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  METODOLOGÍA DE DISEÑO DE FILTROS ACTIVOS DE MICROONDAS CANALIZADOS Miguel Zurita Ayala, autor. Néstor Peña Traslaviña, asesor Resumen - Los filtros activos de microondas tienen múltiples aplicaciones en los sistemas de comunicaciones, un claro ejemplo son los filtros activos automáticamente sintonizables, los cuales son ampliamente usados en dispositivos de transcepción. En este documento se presenta la metodología de desarrollo de un filtro activo canalizado de dos ramas, con una frecuencia de
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  1 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE FILTROSACTIVOS DE MICROONDAS CANALIZADOS Miguel Zurita Ayala, autor. Néstor Peña Traslaviña, asesor Resumen - Los filtros activos de microondas tienenmúltiples aplicaciones en los sistemas de comunicaciones,un claro ejemplo son los filtros activos automáticamentesintonizables, los cuales son ampliamente usados endispositivos de transcepción. En este documento sepresenta la metodología de desarrollo de un filtro activocanalizado de dos ramas, con una frecuencia de operaciónde 2.4GHz y un ancho de banda de 100MHz,presentándose el proceso de diseño mediante laherramienta de ANSOFT DESIGNER® y llevando a caboel posterior análisis de los resultados . El tamaño del filtroelaborado es de 11cm x 12 cm. Aparte de presentar lametodología de desarrollo de filtros activos canalizadostambién se analizan conceptos básicos referentes al diseñode filtros activos, siguiendo por así decirlo la evolucióncronológica de las técnicas de diseño de los mismos a lolargo de tiempo.Index Terms – filtro activo, filtro canalizado, Pasabanda. I. I NTRODUCCIÓN L a creciente demanda de enlaces de alta capacidad, entremuchas otras aplicaciones ha estimulado el desarrollo detransceptores de alta frecuencia. Para estos sistemas, los filtrosson componentes claves ya que pueden suprimireficientemente señales espurias de la banda decomunicaciones.Esencialmente, los filtros necesitan tener bajas perdidas porinserción y alta selectividad y convencionalmente los filtrosde guía de onda han podido satisfacer estos requerimientos,sin embargo, su gran tamaño hace difícil su integración concircuitos integrados de microonda monolíticos (MMICs).Por el lado contrario, los filtros planares son pequeños,pero tienen el problema de pérdidas significativas,especialmente para anchos de banda estrechos. Los filtrosactivos con una configuración planar son buenos candidatosporque se soluciona el problema de las pérdidas [1]El trabajo inicial en los filtros de microondas se concentróen el diseño de filtros implementados mediante guías de onday estructuras coaxiales con respuesta tipo Chebyshev.Actualmente la sintonización automática, la síntesis de filtrosactivos sin pérdidas (que es nuestro objetivo) y el diseño deredes prototipo con optimo manejo de potencia, han sidoobjeto de estudio [2].El uso de la tecnología MMIC para fabricar filtros demicroondas tiene ventajas muy claras a causa de la buenarelación de desempeño y tamaño que puede ser obtenida y lacompatibilidad de estas redes con otros circuitos deprocesamiento de señal MMIC.Sin embargo, los filtros MMIC incluso de precisión yselectividad moderada no pueden ser elaborados usandosolamente elementos pasivos a causa de la disipaciónindeseada y de los efectos parásitos de estos componentes. Sinembargo el uso de transistores en si mismo no es ideal y susparámetros dependen de una manera complicada de lafrecuencia, la polarización DC y el nivel de la señal. De estaforma un filtro activo de microondas debe contener suficientesgrados de libertad para obtener la deseada respuesta del filtropese a las imperfecciones de los componentes activos ypasivos. Otros problemas con los cuales hay que tratarincluyen la disminución de la figura de ruido, garantizar laestabilidad, reducir los efectos parásitos