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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES
Departamento de Electrónica
Materia: Medidas Electrónicas 2
Proyecto: Comparación de Filtro Pasabanda Pasivo Mi crostrip de 2Ghz y AB de 20Mhz agregando capacitores discretos y más cara
antioxidante “Flux”
Docente: Ing. Henze, Alejandro Ayudante de TP: Tamayo, Ignacio
Grupo N°:
Alumnos :
Apellido y Nombre Legajo
1 Brutti, Pablo 121.532-2
2 Aprea, Miguel 113.742-6
3 Lopez, Hernán 114.170-3
4 Solana, Agustín 121.873-6
Entrega Informe Fecha Firma
Primer entrega 17 / 02 / 15
Aprobación / /
Entrega Devolución Re-entrega Firma Recepción
2° / / / /
3° / / / /
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ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................ 4
2. DESARROLLO DEL TRABAJO ........................................................................................................................ 4
2.1 Descripción ............................................................................................................................................................ 4
2.2 Principio de funcionamiento ................................................................................................................................ 4
2.3 Análisis teórico ...................................................................................................................................................... 4
2.4 Modelos, diseño y simulación ............................................................................................................................. 5
3. MEDICIONES REALIZADAS SIN MODIFICACIONES EN LA PLACA ...................................................... 7
4. DISCUSIÓN ......................................................................................................................................................... 8
5. COMPARACIÓN ENTRE PLACA ORIGINAL Y MISMA PLACA CON CAPACITORES SMD ............... 8
5.1 Descripción ............................................................................................................................................................ 8
5.2 Mediciones y comparación .................................................................................................................................. 9
6. COMPARACIÓN ENTRE PLACA ORIGINAL Y MISMA PLACA CON MASCARA ANTIOXIDANTE . 11
6.1 Descripción .......................................................................................................................................................... 11
6.2 Mediciones y comparación ................................................................................................................................ 11
7. CONCLUSIONES ............................................................................................................................................. 13
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Comparación de Filtro Pasabanda Pasivo Microstrip d e 2Ghz y AB de 20Mhz agregando capacitores discretos y máscara ant ioxidante
“Flux”
Pablo Brutti, Aprea Miguel, Hernán López, Agustín Solana Docente a cargo: Ing. Alejandro Henze
Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires Medidas Electrónicas 2
1. INTRODUCCIÓN
Nuestro trabajo consiste en el diseño y construcción de un filtro pasivo pasabanda con frecuencia central de 2 Ghz y ancho de banda de 20 Mhz utilizando la tecnología microstrip. Se realizarán las caracterizaciones, simulaciones y mediciones del dispositivo mediante utilización de conceptos, instrumental y procedimientos de medición vistos durante la cursada. Se utilizará el instrumental disponible en el Dpto. de Ing. Electrónica de la FRBA.
Luego se evolucionaran las experiencias y aprendizajes sobre esta tecnología realizando variaciones, como por ejemplo agregando capacitores SMD y aplicando una máscara antioxidante muy común en la fabricación de circuitos impresos llamada “Flux”. 2. DESARROLLO DEL TRABAJO 2.1 Descripción
Se realizará el diseño mediante el software “Ansoft Designer v2.2 Student Version” utilizando
tecnología microstrip, basándose en el modelo “hairpin” convencional. Se utilizará aproximación de Bessel de 3er orden, por cumplir las condiciones básicas ideales de respuesta en frecuencia en la banda de paso y máxima planicidad. Quedará adaptado a 50ohm y se utilizarán conectores SMA hembra directo.
Con el diseño “hairpin” (resulta ser una especie peine con dientes en forma de U) se logra un
mejor aprovechamiento del espacio sobre el sustrato logrando las mismas características en menor superficie que, por ejemplo el de “líneas paralelas”.
2.2 Principio de funcionamiento El diseño microstrip aprovecha las propiedades capacitivas e inductivas que poseen los
conductores y dieléctricos (sustrato) entre sí las cuales se evidencian fuertemente en alta frecuencia, por lo que se evita el uso de componentes discretos (inductores, capacitores, etc). Se logra un equivalente a filtros pasivos escalonados realizados en componentes discretos, pero evitando las pérdidas que ocurrirían por trabajar en esta frecuencia.
