GENERADOR BARREDOR PARA ANALIZADOR VECTORIAL DE REDES DE MICROONDAS Bianco, Fernando Luis FCEFyN UNC

Transcripción

1 GENERADOR BARREDOR PARA ANALIZADOR VECTORIAL DE REDES DE MICROONDAS Bianco, Fernando Luis FCEFyN UNC Naldini, G. E 1, Amado, J. L 2, Henriquez, F. E 3, Mendieta, D. A 4 Resumen Instrumento de laboratorio para medición en Microondas. Se generan o barren señales desde 0,8 a 2 GHz, para medición de Parámetros S. Resuelto con dos PLL: uno genera desde 800 a 1400 MHz y el otro desde 1400 a 2000 MHz. Salida de RF conmutada por llaves analógicas, nivel de salida regulable por control por pasos y compensación del nivel de salida por control automático de ganancia en el amplificador de banda ancha, realimentado por acoplador direccional. Utilizado en la función generador es un PLL de muy bajo ruido de fase con muy bajo error de frecuencia. En la función barredor se abre el lazo del PLL y se realiza el barrido mediante una rampa generada por el módulo de control. El rango de frecuencias, el conmutador de bandas, la interfaz de usuario y demás ajustes son realizados por el sistema de control, basado en microcontrolador. Palabras clave Barredor, Generador, PLL, VNA Abstract Laboratory s instrument for measurements in microwaves. Signals are generated or sweeped from 0,8 to 2 GHz, for measurements of S parameters. Resolved with two PLL: the first one generates from 800 to 1400 MHz and the second one from 1400 to 2000 MHz. RF output is switched by analog keys, adjustable level output by step control and output level compensated by automatic gain control in broadband amplifier, feedback by directional coupler. Used as a generator, it is a PLL with a very low phase noise with a very low frequency error. As a sweeper, the loop of the PLL is opened and the sweep is performed by a ramp generated by the control module. The range of frequencies, the band switch, the user interface and others adjustments are made by the control system based on microcontroller. Key words Generator, PLL, Sweeper, VNA INTRODUCCIÓN En el diseño de los sistemas de telecomunicaciones es fundamental la obtención de los parámetros de los componentes de radiofrecuencia (RF). La herramienta más utilizada para el estudio de los componentes de RF son los parámetros de dispersión, Parámetros S (scattering) [1], éstos caracterizan un dispositivo en función de su reflexión y transmisión en los sentidos directo e inverso. 1 Naldini German Eduardo, FCEFyN - UNC, gnaldini@gmail.com 2 Amado José Luís, FCEFyN - UNC, jose.amado@gmail.com 3 Henriquez Federico Exequiel, FCEFyN - UNC, federicohenriquez@gmail.com 4 Mendieta Diego Ariel, FCEFyN - UNC, mendietadiegoariel@gmail.com 1

2 El instrumento utilizado para estas funciones es el Analizador Vectorial de Redes (VNA) que miden las señales incidentes y reflejadas, tanto en la entrada como en la salida. El proyecto descripto es parte integrante de un VNA, actualmente en desarrollo por el Laboratorio de Radio Frecuencias y Microondas (LARFYM) de la FCEFyN de la UNC. El generador cumple con los requerimientos del VNA, constituyendo un instrumento independiente en sí mismo para el uso en mediciones de laboratorio, líneas de producción y calibración en la industria electrónica. Además, posee una interfaz de sencilla operación y bajo costo de producción, para suplir los costosos instrumentos comerciales, cuyas prestaciones no se aprovechan en su totalidad. DESCRIPCIÓN GENERAL Este proyecto consiste en el diseño y construcción de un Generador-Barredor que pueda sintetizar frecuencias desde 800MHz hasta 2GHz para cubrir la banda de frecuencia utilizada en telefonía móvil celular [2]. Para la implementación del mismo se diseñaron dos etapas, una generadora y otra de control de nivel. Para la etapa generadora se seleccionó, por estabilidad y precisión, un sistema generador de frecuencias basado en PLL (Phase Lock Loop) [3]. Para la etapa de control de nivel se diseñaron dos módulos, un control automático de ganancia (AGC) y un control de nivel programable (PNC). Como función adicional se agregó la opción de realizar un barrido en frecuencia, pudiendo programarse los limites del barrido y la velocidad del mismo. Para los filtros de frecuencias armónicas se emplearon métodos de diseño con micro tiras [4] bajo un riguroso estudio sobre el diseño de blindajes electromagnéticos [5]. El instrumento se resuelve con dos PLL, uno genera desde 800MHz a 1,4GHz y el otro desde 1,4 a 2GHz. La salida de RF es conmutada por llaves analógicas, con regulación del nivel mediante un atenuador programable por pasos en db y compensación del nivel de salida por AGC en el amplificador de banda ancha, realimentado desde un acoplador direccional. El Equipo es capaz de trabajar en dos modos: Como generador: Se obtiene una frecuencia sintetizada, estable y de gran exactitud. El valor de frecuencia a sintetizar y el nivel de salida es ingresado a través de la interfaz de usuario. Como barredor: La frecuencia varía en forma creciente entre límites programables y la velocidad de barrido en frecuencia es configurable dentro de valores definidos. 2

