CAPITULO 2. 2 Diseño del equipo de transmisión pulsada

Transcripción

1 CAPITULO 2 2 Diseño del equipo de transmisión pulsada La idea básica es generar la modulación en amplitud de una señal de alta frecuencia mediante un tren de pulsos, lo que visto en un osciloscopio sería una señal RF pulsada. Para lograr lo anterior lo primero que se debe conseguir es la manera de generar una señal RF que cumpla con la exigencia de cubrir las bandas celular y PCS, es decir alrededor de 890[MHz] y 1.9[GHz] respectivamente. La manera práctica de generar una señal RF es usar un oscilador controlado por voltaje pues con él se puede ajustar a voluntad del usuario la banda en que se desea trabajar. Una vez que se tiene la RF el problema se reduce a encontrar un elemento que sea capaz de conmutarla ON-OFF siguiendo como referencia de control un tren de pulsos externo. Lo demás se reduce tan solo a la amplificación y atenuación que sea necesario imponer a la señal para adecuar su nivel a valores que aseguren el buen funcionamiento de los componentes que se utilicen. De lo anterior surge un primer esquema a nivel de bloques que representa de manera medular la idea que se persigue. La figura 2.1 muestra dicha idea la cual se irá desarrollando en el transcurso del capitulo como también del texto mismo. 2

2 Como el equipo debe ser capaz de cubrir tanto la banda de 890[MHz] y la de 1.9[GHz], implicaría tener un VCO con un ancho de banda de 1110[Mhz] lo cual resulta en un elemento demasiado caro y además demasiado sensible a cambios de voltaje de control. Como solución a este problema y debido a que existen elementos dobladores de frecuencia, se puede utilizar un VCO de menor ancho de banda. Por ejemplo con un VCO capaz de generar una banda RF cuya frecuencia pueda ser variada desde 890[Mhz] hasta 950[Mhz], se puede lograr el objetivo agregando un doblador de frecuencias a la salida de éste, generando así otra banda RF cuya frecuencia variará entonces desde 1780[Mhz] hasta 1900[Mhz]. Lo que resta por resolver es como hacer el cambio de bandas, es decir como el usuario va a escoger entre tomar la señal en forma directa desde el VCO o hacerla pasar primero por el doblador de frecuencias. Por el momento se puede pensar en un elemento selector que sirva para resolver lo anterior. En la figura 2.2 se ilustra la evolución que presenta el equipo de transmisión luego de la discusión anterior. Hasta ahora no se ha analizado el tema de la existencia de los componentes. Para conocer elementos que existan en el mercado, una posibilidad es visitar páginas WEB de empresas que se dediquen a la manufactura de componentes electrónicos de alta frecuencia, o bien, buscar en manuales. A continuación se describirán y analizarán los componentes que cumplen con las características necesarias para lograr un buen funcionamiento del esquema planteado para el equipo de transmisión. 3

3 2.1 El oscilador controlado por voltaje: VCO Existe un elemento VCO que tiene las siguientes características: Fabricante Rango de frecuencias Salida principal Salida auxiliar Sensibilidad Mini-Circuits ZOS [Mhz] a 1025[MHz] 8[dBm] -13[dBm] 30[kHz/mV] Las características que posee éste VCO son bastante cercanas a lo que se requiere y, mejor aún, el hecho que tenga dos salidas a la misma frecuencia, presenta una notable ventaja. De la salida principal se puede obtener una de las bandas que exige el diseño; sometiéndola al doblador de frecuencias se obtendría una banda que puede variar desde 1370[Mhz] hasta 2050[Mhz]. De la salida auxiliar entonces se puede tener la banda nominal del VCO, es decir desde 685[Mhz] hasta 1025[Mhz]. Un detalle que puede causar problemas es la gran sensibilidad que posee el VCO obsérvese que por cada milivolt la frecuencia cambiará 30 kilohertz. Los terminales de salida y control son conectores SMA mientras que los terminales de alimentación son terminaciones soldables. 2.2 El doblador de frecuencia Un doblador de frecuencias es un elemento pasivo cuya función, como su nombre claramente lo dice, es duplicar el valor de la frecuencia de entrada. Se basa en el principio de rectificación por diodos semiconductores. Para ejemplificar en parte el funcionamiento de este componente se puede recurrir a un ejemplo clásico en la electrónica: el puente rectificador de onda completa utilizado para fabricar fuentes de corriente continua. Este elemento recibe en su entrada una onda sinusoidal de frecuencia ƒ 0 y en la salida se tiene un tren de semiciclos positivos con una frecuencia 2ƒ 0, aplicando un filtro pasabanda a 2ƒ 0 como frecuencia central lo suficientemente angosto, se obtendrá una sinusoidal de frecuencia 2ƒ 0. El componente que cumple con las condiciones para ser empleado en el diseño es el FK-3000 que es un doblador de frecuencias que tiene las siguientes características: Fabricante Mini-Circuits FK3000 Rango de frecuencias 70 a 1500 Mhz Potencia de entrada mínima 12dBm Potencia de entrada máxima 15dBm Pérdida típica 12dB Pérdida máxima 17.5 db Conectores SMA 4

