02 adaptación de impedancias en rf [modo de compatibilidad]

ELECTRNICA DE COMUNICACIONESADAPTACIN DE IMPEDANCIAS EN RF

Prohibida la reproduccin de cualquier parte de este documento, por cualquier medio y, especialmente para su empleo en la imparticin de cursos o seminarios sin permiso por escrito del autor.

1

rea de Tecnologa ElectrnicaDpto. de Ingeniera Electrnica y ComunicacionesUNIVERSIDAD DE ZARAGOZA ESPAA

Electrnica de Comunicaciones

Adaptacin de impedancias en RF

2011 Arturo MEDIANO Carlos BERNAL - [email protected]

Arturo [email protected]

Diseo electrnico para comunicaciones en RF

ndice

INTRODUCCIN A LA ELECTRONICA DE COMUNICACIONES.

Introduccin y revisin de conceptos bsicos.

Diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones.

ESPECIFICACIONES DE DISEO DE TRANSMISOR Y RECEPTOR.

Especificaciones del transmisor. Especificaciones del receptor.

TCNICAS DE DISEO EN ELECTRNICA DE COMUNICACIONES.

Adaptacin de impedancias en RF. Filtros de RF. Amplificadores de RF. Osciladores de RF. Mezcladores de RF. Moduladores analgicos y digitales. Bucles enganchados en fase (PLLs). Demoduladores analgicos y digitales. Ruido en electrnica de comunicaciones.

TCNICAS ESPECIALES Y APLICACIONES

Tcnicas especiales.



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Objetivos del tema

Analizar la influencia de las impedancias de fuente y carga en el ancho de banda (QL) de un circuito resonante.

Presentar equivalentes serie-paralelo y paralelo-serie de circuitos RC y RL. Este apartado permite en posteriores simplificar una red RLC.

Analizar la influencia de los elementos parsitos de los componentes en la resonancia de circuito (QL y/o fo).

Introducir la necesidad de TRANSFORMAR impedancias. Se presentan las redes TAPPED-C y TAPPED-L.

Ser capaces de conseguir resonancias con factores de forma pequeos a partir del circuito resonante bsico. Introducir el concepto de FACTOR DE FORMA. Presentar los acoplamientos con C, L o transformador.

Conocer las tcnicas de diseo de redes de adaptacin de impedancias empleadas en RF.



Resonancia paralelo

1 10 100 1000 10000Frequency (MHz)

-50

-40

-30

-20

-10

0

142 MHz -0.0229

20 MHz -18.2

10 MHz -25.3

2.01e+03 MHz -23.9

1.01e+03 MHz -17.9

DB(|VTG[2,1]|)Low Pass

DB(|VTG[2,1]|)HighPass

DB(|VTG[2,1]|)Bandpass

Gv(dB) 50 OhmR1

25 pFC1

50 OhmR1

50 nHL1 QL

fo

BW:=

QL 1.123=50nH

25pF

50

50

25 pFC1

50 nHL1

50nH25pF

50

A.M

edia

no 2

006



3




Influencia de Zs y ZL

1 10 100 1000Frequency (MHz)

-80

-60

-40

-20

0Vgain[dB]

CONCLUSINES DIFCIL ALCANZAR QCUANDO RS Y/O RL SON

BAJAS.

RS=50QL=1.1

RS=1000QL=22.5

C1 50 nHL1 50nH

25pF

RS RL=

fR=142.353MHz

A.M

edia

no 2

006



El equivalente global ... OBJETIVO: construir un equivalente RLC paralelo donde:

Xp ser la reactancia de CT o LT en fo. Rp IMPLICA QL. De forma equivalente, Rp IMPLICA QL Dadas Rs y RL, QL es mayor si L y C.

RpRS RL

RS RL+:=

QLRp

Xp:=

fo1

2 L C:=

Rp

CTLT

1 10 100 1000 10000Frequency (MHz)

-80

-60

-40

-20

0

DB(|VTG[2,1]|)Bandpass

L=50nHC=25pF

L=2.5nHC=500pF fo=142.35MHz

QL=1.1

Rp=50

QL=22.4

Vgain[dB]

A.M

edia

no 2

006



4




Equivalentes serie-paralelo (1)

CpRp Cs

Rs

Xp 1w Cp:=

Qp RpXp

:=1Rs Rp

1 Qp2+:=

Cs Cp Qp2

1+Qp

2:=

Xs 1w Cs:= Q

CpRpCs

Rs

Qs XsRs

:= Rp Rs 1 Qs2+( ):=

Cp CsQs

2

Qs2

1+:=

Los siguientes equivalentes permitirn simplificar los circuitos con los que trabajemos posteriormente ...