de los elementos yminimizar la sensibilidad a variaciones en los parámetros delos transistores [3]. Sin embargo de la misma forma en queestas dificultades han sido superadas en el diseño deamplificadores MMIC, también es posible el diseño de filtrosactivos MMIC.Los filtros activos se pueden clasificar de acuerdo asimilaridades topológicas, básicamente se podría hablar decuatro técnicas : una clase desarrollada a partir de laadaptación de técnicas de síntesis de filtros activos de bajafrecuencia para diseño de microondas, otra clase que empleael uso de resistencia negativa para compensar las pérdidas deresonadores de media longitud de onda, una clase queincorpora la aproximación tipo filtro transversal, filtroscanalizados y una clase final que usa los métodos desustitución de inductor[3].En las diferentes clases de aproximaciones se debenafrontar dos problemas de los componentes MMIC, ladependencia de la frecuencia de los transistores y el bajo Q yefectos parásitos de los elementos concentrados.También hay que tener en cuenta que cuando se introducendispositivos activos en filtros de microondas hay que tener encuenta nuevos parámetros que no se tienen en cuenta en losfiltros pasivos. Algunos de estos son la estabilidad eléctrica ytérmica, la figura de ruido, el comportamiento respecto a lapotencia en general y la potencia disipada [4].Por ultimo cabe anotar que el diseño de filtros activos demicroondas no se ha limitado tan solo al uso de transistores.   2 En algunas aplicaciones es requerido que los filtros demicroondas sintonicen su banda de paso. La sintonizaciónautomática es preferible ya que la sintonización manual causamayor costo, menor productividad y se convierte en un cuellode botella en la producción en masa. Una forma de obteneruna sintonización automática es mediante el uso de diodosvaractores. [5]En este documento se describe la metodología de desarrollode filtros activos canalizados, presentándose el proceso dediseño y fabricación mediante la herramienta ANSOFTDESIGNER®, de un filtro activo canalizado de dos ramas,con una frecuencia central de 2.4GHz y un ancho de banda de100MHz. Al final del documento se realiza un análisis de losdiferentes tipos de resultados y se presenta el circuitoobtenido el cual tiene un tamaño de 11cmx12cm x0.7mmII. PRINCIPALES METODOLOGIAS DE DISEÑOA.  M  etodología de diseño en cascada  Una de las técnicas de diseño de filtros activos más simple (ymuy usada en los comienzos de este tipo de arquitecturas) esla metodología de diseño por etapas en cascada, estametodología hace uso de técnicas usadas en el diseño decircuitos de baja frecuencia para realizar implementaciones enla banda de microondas [6].Básicamente se realiza una descomposición de la funciónde transferencia deseada en factores bicuadráticos, de formatal que cada uno de estos factores pueda ser sintetizadoposteriormente en su respectivo circuito o sección de segundogrado, logrando de esta manera que mediante laimplementación en cascada de los circuitos sintetizados enconjunto, se pueda obtener la función de transferenciadeseada. Cabe anotar que como se requiere una respuesta lomás plana posible de la función de transferencia, para llevar acabo el diseño se lleva a cabo una aproximación similar a latenida en cuenta para el diseño de amplificadores demicroondas de banda ancha [6].La principal desventaja de esta topología es que al estarimplementada en su totalidad mediante elementosconcentrados como capacitores e inductores (los cualespresentan un Q limitado) hace que se presenten altas perdidasal trabajar en frecuencias superiores a las bandas L y S, ya queelementos como los inductores presentan perdidassignificativas en este rango de frecuencias. Fig. 1. Esquemática diseño en cascada. Tomado de[6] En la Fig. 1 se presenta la implementación de un filtroactivo mediante la metodología de diseño en cascada.La función de transferencia que se desea