3 Utilizado en la función generador es un PLL de muy bajo ruido de fase con muy bajo error de frecuencia. En la función barredor se abre el lazo del PLL y se realiza el barrido mediante una rampa generada por el módulo de control. El rango de frecuencias, el conmutador de bandas, la interfaz de usuario y demás ajustes son realizados por el sistema de control, basado en microcontrolador. Las especificaciones técnicas son: Rango de Frecuencias: 800MHz a 2GHz Resolución de Generación: 100KHz Resolución de Display: 100KHz Error en Frecuencia: 10KHz Rango de Salida: -50dBm a +5dBm Resolución: 1dB Error de nivel: 0,5dB Nivel de Armónicas: <-35dBc DIAGRAMA EN BLOQUES DEL GENERADOR / BARREDOR En la Figura.1 se muestra el diagrama en bloques para cada una de las etapas que componen el generador de RF. Rampa de Barrido Llave Analógica 1 vco 1 FILTRO PASABAJO 1400 MHz Oscilador de Referencia R Filtro de Lazo N CONVERSOR D / A MICROCONTROLADOR INTERFAZ DE USUARIO SELECCIÓN DE BANDA CONTROL DE NIVEL SALIDA Rampa de GENERADOR BARREDOR 2 Barrido Llave Analógica 2 vco 2 FILTRO PASABAJO 2100 MHz Oscilador de Referencia R Filtro de Lazo N Figura. 1 diagrama en bloques general Debido al gran ancho de banda definido por las especificaciones de frecuencia (1,2GHz) se optó por dividir esta en dos sub-bandas. Cada una de ellas es cubierta por un bloque Generador/Barredor independiente. Para que la conmutación entre generadores se realice fuera de las sub-bandas, se seleccionó una frecuencia de conmutación teniendo 3

4 en cuenta la distribución de bandas definida por la Comisión Nacional de Comunicaciones (CNC) para la República Argentina [2], para este caso se selecciono la frecuencia de 1,4GHz. MODULO GENERADOR / BARREDOR En el modo barredor, una llave analógica interconecta una rampa diente de sierra, generada en un Conversor Digital Analógico (DAC) [6] [7] [8], con la entrada de tensión del VCO. La frecuencia y nivel de ésta controla el tramo de banda a barrer, así como su inicio y fin. En el modo generador la llave analógica cierra el lazo del bloque generador implementado a partir de un PLL como sintetizador de frecuencias. Dada la aplicación del instrumento (TICs) se debe garantizar la calidad del sintetizador, ésta se mide a través de diversos factores, como la precisión de la frecuencia sintetizada, el tiempo de conmutación entre frecuencias, el ruido de fase y la presencia de señales espurias. Estas características están definidas por el Filtro de Lazo del PLL. Filtro de Lazo Para la implementación del Filtro de Lazo se utilizó la topología de la Figura.2. Se pueden diferenciar etapas que cumplen funciones específicas dentro del filtro [9]. DO VVCO La etapa F 1 define la respuesta dinámica del R3 C1 C2 C3 RA R2 RB F1 F2 F3 Figura. 2 Topología de filtro de lazo lazo del PLL (sobrepaso, velocidad de enganche, error, etc.), la etapa F 2 agrega la ganancia necesaria para llegar con los niveles adecuados al VCO y la etapa F 3 elimina las componentes de frecuencia de comparación. F (s)=1+sr C (C +C ).S. 1+SR.C.C C +C F (s)=1+ R R 2 A B F 3(s)=1 1+SR 3C 3 La función de transferencia total es el producto de las tres: Z(s)= (1+ST 2).A A 0.S. 1+ST 1 1+ST 3 4

