FILTROS DE RADIOFRECUENCIA PARA RADIOASTRONOMÍA SOLAR

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1 FILTROS DE RADIOFRECUENCIA PARA RADIOASTRONOMÍA SOLAR Ernesto Andrade-Mascote 1, Celso Gutiérrez-Martínez 2, José Alfredo Torres-Fórtiz 2, Adolfo Morales-Díaz 2, Jacobo Meza Pérez, Pablo Sierra Figueredo 3, Armando Carrillo-Vargas 1, Juan Américo González-Esparza 1 1 MEXART, Instituto de Geofísica-UNAM, 2 Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), 3 Instituto de Geofísica y Astronomía (IGA-CITMA), Cuba cgutz@inaoep.mx, eandrade@geofisica.unam.mx RESUMEN En este trabajo, se reporta el diseño y realización de filtros de radiofrecuencia, para el Radiotelescopio de Centelleo Interplanetario (Mexican Array Radio Telescope: MEXART), dependiente la UNAM, localizado en Coeneo, Michoacán, México. Y se muestran los resultados obtenidos en las características del ruido del sistema, con la interferencia y con los filtros colocados antes y después del sistema amplificador de bajo ruido del Radiotelescopio. INTRODUCCIÓN El MEXART, es un radiotelescopio para estudiar la actividad solar. La actividad de Sol puede inducir severas variaciones denominadas tormentas geomagnéticas, las cuales afectan una gran variedad de sistemas y equipos, incluyendo telecomunicaciones, transformadores, gasoductos, satélites, etc. Las componentes básicas del MEXART son la antena, el sistema de amplificación, la matriz de Butler, los receptores, y el sistema de adquisición de datos. La antena del MEXART consiste en un arreglo rectangular de 4096 dipolos en un área de 9500 m2. En la dirección este-oeste tiene una longitud de 140 metros y en la dirección norte-sur mide 80 metros. El MEXART es un instrumento de tránsito, sus lóbulos apuntan a declinaciones diferentes en el plano norte-sur. Las características técnicas del radiotelescopio incluyen los parámetros siguientes: frecuencia central de operación de MHz, ancho de banda de 15 MHz, la antena es un arreglo de 64 lineas con 64 dipolos de onda completa, 8 receptores superheterodinos y 2 matrices de Butler de 32 puertos. El arreglo de dipolos permitirá al radiotelescopio MEXART, estudiar la radiación electromagnética solar y de otros cuerpos celestes que emiten en la banda de frecuencias mencionada. Cada modulo de 16 dipolos que conforman las antenas del Radiotelescopio captan señales en un ancho de banda muy amplio desde algunos 30 MHz hasta 800 MHz, la potencia recibida especialmente a frecuencias a bajo de los 30 MHz y atribuida a radiotransmisores distantes es demasiada alta lo cual ocasiona que los amplificadores de bajo ruido del primer nivel operen en su región no lineal, además el arreglo también recibe señales muy potentes de transmisores de radio comerciales y TV local cuya frecuencia de operación esta entre los 50 y 200 MHz. Esto nos llevo a diseñar un banco de filtros de muy baja perdida que permitiera rechazar señales abajo de los 67 MHz y pasara señales en un ancho de banda de 15 MHz centrado a MHz con la implementación de este sistema de filtrado pretendemos mejorar las características del