SUGERENCIA: Trata de analizar el caso de Qp

Xs Xp Qp2

Qp2

1+:=

SUGERENCIA: Trata de analizar el caso de Qs

Xp Xs 1 Qs2+

Qs2:=



Equivalentes serie-paralelo (2)

LpRp

Ls

Rs

Ls

Rs

LpRp

Xp w Lp:=

Qp RpXp

:=Xs Xp

Qp2

Qp2

1+:=

Rs Rp

1 Qp2+:=

Ls Lp Qp2

Qp2 1+:=

Xs w Ls:=Qs Xs

Rs:=

Xp XsQs2 1+

Qs2:=

Rp Rs 1 Qs2+( ):=Lp Ls

Qs2 1+Qs2

:=

Los siguientes equivalentes permitirn simplificar los circuitos con los que trabajemos posteriormente ...

SUGERENCIA: Trata de analizar el caso de Qp

SUGERENCIA: Trata de analizar el caso de Qs



5




1 10 100 1000Frequency (MHz)

.1

1

10

100

1000

100 MHz 33

|ZIN[1]|Equivalents

|ZIN[2]|Equivalents

QU IMPEDANCIAES LA DE CADA UNODE LOS CIRCUITOS?

ZTOTAL()

A.M

edia

no 2

006

Equivalente SLO en 1 frecuenciaEJEMPLO

Bobina de 50nH, nucleo de aire con Q=3.14 a 100MHz.

Ls

Rs

Rs = 10

LpRp Rp 108.696 =Xp 34.599 =Lp 55.066 nH=

z Clculo del equivalente:



Cmo influye el valor de Qu (1)

Trataremos ahora de evaluar la influencia de los parsitos de los componentes.

RS=1000

RL=1000

1.- Red adaptada en potencia ...

1000

1000fo

142.3MHz

2.- Se introduce una LC paralelo ...

50nH

25pF

POSIBILIDAD IDEAL:

L = 50nHQu = 3.14 @ 100MHz

ESR = 10

QuC = 25pF

POSIBILIDAD REAL:



6




Cmo influye el valor de Qu (2)

1 10 100 1000Frequency (MHz)-80

-60

-40

-20

0Vgain[dB]

RS=1000 RL=1000IDEAL

143 MHz -16.7dB

-6dB

REAL

Rp=211

Permiten comparar lasituacin SIN y CON la red.

PRDIDAS DE INSERCININSERTION LOSSES (IL)

A.M

edia

no 2

006



L y Cpueden no

ser prcticassi se desea un alto Q y el

paralelo de Rs y RL es pequeo

Dos conclusiones

1) La mala calidad de los componentes (Qu) provoca: una reduccin en QL (ms ancho de banda) y, prdidas de insercin (IL) en la seal deseada (que se acumulan en la

cadena de etapas).

2) El diseador puede para un cierto QL deseado ... Seleccionar L y C para unas ciertas Rs y RL.

Seleccionar Rs y RL ptimas.

Rs y RLnormalmente

definidas

QL Xpfija L y C

Rs y RLnormalmente

definidas

QL TRANSFORMARIMPEDANCIAS



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Transformacin de impedancias

La TRANSFORMACIN DE IMPEDANCIAS permite engaar a un circuito haciendole ver la impedancia que nos interesa a una(s) determinada(s) frecuencia (s).

Transformador o dividir uno de los componentes en dos obteniendo un grado de libertad.

TAPPED-C

C1

C2R2

Rt

L

TAPPED-L

L1

L2R2

Rt

C

Rt > R2 Rt > R2

Rt

R2

TRANSFORMADOR

n1 n2

N=n1n2

Rt = N2 x R2

NOTA: Cuidado con la definicin de N



Transformador Tapped-C

SUGERENCIA: Trata de deducir las ecuaciones haciendo uso de las equivalencias serie-paralelo.

Rt > R2 OBJETIVO HABITUAL

Calcular C1 y C2 para que R2sea transformada a Rt a la frecuencia de resonancia de la red (fo) y con el ancho de banda BW especificado (BW).