4 2.3 Elemento selector de banda El selector de banda es el elemento encargado de posibilitar la elección de la banda de trabajo del equipo. Este elemento debe ser capaz de trabajar en RF y discriminar en forma perfecta entre una y otra señal dejando completamente aislada a una mientras que la otra esta siendo utilizada. Debe tener un control de conmutación alcanzable por el usuario desde el exterior del equipo. El componente que cumple con las condiciones para ser empleado en el diseño es el switch ZYSWA-2-50DR, que es un switch con dos salidas y una entrada, ver figura Sus características principales son: Fabricante Rango de trabajo Control TTL Perdidas entre Aislación IN-OUT Alimentación Mini-Circuits ZYZWA-2-50DR DC-5[GHz] High RF2 ON; RF1 OFF Low RF1 ON; RF2 OFF 1.4 y 1.9[dB], entre 500[Mhz] y 2[Ghz] 31[dB] 5[V] y 5[V], 12[mA] Este conmutador tiene la posibilidad de ser conectado en ambos sentidos. Esto quiere decir que la puerta de entrada puede ser considerada como la salida única mientras que las que eran sus salidas se transforman en entradas. En el diseño de ésta parte del equipo, el componente se usará en la forma inversa a la que viene rotulada en su carcaza: con dos entradas y una salida. Esto último también se puede apreciar en la figura Todos sus terminales son del tipo SMA, excepto los de alimentación que son del tipo soldables. 5

5 2.4 Elemento conmutador Este es un punto fundamental dentro del sistema que se está diseñando pues aquí se lleva a cabo la mezcla entre la señal RF y el tren de pulsos que proviene del exterior del equipo. El elemento conmutador debe ser muy rápido, debe cambiar de estado en no mas de 2[ns], pues el tren de pulsos más exigente, tiene 10[ns] de ancho de pulso por lo que si el conmutador no es lo suficientemente rápido, no se logrará un resultado satisfactorio. Existen dos elementos para lograr el objetivo de esta etapa: un switch de alta velocidad o un mixer. Las características de velocidad de conmutación que poseen los switchs más rápidos y que se pueden encontrar comercialmente a precios razonables, entre los cuales se encuentra el ZYSWA-2-50DR, indican que al parecer no son lo suficientemente rápidos para esta aplicación: su evaluación práctica se verá en la etapa de pruebas en el laboratorio. Por lo pronto en el diseño se utilizará un mixer con acoplo a continua. Uno de los mixer que cumple con las exigencias en cuanto a ancho de banda y acoplo a continua es el ZEM A modo de aclaración, cuando se habla de acoplo a continua se está refiriendo a que la señal que se conecta a la puerta de frecuencia intermedia (IF o simplemente I), va desde DC hasta alguna frecuencia siempre menor que la RF de entrada. La figura muestra el esquema de conexión para el mixer ZEM-4300, todos sus conectores son del tipo SMA. Sus características principales son: Fabricante Mini-Circuits ZEM-4300 Rango trabajo LO/RF 300 a 4300 [Mhz] Rango de trabajo IF DC-1000[Mhz] Pérdidas de conversión 6.65 [db] Aislación L/R típico 40[dB], mínimo 20[dB]; entre 300[Mhz] y 3[Ghz] Aislación L/I típico 15[dB], mínimo 8[dB]; entre 300[Mhz] y 3[Ghz] 6

6 2.5 Amplificadores y atenuadores Con lo desarrollado al momento, se han encontrado los componentes necesarios para armar el esquema presentado en la figura 2.2. Lo que no se ha considerado son los niveles de potencia tanto en la salida como en las etapas intermedias. Para adecuar los niveles de potencia requeridos por cada componente, se agregarán al diseño amplificadores y atenuadores Amplificador ZJL-5G Obsérvese que la salida principal del VCO es de 8[dBm] mientras que la entrada mínima del doblador de frecuencias es de 12[dBm], por lo tanto con un amplificador de ganancia 5[dB] y que sea capaz de suministrar la potencia necesaria al FK-3000 se soluciona la diferencia de niveles. El amplificador ZJL-5G es un componente que tiene las siguientes características: Fabricante Mini-Circuits ZJL-5G Rango de frecuencias [Mhz] Ganancia típica 9[dB] mínimo 7[dB] Potencia máxima entrada 20[dBm] Potencia máxima salida 15[dBm] (1[dB] de compresión) NF(noise factor) 8.5[dB] IP3(intercept point) 32[dBm] ROE entrada 1.6 ROE salida 1.3 Alimentación 12[V], 80[mA] Conectores IN-OUT SMA Dado que la ganancia de éste amplificador es de 9[dB] y no 5[dB] como se necesita, es necesario intercalar un atenuador entre el VCO y el amplificador. Escogiendo 13[dBm] como potencia de entrada al doblador de frecuencias, se tiene entonces que con un atenuador de 4[dB], a la entrada del amplificador, en la salida se tendrán los 13[dBm] necesarios. Los conectores de entrada y salida del amplificador son del tipo SMA mientras que los de alimentación son soldables. 7