sintetizar es lasiguiente: 2221 ) / () / ()()( osqos sqosT sS  ω ω ω  ++== (1)Realizando el respectivo análisis, el cual se presenta en elAnexo A, se determina que wo y q tendrán el siguiente valor:  LC o 1 = ω  (2) C  L Rq  / ) / 2( = (3)Realizando el cálculo respectivo se halla que se puedeobtener una frecuencia central de 2.4GHz con un q de 2seleccionando:L=19.89nHC=0.2221pf R=300 OhmR2=R3 arbitrarios, inicialmente son de 50 OhmNormalmente es necesario llevar a cabo una optimizaciónya sea de todo el sistema o de etapa por etapa, para obteneruna función de transferencia H(S) lo más parecida a larespuesta deseada, ya que normalmente en las ecuaciones dediseño no se tienen en cuenta variables tales como los efectosparásitos del transistor, las perdidas respectivas de loselementos reactivos y el error de respuesta en frecuenciaproducido por la red de polarización, cabe anotar que para laoptimización del sistema es más importante la forma de lafunción de transferencia que la ganancia ya que la funciónprincipal del circuito diseñado es la de filtraje más que laganancia la cual corresponde a la etapa respectiva deamplificación [7].Básicamente en el proceso de optimización se tienen comovariables a los valores de R, R2, R3, L y C de tal forma quemediante su respectiva variación se pueda obtener la respuestadeseada de la función de transferencia H(S).[7]A continuación se presentan los resultados obtenidos parael diseño mediante metodología en cascada de un filtro activocon una frecuencia central fo=2.4GHz. El diseño se llevo acabo con un transistor de efecto de campo NE34018 deNEC® , el cual se selecciono por presentar una alta gananciaa la frecuencia de operación para los valores de polarizaciónque se presentan a continuaciónV DS =2.5VoltI DS =10mA Fig. 2. Coeficiente de Transmisión S21(dB) diseño en cascada   3 Como se puede observar en la Fig. 2. se obtuvo un ancho debanda de 370MHz con una frecuencia central de operaciónfo=2.4GHz. Fig. 3. Figura de Ruido NF(dB) diseño en cascada En la Fig. 3. se puede observar la figura de ruido NF(dB),la cual tiene un valor de 7.02dB para la frecuencia central deoperación de 2.4Ghz. Aunque inicialmente se puedeconsiderar que es un valor alto de figura de ruido NF(dB), esun valor típico para la metodología de diseño en cascada[7]. Fig. 4. Factor de estabilidad MU diseño en cascada En la Fig. 4. se presenta el factor de estabilidad MU, ya queeste factor es mayor a uno en todo el rango de operación, sepuede deducir que el circuito será incondicionalmente estableen el rango de frecuencias de trabajo.  B. Metodología de filtro activo transversal Los filtros transversales como su nombre lo indica hacenuso de un amplificador sintonizado como elementotransversal, este amplificador permite manipular la gananciadel filtro, normalmente se hace uso de un filtro para el filtrajede la frecuencia superior y de otro filtro para el filtraje de lafrecuencia inferior.[8]En la Fig. 5. se puede observar una configuración típica deun filtro activo transversal. Fig. 5. Esquemática filtro transversal. a) Topología Transversalb) Topología con elementos concentrados c) Control de Ganancia en elAmplificador. Tomado de [8] A continuación se presenta la ecuación de la ganancia devoltaje (4), a partir de la cual se determina el coeficiente detransmisión S21 [8].  ++++−+= 1)4(4141 22 mmm  Rg R Ls LC ssLg LC s RgViVo (4)Como sabemos el coeficiente de transmisión es dos veces laganancia de voltaje, S21=2A v , de manera tal que elcoeficiente de transmisión será:  ++++−+= 1)4(4142 2221 mmm  Rg R Ls LC ssLg LC s RgS  (5)En el diseño de filtros activos hay que tener en cuenta quela figura de ruido NF(dB) del filtro activo diseñado debe sercomparable con la figura de ruido NF(dB) de versiones defiltros pasivos, ya que se desea una figura de ruido sinomucho mejor, por lo menos comparable a la obtenida en lasversiones de circuitos pasivos.Es de considerar que la figura de ruido NF(dB) de losfiltros pasivos es proporcional a las perdidas de inserción y enlo que respecta a circuitos integrados monolíticos demicroondas MMIC la figura de ruido se encuentra en el ordende 5-8dB para una frecuencia central fo=3GHz [8].A continuación en la TABLA I se realiza una análisiscomparativo donde se puede observar el comportamiento   4 óptimo en lo que respecta a la figura de ruido de filtrostransversales.