lineal que la del MESFET, los mezcladores diseñados con HEMT's suelen presentar una mayor intermodulación que los MESFET.

Transcripción

1 La finalidad de este Proyecto Fin de Carrera es el diseño de un mezclador activo de señales en la banda de microondas utilizando una estructura doblemente balanceada basada en la célula de Gilbert. Para el diseño del circuito se tomará como modelo el circuito presentado en [1] con varias diferencias como el transistor utilizado o la tecnología de diseño del mezclador. Las frecuencias de operación para el mezclador que se va a diseñar serán también diferentes. La frecuencia de entrada será de 947 MHz y la frecuencia de salida de 5255 MHz, por lo que tendremos que emplear un oscilador local de 4308 MHz. Las especificaciones que se esperan lograr será diseñar un circuito cuyo consumo sea bajo, tenga una buena ganancia y una intermodulación que afecte lo menor posible. El resultado que se obtendrá al final de esta memoria será el layout de todo el circuito. Para la implementación del circuito se empleará la tecnología de montaje superficial utilizando líneas microstrip sobre un substrato de PTFE (teflón). Para ello vamos a utilizar un substrato Nelco N9000 de Park Electrochemical. Este tipo de PTFE es diseñado para componentes críticos de microondas, antenas y amplificadores de potencia. Sus aplicaciones son numerosas como comunicaciones Wireless, Telecomunicaciones, antenas para estaciones bases Como características más importante se puede destacar la reducción de la intermodulación pasiva de dos tonos además de presentar el espectro completo de la constante dieléctrica. En un capítulo posterior se presentarán sus valores típicos. La tecnología de montaje superficial, más conocida por SMT (Surface Mount Technology) es el método de construcción de circuitos electrónicos más extendido en la actualidad y se puede usar tanto para componentes pasivos como activos. Los elementos que utilizan esta tecnología se conocen como SMD (Surface Mount Device). Estos dispositivos se sueldan a la placa de circuito impreso con la ayuda de un robot por norma general. Gracias al uso de este tipo de tecnología se consiguen numerosas ventajas como la reducción de interferencias electromagnéticas, del peso y el tamaño y en este caso se evita taladrar la placa. En el caso de componentes pasivos, los valores son mucho más precisos

2 El mezclador que va a ser diseñado en este proyecto puede tener numerosas aplicaciones, todas aquellas cuyas bandas de frecuencias incluyan los 5.2 GHz a los que funciona el mezclador, entre las que destacan: estándares , Hiperlan, UWB,... A continuación se van a ver con más detalle algunas de estas aplicaciones. Los estándares son protocolos de comunicaciones elaborados por el IEEE cuya finalidad es definir la capa física y la capa de enlace de la arquitectura OSI, especificando sus normas de funcionamiento en una WLAN. Hoy en día existen seis estándares que utilizan el mismo protocolo pero emplean seis técnicas de transmisión diferentes. Estos estándares suelen trabajar en la banda de 2,4 GHz o en la banda de 5 GHz que serán comentados a continuación. El estándar a, conocido como WIFI 5, opera en la banda de 5 GHz y presenta una velocidad de transmisión máxima de 54 Mb/s. Esto hace que sea un buen estándar para comunicaciones inalámbricas con velocidades reales de 20 Mb/s. El uso de la banda de 5 GHz representa una ventaja sobre el resto de estándares de esta familia ya que estos trabajan en la banda de 2,4 GHz que tiene un gran uso (teléfonos inalámbricos, hornos microondas, Bluetooth...). Esto provocará que las interferencias sean menores. Su principal problemas es la incompatibilidad con la serie b, lo que obliga a instalar un mayor número de puntos de acceso. El estándar h intenta resolver los problemas surgidos de la coexistencia de las redes basadas en el estándar anterior, con los sistemas de satélites y radares en la banda de los 5 GHz, usada generalmente para aplicaciones militares. Por tanto, su función es proporcionar a las redes a la capacidad de gestionar dinámicamente tanto la frecuencia como la potencia de transmisión con el fin de garantizar que tengan una velocidad de transmisión razonable. En la actualidad se está trabajando en nuevo estándar, el n. Este estándar será compatible con las redes a/b/g, lo que significa que funcionará en las dos bandas actuales, 2,4 GHz y 5 GHz. La velocidad real de transmisión que se pretenden conseguir, alcanza los 500 Mb/s. Gracias a la introducción de la tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output) se podrá conseguir una distancia de operatividad óptima de 50 m en entornos cerrados. Esta tecnología consiste en utilizar varias antenas para recibir y transmitir. Aumentando el número de canales por los que circulan los