2 ruido del sistema y obtener una ventana de observación mas limpia y libre de interferencia que nos permita cumplir con el objetivo científico. Para poner en funcionamiento las primeras 16 líneas, se requiere de un paquete de 64 filtros pasivos tipo pasa-altas, con frecuencia de corte de 67 GHz y de 16 filtros pasivos, tipo pasa-banda, con frecuencia central de MHz y ancho de banda superior a 16 MHz. Estos componentes serán utilizados en grupos de 4 filtros pasa-altas y un filtro pasa banda, en cada línea de dipolos. En la figura 1. Se muestra un diagrama a bloques de la parte frontal del radiotelescopio MEXART. Figura 1. Diagrama a bloques del arreglo lineal de dipolos del Radiotelescopio (MEXART). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS FILTROS DE RADIOFRECUENCIA Los filtros requeridos, deberán cumplir con las características y especificaciones dadas en la tabla 1. TABLA 1 Especificaciones Filtros pasa-altas Filtros pasa-banda Frecuencia mínima de corte (MHz) 67 Frecuencia central (MHz) Ancho de banda mínimo (MHz) 15 Pérdidas de inserción (db) < MHz < -0.2 db@140 MHz -0.8@ MHz Pérdidas de retorno (db) < MHz < -25 MHz MHz Las especificaciones solicitadas, no se ofrecen en filtros de catalogo de empresas que manufacturan y comercializan este tipo de productos. Su fabricación es de propósito

3 especial y por tanto, el costo es relativamente alto y sin garantizar las especificaciones requeridas. Mediante una colaboración técnica entre el MEXART y el INAOE, los filtros se diseñaron y fabricaron, alcanzándose y aún mejorándose las especificaciones requeridas. El paquete de filtros ya se encuentra instalado en el MEXART. El diseño, fabricación, pruebas y características de los filtros realizados se describirán en los párrafos siguientes. Los filtros se analizaron y se simularon mediante herramientas computacionales, hasta lograr tener las especificaciones requeridas. Esta etapa permitió la optimización de las respuestas, permitiendo determinar los valores de los componentes pasivos (inductancias y capacitancias) a utilizar. FILTRO PASA-BANDA El circuito eléctrico del filtro pasa-banda y su respuesta simulada, se muestran en las figura 2. La simulación predice valores de pérdidas de retorno del orden de -28 db y de 0.01 db para las pérdidas de inserción en la banda de paso y en específico a la frecuencia de 139 MHz. 0 Filtro pasa banda Pérdidas de retorno (db) DB( S[1,1] ) (L) DB( S[2,1] ) (R) filtro GHz GHz Pérdidas de inserción (db) Frecuencia (GHz) (a) (b) Figura 2. Filtro pasa banda; (a) circuito, (b) respuesta en frecuencia FILTRO PASA-ALTAS El circuito eléctrico del filtro pasa-altas y su respuesta simulada, se muestran en las figura 3. La simulación predice valores de pérdidas de retorno y de inserción del orden de -3 db en la frecuencia de corte de 67 MHz. Estos valores son de -20 db y db, en la frecuencia de 140 MHz, respectivamente. 0 Filtro pasa-altas 0 Pérdidas de retorno (db) GHz DB( S[1,1] ) (L) GHz GHz Pérdidas de inserción (db) DB( S[2,1] ) (R) Frecuencia (GHz) (a) (b) Figura 3. Filtro pasa-altas; (a) circuito, (b) respuesta en frecuencia Adicionalmente, la etapa de rediseño requirió del estudio exhaustivo del recinto mecánico en el que se empaquetan los filtros, ya que este elemento influye de manera importante en sus características y respuestas eléctricas. El recinto mecánico debe estar adaptado