7 2.5.2 Amplificador ZJL-3G Siguiendo la línea de la salida principal del VCO (ver figura 2.6.1), después del doblador de frecuencias, se tendrá una potencia de 1[dBm] (considerando que el doblador presente una atenuación de 12[dB] que es lo típico según el manual). Esta señal de 1[dBm] será ingresada al elemento selector de banda para ser administrada por éste (ZYSWA-2-50DR). Como la salida auxiliar del VCO tiene una potencia de 13[dBm], es necesario amplificarla también para lograr una señal cercana a 1[dBm] antes de ser entregada al elemento selector de banda. Con un amplificador de ganancia 14[dB] se lograría lo anterior. El amplificador ZJL-3G es un componente que tiene las siguientes características: Fabricante Mini-Circuits ZJL-3G Rango de frecuencias [Mhz] Ganancia típica 19[dB] Potencia máxima entrada 20[dBm] Potencia máxima salida 8[dBm] (1[dB] de compresión) NF(noise factor) 3.8[dB] IP3(intercept point) 22[dBm] ROE entrada 1.4 ROE salida 1.6 Alimentación 12[V], 45[mA] Conectores IN-OUT SMA Dado que este amplificador tiene una ganancia de 19[dB] y no 14[dB] que son los que se necesitan, es necesario intercalar un atenuador de 5[dB] entre la salida auxiliar del VCO y la entrada del amplificador ZJL-3G. De esta manera, se tendrá en la salida una potencia de 1[dBm] para entregar al elemento selector de bandas, al igual que la otra rama del sistema. 2.6 Sistema RF a nivel de componentes Ahora que se han analizado los bloques que componen el diagrama del sistema, se está en condiciones de reemplazar los bloques de la figura 2.2 por los respectivos componentes e incorporando en ella los atenuadores y amplificadores descritos en los puntos anteriores. Se tiene entonces que la figura 2.2 evoluciona, incorporándole más componentes, en la figura En la figura se han puesto también los niveles de potencia en [dbm] que entrega cada componente al próximo. Se ha asumido que el selector de banda (ZYSWA) atenuará en el promedio de lo especificado o sea 1.6 [db] y que el mixer presentará, trabajando como switch, una atenuación promedio, de 4[dB] (fue medida, ver tablas y 3.4.4), en consecuencia se debe tener en la salida del esquema una potencia de 4.6 [dbm]. 8

8 2.7 Amplificador de salida Con lo anterior el diseño del equipo está casi terminado. Lo que falta por agregar es la amplificación final. Para cumplir con el objetivo planteado, sería necesario conectar a la salida del mixer un amplificador de ganancia entre 14.6 [db] y 19.6 [db] para así tener una potencia entre 10 y 15[dBm]. El amplificador ZFL-2500 tiene las siguientes características: Rango de frecuencias Ganancia mínima Potencia máxima entrada Potencia máxima salida (1[dB] de compresión) NF(noise factor) IP3(intercept point) ZFL [Mhz] 28[dB] 5[dBm] 15[dBm] 8[dB] 27[dBm] 9

9 ROE entrada 2.5 ROE salida 2.5 Alimentación 5[V], 220[mA] El ZFL-2500 es el componente adecuado para la etapa de amplificación final debido a la adecuada potencia que es capaz de entregar. A modo explicativo cabe destacar un punto acerca de las características de los amplificadores: Potencia máxima de salida a la cual se tiene 1[dB] de compresión: este parámetro es una referencia que guarda relación con la diferencia en la ganancia del amplificador a pequeña señal con una cuya potencia es mucho mayor; resultando en una ganancia de 1[dB] menos que con la señal pequeña. Como consecuencia y en forma particular para el ZFL-2500, deja de ser lineal para señales cuya potencia de entrada sea mayor a 13[dBm] debido a la ganancia de 28[dB] que posee. Para no salirse de la banda de compresión a 1[dB], la potencia máxima que el amplificador debe tener en la puerta de entrada es de 13[dBm]. Para cumplir con lo antes mencionado y debido a que después del mixer se tienen 4.6 [dbm], a la salida de este ultimo se debe colocar un atenuador como mínimo de 8.4[dB] para así tener los -13[dBm] necesarios a la entrada del amplificador y conseguir 15[dBm] a la salida del equipo. Se opta por colocar un atenuador de 10[dB] con lo que se bebiera tener 13.4[dBm] en la salida del equipo, cumpliéndose así la especificación planteada en el objetivo de tener entre 10 y 15[dBm]. De esta manera la figura vuelve a evolucionar adicionándole un atenuador y el amplificador de salida. La figura muestra un diagrama en bloques, del diseño completo, con todos los componentes necesarios para generar la señal pulsada en las bandas celular y PCS. El número que aparece en la salida de cada componente, es el nivel de potencia en [dbm], que se tiene respectivamente. 10

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