5 Donde: T 1= R 2.C 1.C2 C 1+C 2 T 2=R 2.C 2 T 3=R 3.C 3 A 0=C 1+C 2 y A=1+ RA R B Los componentes del filtro de lazo están definidos por las constantes de tiempo T 1, T 2 y T 3, que definen los polos y ceros de la función de transferencia a lazo abierto. El valor de estas se determinaron en función de las especificaciones que debe cumplir el sistema, en cuanto a Estabilidad, Tiempo de Establecimiento y Error de Frecuencia. Los módulos se implementaron a partir de PLL s LMX2326TM, VCO s ROS1700 y ROS2100 y llaves analógicas CD4053. La Figura. 3 muestra el módulo 800/1400 MHz y la Figura. 4 muestra el módulo 1,4/2 GHz. Figura. 3 Módulo generador 800/1400MHz Figura. 4 Módulo generador 1,4/2GHz Módulos de Filtro Luego de las etapas Generador/Barredor la señal de RF es filtrada, mediante filtros del tipo Pasa Bajo con respuesta Elíptica [10]. Este tipo de filtro proporciona pendiente abrupta en la frecuencia de corte, requisito indispensable de diseño ya que las frecuencias armónicas se encuentran muy cerca de la banda de trabajo. Además, cuenta con valores de ripple acotados, lo que permite definir valores de atenuación que no produzcan variaciones significativas sobre la repuesta de la banda pasante. La Figuras.5 y 6 muestran la implementación de los filtros. 5

6 FIGURA 4.17 IMPLEMENTACION FINAL FILTRO fc=1400mhz Figura. 5 Módulo de filtrado en fc=1,4ghz FIGURA 4.18 IMPLEMENTACION FINAL FILTRO fc=2100mhz Figura. 6 Módulo de filtrado, fc= 2,1 GHz Módulo Selección de Bandas Su función es seleccionar el generador correspondiente según la frecuencia que se desee sintetizar. La exigencia en esta etapa radica en que debe trabajar cubriendo el rango de 800MHz a 2GHz y con una respuesta en frecuencia plana. La etapa se implementó utilizando llaves de RF, HMC194MS8. Se incluye una etapa amplificadora tipo monolítico mediante un amplificador GALI-5 y una interfaz lógica de control con un circuito integrado 74ACT04. En la Figura.7 se observa el módulo Selección de Banda en su correspondiente blindaje electromagnético. Figura. 7 Implementación del módulo selección de bandas Módulo de Control de Nivel Este módulo cumple dos funciones: Proporcionar un nivel de salida con respuesta plana en la banda de trabajo y brindar la posibilidad de seleccionar el nivel de salida deseado, independientemente de la frecuencia generada y del modo de trabajo del instrumento. Se implementó un AGC, con un atenuador variable que controla el nivel de salida de acuerdo a la tensión de control de entrada [11]. Luego del atenuador se colocó un amplificador para lograr el nivel de salida especificado. 6

7 La realimentación se realiza por medio de un acoplador direccional, cuyo puerto acoplado se encuentra conectado a un detector de RF. El detector entrega un valor de tensión continua proporcional al nivel de RF de entrada. La salida de tensión del detector es comparada con una tensión representativa del nivel de señal requerido. Para tener control sobre el nivel de salida, se implemento un PNC [12]. Este se basa en un circuito formado a partir de Atenuadores Programables, que permite tener un rango de control de 55dB. La Figura.8 muestra la implementación del modulo AGC, que se realizó con un atenuador variable EVA300, un amplificador GALI-4, un acoplador direccional 2ADC y un detector AD8361. La Figura.9 muestra la implementación del módulo PNC construido a partir de dos atenuadores digitales DAT-3.1 Figura. 8 Implementación de la etapa de AGC Figura. 9 Implementación del módulo de control de nivel Resultados Se tomaron numerosas mediciones a cada generador, algunas se muestran en las Figuras 10 y 11. Se determina que el nivel es máximo para las frecuencias bajas y disminuye a medida que aumenta la frecuencia, observando una variación de 0,5dB. Para medir el error en frecuencia se utilizó un frecuencímetro con una resolución de 10H z a 2.8GHz, observando un error de frecuencia por debajo de 1KHz, manteniéndose constante en toda la banda de frecuencias generadas. 7

