumple con lo esperado, ya que para frecuencias bajas y altas el módulo de S11 es de valor unitario, por lo tanto la potencia reflejada es igual a la potencia incidente, lo que implica que no habrá potencia en la salida. En cambio para la frecuencia central el valor decrece bruscamente lo que implica que prácticamente la potencia en la entrada va a estar en la salida. La fase de S11 muestra una respuesta típica de un filtro pasa banda con un salto de fase en la frecuencia central. El diagrama de Smith en función de la frecuencia muestra un esquema típico de un filtro pasa banda, con la observación que no se logra una adaptación perfecta para la frecuencia central lo cual empeora el rendimiento del filtro.


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Fig. 18- Medición Parámetros S

|s11|


Fase s11


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Smith s11

El paramento S21 mide potencia entregada a la carga en función de la potencia incidente en el puerto 1. En la figura 21 se observa como en la frecuencia central se tiene la máxima transferencia. También se observa el salto de fase en la frecuencia central.


|s21| en negro y Fase s21 en Verde

Al ver la curva de S22 podemos observar que a la salida el filtro nunca adapta, esto no corresponde a una respuesta típica de un filtro de estas características.


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|s22| en negro y Fase s22 en Rojo


Smith s22


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| s12| en negro y Fase s12 en verde

El ancho de banda medido con el analizador de espectro se acerca muy bien al ancho de banda medido con VNA.

Fig. 25- Medición del ancho de banda con el VNA


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3. RESULTADOS

Los parámetros medidos están reflejados en la siguiente tabla:

Parámetro

|S11| a la frecuencia central -9,9 dB

|S12| a la frecuencia central -23,4dB

|S21| a la frecuencia central -23,4dB

|S22| a la frecuencia central -0,2 dB

Frecuencia central [MHz] 10,88Mhz

AB Ancho de banda [kHz] 452kHz

Tabla 2- Resumen de mediciones De las mediciones se desprende que a pesar de cumplir con las formas esperadas, tanto en módulo como en fase de los parámetros “S” para un filtro pasa banda, el mismo por tratarse de un filtro pasivo tiene una atenuación demasiado alta, a su vez ésta atenuación se ve afectada por no estar perfectamente adaptada en la frecuencia central. 4. DISCUSIÓN

A pesar de ser un circuito simple y con pocos componentes, la construcción de las bobinas no es tarea fácil. Es realmente muy difícil obtener el valor teórico calculado, pequeñas modificaciones en su forma afectan significativamente a su valor. Esta dificultad se ve reflejada directamente en el resultado final del proyecto. A la hora de las mediciones con el VNA es realmente compleja la calibración y esta dificultad no se debe al proceso de la calibración ya que el mismo es un proceso simple. La dificultad radica que las computadoras del laboratorio no toman los drivers del mismo y esto produce fallos que no permiten realizar el proceso de fabricación. Previamente al diseño del filtro se realiza una investigación de los filtros pasa banda de 10,7 MHz y durante la investigación se encuentra que existen, y hoy por hoy son los más utilizados, los filtros Piezoeléctricos. Es un componente con tres terminales del tamaño aproximado de un 78xx. Según catálogo hay disponibles para distintas frecuencias y distintos anchos de banda, y son realmente muy económicos. Para la realización del proyecto no se optó por los mismos para tener la oportunidad de realizar el diseño y construcción del mismo. A continuación algunas curvas características de las hojas de dato.

Fig. 26- Dimensiones de un filtro piezoeléctrico


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Fig. 27- Respuesta del filtro piezoeléctrico de referencia

Fig. 28- Respuesta del filtro piezoeléctrico de referencia

5. CONCLUSIONES

A lo largo del presente trabajo se logra poner en práctica los conceptos de parámetros S, para la medición de un filtro pasa banda y comparar los cálculos y simulaciones con el circuito real.

A pesar de no cumplir estrictamente las especificaciones del filtro, se puede observar en las mediciones con el VNA las formas características del filtro pasa banda de los parámetros S11 y S21.

Se verifica que para la frecuencia central el S11 tiende a 0, transmitiendo gran parte de la señal, para las frecuencias altas y bajas tiende a 1 reflejando la totalidad de la señal. Por el contrario el S21, para la frecuencia central tiende a 1 transmitiendo prácticamente la totalidad de la señal y para frecuencias alejadas tiende a 0, lo que significa que no transmite la señal de la entrada a la salida.

La diferencia de entre el valor simulado y el valor obtenido de S21 se debe principalmente a la desadaptación del puerto 2 que se observa en el parámetro S22 de la figura.


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Fig. 29- A la Izquierda la simulación del filtro con una transferencia de -8db

A la izquierda una transferencia del circuito de -24 db

La fabricación de las bobinas con núcleo de aire tiene mucha dispersión, cualquier mínima perturbación afecta su valor lo que provoca un desvío en la frecuencia Central. El Q de las bobinas es bajo. El ajuste de la frecuencia del filtro fue necesario realizarlo a mano, quitando algunas vueltas del bobinado.

Hoy por hoy se utilizan filtros piezoeléctricos que son económicos, pequeños, con distintos anchos de

banda según modelo y con una gran estabilidad. 5. AGRADECIMIENTOS Se agradece a la FRBA por el préstamo de los instrumentos y del laboratorio para la construcción y medición del filtro. 6. REFERENCIAS [1] D. Rytting, Network Analyzer Error Models and Calibration Methods, obtenido de la página

http://www.electron.frba.utn.edu.ar/~ahenze.

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