2.3 Análisis teórico El diseño debe cumplir con las características de BW (caída de 3 dB en ±10Mhz, es decir,
1990Mhz y 2010Mhz), atenuación nula en la frecuencia central y un Q de aprox. 100, correspondientes a las características de diseño del filtro ideal.
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2.4 Modelos, diseño y simulación Capturas del Ansoft: Modelo por bloques del diseño y simulación de las pérdidas de inserción y de las pérdidas de
retornos que se esperan del filtro, se puede observar también el ancho de banda: Fig. 1 Esquema aproximado del layout y sus dimensiones: Fig. 2
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Fig. 3 Otros datos obtenidos del diseño por soft: Fig. 4 Fig. 5 Dispositivo finalizado: Fig. 6
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3. MEDICIONES REALIZADAS SIN MODIFICACIONES EN LA P LACA Se realizaron mediciones de respuesta en frecuencia y ancho de banda mediante el analizador de espectro Agilent 9320A. Se utilizaron adaptadores de SMA a BNC y cables de 50ohm con conector SMA macho directo.
Fig. 7
Fig. 8
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Las mediciones corresponden a la caracterización del módulo del parámetro S21 en función de la frecuencia. No pudimos realizar las mediciones del parámetro S11 ya que para obtener esos valores precisábamos un VNA (Analizador de Redes Vectoriales), y el equipo con el que contamos en la facultad no logra trabajar en nuestra frecuencia de interés. En la medición se ve claramente que el filtro presenta un ancho de banda de aproximadamente 150MHz, muy distinto al buscado (20MHz) con una frecuencia central de 1,885GHz. Atribuimos estos errores a incertidumbres en el proceso de fabricación, como así también a incertidumbres en la caracterización de la placa utilizada; constante dieléctrica, espesor de cobre y de sustrato. 4. DISCUSIÓN En un principio se realizó un diseño y desarrollo en conjunto con el proyecto de la cursada de la materia Tecnología Electrónica, el cual en las simulaciones, también respondía correctamente a los modelos utilizados, pero el problema surgió con el material utilizado para el sustrato. Cuando intentamos realizar las mediciones con el AE no logramos obtener ninguna respuesta. Se revisó el diseño por soft, el diseño físico y el conexionado, todo era correcto. Por ultimo quedaba verificar que los materiales utilizados fueran los correctos. Resultó ser que el sustrato utilizado (Alumina) era para frecuencias inferiores al Mhz, por lo que era lógico lo ocurrido.
Optamos por elegir otro tipo de sustrato, con el que se realizó el proyecto definitivo, accesible tanto en costo como en tiempos para su adquisición y desarrollo. Se optó por una placa ceramic-filled PTFE RO3000® Series de Rogers Corporation, el cual es el que se puede observar en la Fig. 5 con el dispositivo armado y funcionando.
Al momento de realizar las mediciones con el AE no tuvimos inconvenientes y se pudo comprobar
el funcionamiento esperado con algunas diferencias. El inconveniente surgió al querer realizar otro tipo de mediciones como parámetros S, ya que no pudimos disponer de un VNA que soporte la frecuencia utilizada, lo mismo ocurrió con el osciloscopio. 5. COMPARACIÓN ENTRE PLACA ORIGINAL Y MISMA PLACA C ON CAPACITORES SMD 5.1 Descripción
Comprendiendo que para el diseño de nuestro filtro en una placa de cobre con un sustrato, de
características bien definidas, el software que utilizamos previamente modelizo este mismo filtro con tanques LC de componentes discreto, se nos ocurrió la idea de observar qué sucedía si a nuestra placa le agregábamos dos capacitores de montaje superficial.
Los capacitores utilizados fueron tenían ambos un valor de 100nF, encapsulado 0805 cuyas
dimensiones se detallan a continuación.
Fig. 9 Fig. 10
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Al realizar los ensayos, mientras realizábamos las mediciones con el analizador de espectro midiendo el parámetro |S21|, intentamos colocar los capacitores procurando disminuir el ancho de banda del filtro y así acercarnos al ancho de banda originalmente buscado, no obstante encontramos que muchos parámetros de nuestro filtro cambiaban al realizar esta modificación, por lo que buscamos una solución de compromiso en la ubicación de los mismos.
5.2 Mediciones y comparación
Encontramos que la forma de la respuesta en frecuencia había variado significativamente, sobre
todo se puede apreciar en las imágenes de las mediciones que el riple se encuentra ahora bastante atenuado.