4 para instalarse en condiciones de campo y debe asegurar que los filtros soporten condiciones ambientales de intemperie. MONTAJE DE LOS FILTROS. Una vez que se han definido los componentes y se ha logrado tener las respuestas optimizadas de los filtros a fabricar, se ha procedido a la etapa de fabricación, caracterización y pruebas. Los filtros fabricados e integrados listos para su caracterización y uso, se muestran en la figura 4. Figura 4. Montaje final de los filtros pasa-banda y pasa-altas CARACTERIZACIÓN Y PRUEBAS La caracterización y ajustes de los filtros se realiza midiendo sus parámetros S (Scattering, S 11, S 21, S 12 y S 22 ) en alta frecuencia. Estos parámetros cuantifican las pérdidas de retorno e inserción en los puertos de entrada y salida de los filtros. La medición y ajuste de dichos parámetros, se realiza mediante un analizador vectorial de redes (AVR). Este instrumento proporciona la medida directa de las pérdidas de retorno e inserción de los dispositivos bajo prueba. El ajuste se realiza mediante un proceso de optimización de los valores medidos por el instrumento. RESPUESTA EN FRECUENCIA DE LOS FILTROS FABRICADOS El filtro pasa-banda muestra pérdidas de retorno inferiores a -27 db a la frecuencia de MHz, lo que supera ampliamente la especificación límite. La pérdida de inserción es de orden de -0.7 db. El filtro pasa-altas ha sido caracterizado en dos frecuencias específicas, de acuerdo con las especificaciones de MEXART. La primera frecuencia es 67 MHz, la frecuencia de corte del filtro pasa altas. En esta frecuencia, la pérdida de retorno es del orden de -4 db y la pérdida de inserción es de -3 db. La segunda frecuencia de interés es 140 MHz. En esta frecuencia, la pérdida de retorno es del orden de -30 db y la pérdida de inserción es de -0.1 db. Los filtros ya han sido instalados en el radiotelescopio. Las respuestas típicas se ilustran en la figura 5.

5 Figura 5. Respuesta en frecuencia típica de los filtros pasa-altas y pasa-banda. PRUEBAS REALIZADAS Y RESULTADOS Las características eléctricas alcanzadas en el desarrollo de este trabajo, se resumen en la tabla II. Como se observa, se han alcanzado las especificaciones requeridas y por tanto, se aseguró el desempeño óptimo de los filtros para el MEXART. TABLA II Especificaciones Filtros pasa-altas Filtros pasa-banda Eléctricas Frecuencia mínima de corte (MHz) 67 Frecuencia central (MHz) Ancho de banda mínimo (MHz) 15 Pérdidas de inserción (db) < MHz -0.7@ MHz < -0.2 db@140 MHz Pérdidas de retorno (db) < MHz < -30 MHz MHz Los espectros de potencia obtenidos con la incorporación de los filtros se pueden apreciar en la figuras 6.

6 Figura 6. Espectro de potencia de un Arreglo de 64 dipolos, antes y después del filtraje. Con la incorporación de estos filtros se obtuvo un mejoramiento en ruido del sistema además de que se atenuaron de manera significativa las señales de interferencia que provocaban la saturación de los sistemas de amplificación haciendo difícil los trabajos de observación y calibración del radiotelescopio MEXART. En la figura 7, se pueden observar varias graficas que muestran la señal captada por diferentes arreglos al incorporar el sistema de filtros.

7 Figura 7. Los Gráficos muestran la calidad de la señal observada al incorporar los filtros. CONCLUSIONES Como se reporta en este trabajo, mediante una colaboración inter-institucional entre el INAOE y el Instituto de Geofísica de la UNAM, se ha concretado el diseño y fabricación de filtros de radiofrecuencia para ser utilizados en el radiotelescopio MEXART, infraestructura de observación e investigación espacial, ubicado en Coeneo, estado de Michoacán. Los resultados obtenidos resultaron satisfactorios para el MEXART, al cumplir y aún mejorar las especificaciones alcanzadas para los dos tipos de filtros requeridos. El desarrollo de este proyecto, ha permitido mostrar la factibilidad de desarrollar tecnología de radiofrecuencia en nuestro país; esto se logra a costo competitivo y por tanto abre perspectivas de generar productos tecnológicos que hasta ahora, son disponibles principalmente en el extranjero y se tienen que importar necesariamente, para poder sustentar el trabajo científico e industrial en nuestro país. REFERENCIAS [1] Lionel Warnes, Analogue and Digital Electronics, Mc. Millan Press Ltd., 1998 [2] David M. Pozar, Microwave and RF design of wireless systems, John Wiley and Sons Inc., 2001 [3] ARRL Handbook ARRL Handbook for Radiocommunications ARRL [4] Mini-Circuits RF/IF Designer s Handbook Brooklyn NY,1992

8 [5] CARR,Joseph J., The Technician's Radio Receiver Handbook Newnes [6] Kevin McClaing and Tom Vito., Radio Receive Design, Noble Publishing 2000.