8 Figura.10 Medición efectuada en la banda baja ( MHz) a 1100MHz Figura.11 Medición efectuada en la banda alta ( MHz) a 1700MHz Para la determinación del ruido de fase se tomó como parámetro la frecuencia central de cada sub-banda, obteniéndose S C (100KHz)=80,17dB/Hz para la banda baja y S C (100KHz)=75dB/Hz para la banda alta. Figura. 12 medición del ruido de fase obtenido a 1100MHz y la velocidad de establecimiento El tiempo de establecimiento de cada PLL se determina a partir del análisis de la respuesta a la entrada escalón de frecuencia, con un error de +/-10KHz. Como escalón se tomo el máximo salto de frecuencia que puede ser generado en cada sub-banda. La medición se realizó en la entrada de control de los VCO de cada generador utilizando para ello un osciloscopio digital con captura, midiendo un tiempo de establecimiento de 200useg y un sobrepasamiento máximo de 15V. 8

9 Se observa que el transitorio es imperceptible para el usuario, que el sistema tiende rápidamente al nivel de salida y que el error tiende a cero. En la Figura.12 se observa una medición del ruido de fase a 1100MHz y la velocidad de establecimiento para la misma frecuencia. La Figura.13 muestra el equipo terminado con todos sus módulos interconectados montados sobre un gabinete normalizado de dos unidades de rack. Conector de Salida frontal Control programable del nivel de salida Control automático de amplitud de salida Interfaz usuario Placa de control Microcontrolador Conector de Salida posterior Generador Barredor 2 Generador Barredor 1 Filtro pasabajo 2100 MHz Filtro pasabajo 1400 MHz Selección de banda Fuente de alimentación Figura. 13 Disposición final de los módulos que conforman el Generador/barredor CONCLUSIONES Se presenta un instrumento apto para cubrir la banda de 800 a 2000MHz, de precisión, bajo costo y de operación sencilla para la línea de producción dedicada a las TICs. Las mediciones realizadas en el equipo terminado fueron contrastadas con los datos obtenidos en el modelo de simulación donde se utilizaron métodos computacionales, basados en la teoría de control, que proporcionó la respuesta teórica de las distintas etapas del generador. Se obtuvieron muy buenos resultados en cuanto a la precisión, estabilidad y velocidad de las frecuencias generadas como así también buen rechazo a frecuencias armónicas, espurias y bajo ruido de fase. 9

10 El control del nivel de salida es estable y el barrido tiene buenas características en cuanto a linealidad y amplitud de salida. La sencillez de operación permite, un control rápido e intuitivo de los parámetros de programación del instrumento, lo que lo hace muy recomendable para las líneas de producción y calibración en la industria electrónica y es un módulo esencial del AVN en desarrollo. BIBLIOGRAFÍA [1] Pozar, D, M Microwave Engineering, John Wiley & Sons, 2nd Ed, pp.196 [2] Sitio Web de la Comisión Nacional de Comunicaciones. Asignación de bandas para Argentina [3] Best, R, E, Phase-Lock Theory, Design and Aplications, 4rd. Ed, McGraw-Hill,,pp [4] Sheng Hong & Lancaster, M Microstrip Filters for RF Microwave Application,pp.78 [5] Sharma, A Predict Resonances Of Shielded PCBs Part1 & Part2, Microwaves & RF Journal,, pp. [6] Tocci, R, J, & Widmer, N, S Sistemas digitales: principios y aplicaciones, 8nd Ed., Chapter X, XI, XII [7] Microchips AN D/A Conversion Using PWM and R-2R Ladders to Generate Sine and DTMF Waveforms. pp.1-19 [8] Mancini, R Operational Amplifier for everyone. Chapter XIV, pp [9] Banerjee, D PLL Performance, Simulation, and Design, 4º Ed, pp.198 [10] Sheng Hong, J & Lancaster, M, J Microstrip Filters for RF Microwave Application, pp. 34 [11] Whitlow, D Design and Operation of Automatic Gain Control Loops for Receivers in modern Communications Systems, ADI Wireless Seminar, Analog Devices Publications, Chapter VIII, pp [12] Minicircuits AN Digital Step Attenuators, Digital Step Attenuators offer Precision and Linearity, pp.1-11 Trabajos precedentes dirigidos por el autor: [13] Garbiglia, A y Galarza, N 2005 Barredor-Sintetizador de frecuencias de 5 a 800MHz Etapa 1 [14] García Vieyra, J 2007 Barredor-Sintetizador de Frecuencia de 5 a 800Mhz Etapa 2 [15] Henriquez, F y Mendieta, D 2009 Generador / Barredor de 800 a 2000MHz Etapa 3 10