3 datos, aumentamos el ancho de banda. Gracias a ello, aplicaciones que consumen mucho ancho de banda, como el streaming de vídeo de alta definición (HDTV), podrán hacer uso por fin de redes inalámbricas para su transmisión. UWB (Ultra-wideband) es una tecnología de RF que ofrece transmisión de datos a alta velocidad (hasta 400 o 500 Mb/s) y a baja potencia con unos alcances de pocos metros (10 metros aproximadamente). Esta tecnología puede utilizarse para transmitir voz, vídeo o cualquier otro tipo de datos digitales. Su principal ventaja respecto del resto de tecnologías inalámbricas radica en el hecho de que transmite más datos utilizando menos potencia que el resto de sistemas. También, los equipos de radio necesitan menos componentes, por que hacen a esta tecnología una solución económica. Dado que las señales UWB son de baja potencia, causan muy poca interferencia con el resto de señales. UWB ocupa una banda de más de 7 GHz de anchura situada entre 2,4 y 5,1 GHz. Cada canal de radio tiene una anchura de más de 500 MHz, en función de su frecuencia central. En comparación con otro tipo de tecnología inalámbrica, como por ejemplo WPAN/WLAN, UWB proporciona una mayor velocidad de transmisión con una gran eficiencia de potencia, lo que permite el desarrollo de dispositivos portátiles de gran autonomía. El problema es su alcance, similar al de Bluetooth, debido a las limitaciones de potencia impuestas. Si estas restricciones no existiesen, el alcance podría ser similar o incluso mayor al proporcionado por las tecnologías La aplicación principal de UWB será la electrónica del hogar, como por ejemplo la interconexión de periféricos como impresoras, escáneres y monitores con el PC, o en la distribución de señales HDTV a distintos receptores de TV (Home Cinema). Sin embargo, el éxito de la tecnología UWB depende en gran medida de la adopción de un estándar. En la actualidad, existen diferentes soluciones propietarias que no pueden interactuar entre sí debido al uso de formas de pulso y técnicas de modulación distintas. El estándar se encuentra en fase de finalización y precisamente ha sido el grupo de trabajo IEEE a el encargado de estudiar el nivel físico de UWB.

4 Hiperlan (High Performance Radio Local Area Network) es un estándar para anchos de bandas inalámbricos LAN con una velocidad de transmisión de 54 Mb/s en la banda de frecuencias de 5 GHz. Es similar a a y distinta de b/g. La versión 1, Hiperlan/1 es un estándar del ETSI cuyo objetivo era la alta velocidad de transmisión, incluso más alta que la de Las características más destacadas son la baja movilidad, un alcance en torno a los 50 metros y el hecho de soportar tanto tráfico asíncrono como síncrono. En cuanto a las velocidades se tiene que: el sonido viaja a 32 Kb/s, el vídeo a 2 Mb/s y los datos a 10 Mb/s. Hiperlan/1 no interfiere con hornos microondas ni con otros aparatos del hogar funcionando a 2,4 GHz. Debido a la poca aceptación de Hiperlan/1 surgió una nueva versión de este estándar, Hiperlan/2 que es una solución estándar para un rango de comunicaciones corto que permite una alta frecuencia de datos. Fue diseñada como una conexión inalámbrica rápida par muchos tipos de redes como por ejemplo redes UMTS, ATM o IP. Los servicios básicos que ofrece son la transmisión de datos, sonido y vídeo haciendo énfasis en la calidad de esos servicios. También ofrece unas medidas de seguridad aceptables debido a que el punto de acceso y el terminal inalámbrico pueden se pueden autenticar. El transistor empleado será un HEMT de Agilent Technologies s (ATF-54143). Las características del transistor se ajustan muy bien a los objetivos que se persiguen. La combinación de su alta ganancia, alta linealidad y su bajo ruido provocan que este transistor se ideal para las aplicaciones comentadas anteriormente y para cualquier otro sistema de telecomunicaciones funcionando en el rango de frecuencia comprendido entre 450 MHz y 6 GHz. Los transistores HEMT s destacan también por su alta velocidad de funcionamiento, por lo que estos dispositivos son la solución más adecuado para muchas aplicaciones digitales y de microondas. La frecuencia máxima de operación se sitúa más allá de los 100 GHz y debido a que son más caros que los dispositivos de silicio, se suelen utilizar para frecuencias donde estos últimos no funcionan. Otro tipo de transistor muy utilizado en estos casos es el MESFET. Debido a que la característica I/V de un HEMT es más no