A pesar de esto, y como punto positivo, encontramos que el ancho de banda disminuyo mucho,
acercándose a los 20MHz originalmente buscados.
Fig. 11
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Fig. 12
Fig. 13
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En el siguiente cuadro se expresan las diferencias más significativas entre ambas mediciones.
Sin Capacitores Con Capacitores Frecuencia Central 1,885GHz 1,825GHz Ancho de Banda 150MHz 40MHz Atenuación 3dB 8dB
En base a las mismas podemos destacar que el ancho de banda bajo a un número similar al
requerido originalmente, pero pagando el precio de tener una atenuación mucho mayor (unos 5dB por debajo de la atenuación anterior).
A su vez se puede notar que la frecuencia central del filtro se vio desplazada, esto se debe a que
por algún motivo el tanque LC que representa al filtro de menor frecuencia (recordemos que el filtro se modeliza con tres tanques, por eso se ven tres picos en la medición) por algún motivo se ve más atenuado que los otros, así corriendo la frecuencia de ganancia máxima (o mínima perdida) de nuestro filtro.
6. COMPARACIÓN ENTRE PLACA ORIGINAL Y MISMA PLACA C ON MASCARA ANTIOXIDANTE 6.1 Descripción
Es común el uso de productos químicos para proteger al cobre de un circuito impreso en contra
del óxido, como así también para aumentar el punto de ruptura del dieléctrico, para trabajar con tensiones elevadas. No obstante el uso de estos productos, inevitablemente interfiere en la caracterización de nuestros circuitos impresos, ya que el dieléctrico que antes estaba formado por el sustrato y aire ahora también debemos considerar al nuevo agente, que por más que su espesor sea bajo puede afectar en el valor final de la constante de permeabilidad dieléctrica.
Nuestro objetivo fue agregar una máscara antioxidante, de un producto muy conocido y utilizado
en el rubro llamado “Flux”, a la misma placa previamente diseñada fabricada y ensayada, para luego conocer las variaciones del mismo. Para ello, y procurando solo detectar las variaciones por el uso de este producto, utilizaremos los mismos equipos de medición previamente utilizados.
6.2 Mediciones y comparación
Luego de colocar el Flux en la placa, y posterior a esperar 24 hs para que se el producto adquiera
las características eléctricas finales procedimos a realizar las mediciones del parámetro |S21| al igual que realizamos cuando la placa no contenía Flux.
Encontramos que la forma de la respuesta en frecuencia no había variado significativamente, no
obstante se percibe el cambio y se logran medir los parámetros característicos del mismo.
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Fig. 14
Fig. 15
En el siguiente cuadro se expresan las diferencias más significativas entre ambas mediciones.
Sin Flux Con Flux Frecuencia Central 1,885GHz 1,860GHz Ancho de Banda 150MHz 50MHz Atenuación 3dB 4dB
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En base a las mismas podemos destacar que en primer lugar la forma de la representación del |S21| en función de la frecuencia no cambio mucho, no como sucedió cuando agregamos los capacitores.
No obstante observamos que el IL aumento, provocando que la atenuación del filtro en su punto máximo pase de 3dB a 4dB.
A su vez se puede notar que la frecuencia central del filtro se vio muy levemente desplazada, posiblemente esto se debe a que el flux no se esparció uniformemente en la placa, existiendo diferencias de espesor a través de la misma, provocando atenuaciones diferentes.
7. CONCLUSIONES
Si bien no se pudieron realizar todos los ensayos que se solicitaron, los datos obtenidos a través del AE son más que concluyentes para determinar que el dispositivo funciona con los parámetros solicitados y que su diseño, teniendo las precauciones en la elección del sustrato y desarrollo es de fácil fabricación y de un costo relativamente bajo.
Aprendimos que esta técnica de fabricación de filtros puede llegar a ser muy útil sobre todo en
propósitos donde se requiere una fabricación en serie. Entendemos que para obtener un producto de mayor calidad (menor incertidumbre en la caracterización del mismo) debemos contar con información precisa de la materia prima a utilizar, como así también contar con herramientas de fabricación acordes a la calidad requerida para el mismo.
A su vez con este trabajo práctico aprendimos la importancia de conocer las definiciones eléctricas
de los materiales a utilizar, ya que hemos demostrado de manera práctica que una simple película de Flux depositada en una placa puede modificar algunos parámetros de nuestro diseño.