C1

C2R2

Rt

L

Q p

RtCt

LN Rt

R2:=

QtfoBW

:= Ct 12 BW Rt:=

L1

2 fo( )2 Ct:=

RseCse

Qp Qt2

1+N

2

1:=

CseC2 Qp

21+( )

Qp2

:=

C2 N Ct:=

C1C2

N 1:=

C2Qp

2 fo R2:=

C1 Cse CtCse Ct:=

CASO TPICO Y SIMPLIFICACIN:

Qp QtN

:=QtN

10



8




Transformador Tapped-L

SUGERENCIA: Trata de deducir las ecuaciones haciendo uso de las equivalencias serie-paralelo.

Rt > R2 OBJETIVO HABITUAL

Calcular L1 y L2 para que R2sea transformada a Rt a la frecuencia de resonancia de la red (fo) y con el ancho de banda BW especificado (BW).

RtC

LtN Rt

R2:=

QtfoBW

:=

Qp Qt2

1+N

2

1:=

RseLse

Qp QtN

:=

CASO TPICO Y SIMPLIFICACIN:

QtN

10

L1

L2R2

Rt

C

Q p

LseL2 Qp

2( )Qp

21+( ):=

L2 R22 fo Qp:=

L1 Lt Lse:=

L2 LtN

:=L1 Lt L2:=

C 12 BW Rt:=

Lt1

2 fo( )2 C:=



Transferencia de potencia

Vout RL( )

V

Pout RL( )

W

RL()0.1 1 100.01

1

0.5

0

Valor de RL para obtener mxima Pout ?.RS=1

RLVS=1V

Vout

z Habitualmente se emplea adaptacin de impedancias para:

OBTENER PTIMA TRANSFERENCIA DE POTENCIA ENTRE ETAPAS.

EVITAR REFLEXIONES CUANDO SE TRABAJA CON LINEAS DE TRANSMISIN.

PROTEGER AMPLIFICADORES DE POTENCIA QUE VEN DESADAPTADA SU SALIDA.

z Ejemplo prctico ...

Transmisor Linea de transmisin (50) Sistema radiante(50) (50)

A. Mediano 2007



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Adaptacin de impedancias

MAmplificador

FiltroMezcladorOscilador

Etc

AmplificadorFiltro

MezcladorOscilador

Etc

REDDE

ADAPTACIN

Zs ZLZs* ZL* z Topologas ms habituales ...X1

X2RED EN L

X1

X2

RED EN TX1

X2

X3

RED EN PI

X2 X3X1

600

10

122.4nH

20.4pF

600 @ 100MHz600

10

ATT = -11.9dB 10 @ 100MHz

SUGERENCIA: Trata de utilizar los equivalentes serie-paralelo y paralelo-serie para entender el modo en que trabaja la red.

IMPORTANTESLO SE CONSIGUE ADAPTACINPERFECTA EN UNA FRECUENCIA



Red en L: diseo.

Pasobajo

Pasoalto

IDEANo pasa DC.

Qs RpRs

1:=

Qp Qs:=Xs Qs Rs:=Xp Rp

Qp:=

ECUACIONES DE DISEO

z Precauciones Usar como valor de Rp en las ecuaciones el mayor de las

resistencias terminales. Siempre Xs y Xp debern ser de naturaleza diferente

(inductiva vs capacitiva). Dadas Rs y Rp, esta red NO PERMITE fijar un Qtotal.

Xs

Xp Rp

Rs

Rama Serie Rama ParaleloQs Qp

Rp > Rs



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Redes en PI y T: diseo.

Si Rs y Rp son fijas,Q est definido.

Qs RpRs

1:=

Limitacin red en L. Solucin. Aadir un elemento ms. El Q alcanzado es siempre mayor o igual al de la L. Las redes se disean como en L pero hacia una

resistencia intermedia virtual.

X2 X3X1

X2

X1a

X3

X1b

R

X1 X3

X2a R

X1

X2

X3

RLRS RLRS

RS RL

RL

RS

R < RsR < RL

R > RsR > RL

Q RhR

1:=

Rh = la mayor entre RS y RL

El Qtotal (Q), lo determina la rama L con mayor Q

Rs = la menor entre RS y RL

PI T

Q RRs

1:=

X2b



Adaptacin en banda ancha

HASTA EL MOMENTO ... Una red en L me permite adaptar Rs y RL pero el Q es fijo (al estar Rs y RL fijas). Si el Q ofrecido por esa red no es suficiente utilizo una red en PI o en T. Solucin idonea

para adaptacin de banda estrecha (NARROWBAND MATCHING). QU HACER SI NECESITO BANDA ANCHA Y EL Q DE UNA RED L ES

DEMASIADO ALTO?. SOLUCIN 1: transformadores de RF. SOLUCIN 2: encadenar N redes en L.