5 lineal que la del MESFET, los mezcladores diseñados con HEMT's suelen presentar una mayor intermodulación que los MESFET. La estructura utilizada será doblemente balanceada basada en la célula de Gilbert. Dicha estructura se verá con más detalle en un capítulo posterior pero en las próximas líneas se justificará su elección. Su principal ventaja es el rechazo de todas las armónicos de orden par de las señales de entrada, y por tanto, de los productos de intermodulación de orden impar. También es muy importante el aislamiento inherente que presenta este tipo de mezcladores en cada unos de esos puertos. Gracias a todas estas ventajas que se han comentado, se espera que el diseño del circuito mezclador se ajuste a los objetivos que se van a comentar a continuación. 1.1 Objetivos El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera será el diseño de un mezclador de microondas activo doblemente balanceado empleando la célula de Gilbert. Los mezcladores pueden actuar como se verá en el siguiente capítulo, tanto como upconverters como down-converters. Este proyecto se va a ocupar de desarrollar un mezclador de microondas funcionando como up-converter donde la frecuencia de entrada será de 947 MHz y la frecuencia de salida de 5255 MHz, por lo que se precisará del empleo de un oscilador local de 4308 MHz. Los requisitos que debe cumplir el circuito final serán los siguientes: Máxima ganancia Mínimo consumo Punto de intercepto alto

6 Una vez se hayan conseguido estas características, el objetivo final será la obtención del layout del circuito mezclador completo incluyendo todos sus componentes. En este caso se ha de lograr que el layout del circuito ocupe la menor área posible. 1.2 Estructura El Proyecto Fin de Carrera se va a dividir en tres grandes bloques o capítulos. En el primer bloque se va a presentar los mezcladores de microondas desde un punto de vista teórico. Se empezará hablando acerca de las características más importantes de este dispositivo. A continuación, se verán los distintos los distintos componentes que existen en la actualidad para el diseño y fabricación de mezcladores, centrándose en el transistor de tipo HEMT ya que ha sido el dispositivo elegido para este proyecto. Y para terminar, se realizará una clasificación de los numerosos tipos de circuitos que existen para el diseño de mezcladores de microondas. El segundo capítulo se centrará en el proceso de diseño que se ha seguido para la obtención del circuito mezclador. El capítulo comenzará con una introducción de la herramienta de software que se va a utilizar (Advanced Design System de Agilent) donde se hablará de las prestaciones y soluciones que ofrece. Partiendo de un diseño inicial, se irá paulatinamente mejorando las prestaciones del circuito hasta conseguir unos resultados óptimos. Para finalizar se va a explicar el proceso que se ha seguido para obtener los diferentes elementos (filtros, baluns, ) que se han añadido a la célula mezcladora. En el último capítulo del Proyecto Fin de Carrera se presentarán los resultados finales del mezclador diseñado. El objetivo final del proyecto era, como se ha comentado anteriormente, obtener el layout del circuito, por tanto en este capítulo se mostrará el diseño del layout final y los resultados que se han ido obteniendo. Para

7 acabar, se realizará una comparación de los resultados obtenidos con el circuito ideal con los del layout y se comentarán las posibles líneas futuras de investigación.