[9]TABLA I Comparación NF (dB) D ISTINTAS T OPOLOGIAS Figura de Ruido (dB)Freq(GHz) BajaFrecuenciaDistribuida Transversal InductorActivo2.50 14.25 >40 3.48 >402.60 13.47 >40 3.39 >402.70 12.83 31.55 3.34 >402.80 12.31 18.09 3.33 >402.90 11.89 9.82 3.37 >403.00 11.56 5.62 3.45 >403.10 11.31 4.54 3.59 >403.20 11.14 5.82 3.80 >403.30 11.03 8.86 4.11 >403.40 10.99 13.24 4.53 >403.50 11.00 18.59 5.11 >40(Tabla Tomada de [9]) Como se puede observar de la TABLA I, el nivel de figurade ruido NF(dB) es significativamente menor para laimplementación con elementos transversales que para losotros tipos de implementaciones. C. Filtros pasivos sin inductores para implementación MMIC  Uno de los problemas para la implementación de filtrospasivos para bandas de microondas superiores a la L (1-2GHz) es el que los inductores no tienen un comportamientoideal y presentan pérdidas altas que pueden estar en el rangode 40dB en la banda ISM.Una posible implementación de filtros pasivos ysusceptible de ser sintetizada en circuitos integrados demicroondas MMIC, es a través de un modelo híbrido entreparámetros concentrados y distribuidos, opción que se analizaa continuación.En la Fig. 6. se presenta un circuito equivalente típico paraun filtro microondas de 3er orden Fig. 6. Modelo híbrido parámetros concentrados. Tomado de [10] Para la implementación del filtro de la Fig. 6 mediante unaestructura de microcintas, el inductor no puede estaraterrizado a tierra, de forma que se desarrolla una nuevaestructura de resonador, como se observa en la Fig. 7. Fig. 7. Modelo híbrido parámetros concentrados. Tomado de [10] A continuación se presenta la frecuencia central de operaciónfo (6), siendo b (8) y b’ (9) el parámetro de la pendiente desusceptancia.  LoCo fo π  21 = (6)  LgCg fo 221' π  = (7) oo C b ω  = (8) '2' wb = (9)La escogencia de elementos concentrados o distribuidospara la síntesis de circuitos integrados monolíticos demicroondas MIC, depende del tipo de circuito integrado, eltamaño aceptable del chip y obviamente la frecuencia deoperación, la cual determina la longitud de los elementosdistribuidos.Cabe anotar que los elementos concentrados son estructurasatractivas para la realización de circuitos MMIC por laconsiderable reducción de tamaño. [11]D.   Filtro Activo Canalizado de dos ramas El objetivo principal de los filtros canalizados es el deobtener una función de transferencia compuesta, mediante lacombinación de la función de transferencia de ambos canalesprincipal y secundario, los cuales (cabe anotar) son de distintoorden.Básicamente los filtros activos canalizados se encuentrancompuestos por: un canal principal, un canal secundario, undivisor de potencia a la entrada y un acoplador de potencia ala salida, como se puede observar en la Fig. 8.Aunque el número de elementos necesario para sintetizar elcircuito es considerable el sistema puede ser implementadomediante tecnología MMIC, lo cual permite reducir demanera considerable el tamaño del circuito.[12] Fig. 8. Esquemática filtro pasabanda canalizado. Tomado de [12] En la Fig. 9 se puede observar un filtro activo canalizadofabricado mediante tecnología MMIC. Hay una considerablereducción de tamaño cuando los filtros pasivos sonimplementados haciendo uso del modelo híbrido entreparámetros concentrados y distribuidos como el que se analizoen la sección anterior. Fig. 9. Filtro pasabanda canalizado MMIC. Tomado de [12]
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