Xs1

Xp1 R RLRS

Rs < R < RL

Xs2

Xp2

Suponiendo un caso de RS < RL:

Si RS > RL se invierte la red.

DISEO:1) Establecer Qtotal.2) Elegir qu extremo controlar el Q total.3) Despejar R:

si el extremo escogido es el paralelo:

si el extremo escogido es el serie:

4) La mxima anchura de banda (Qmin) se obtiene cuando:

QRmax

R

1:=

QR

Rmin

1:=

RRmin

1

RmaxR

1:= R RS RL:=



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Impedancias terminales complejas

El diseo de redes L aisladas, encadenadas, en PI o en T se ha presentado haciendo uso de impedancias reales Rs y RL en los extremos. Qu hacer si una o ambas impedancias fueran complejas? Se ABSORBEN o HACEN RESONAR las partes reactivas procediendo con las resistivas como hasta ahora.

MTODO 1ABSORCIN

X1

X2

Las reactancias de fuente y/o carga forman parte de elementos de igual naturaleza de la red, son absorbidas.

Puede combinarse el uso de ambos

MTODO 2RESONANCIA

X1

X2

La reactancia de la fuente y/o carga se coloca en serie o paralelo con un elemento de naturaleza opuesta que resuene haciendola desaparecer a la frecuencia de trabajo.



Cmo medir la adaptacin ...

RELACIN DE ONDAS ESTACIONARIAS (ROE) VOLTAGE Standing Wave Ratio (VSWR) Es un NMERO SIN UNIDADES que mide la dasadaptacin.

PRDIDAS DE RETORNO Return Loss (RL) Medida de la desadaptacin en dB.

X Adaptacin VSWR Descripcin1.0:1 Perfecta adaptacin. Imposible en la prctica.1.4:1 Excelente adaptacin. Tpico criterio de diseo.2.0:1 Aceptable en muchas aplicaciones.10:1 Inaceptable en todos los casos.

infinito:1 Imposible. Conectar una manguera a un tunel.

VSWR RL1.0:1 infinito1.4:1 15.6dB2.0:1 9.5dB10:1 1.7dB

infinito:1 0dB

Hace referencia a la REFLEXIN que provoca la desadaptacin.

Tpico caso de un short o un open que provocan la

reflexin de toda la RF daando habitualmente el

emisor de RF.

X : 1



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Adaptando con lineas (1)

MICROSTRIP

STRIPLINE

CONDUCTORESPARALELOS

COAXIAL

vp=1/r cm= vp x 30000/fMHz

Zo,pd L, C

Long

Long = =360Long = /2 =180Long = /4 =90Long = /8 = 45

En UHF y MW ES MUY PRCTICO ADAPTAR EMPLEANDO

LINEAS DE TRANSMISIN




/4 (90)Zo

Rin = Zo2/RLRL Zo = (Rin*RL)MUY TIL

ADAPTAR Rin con RL EMPLEANDO LINEA DE Zo IGUAL A:

Zo

Zin = XC = Zo2/XLXL

/4 (90) Zo

XCZin = XL = Zo2/XC

/4 (90)



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90 < < 180: Zin = = 180: Zin = SHORT

= 90: Zin = OPEN0 < < 90: Zin =

= 45: XL=Zo

90 < < 180: Zin = = 180: Zin = OPEN

= 90: Zin = SHORT0 < < 90: Zin =

= 45: XL=Zo

Zin = Zo tg Zo, long

LINEA TERMINADA EN CORTO

Zin = Zo cotg Zo, long

LINEA TERMINADA EN ABIERTO



Ejemplo 1

Diseo en UHF. Componentes SMD. Lineas microstrip. 10W de RF Adaptacin en entrada, interetapa y a la salida.

Q1

VDC

Q2M1 M2 M3

Q1 Q2

IN OUT

A. Mediano 2007



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Ejemplo 2

Ejemplo de PolyFET: 60W 30-512MHz

02 adaptación de impedancias en rf [modo de compatibilidad]

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