GENERADOR BARREDOR PARA ANALIZADOR VECTORIAL DE ...

Generador barredor para analizador vectorial de redes de microondas TICs Bianco et al
GENERADOR BARREDOR PARA ANALIZADOR VECTORIAL
DE REDES DE MICROONDAS
Bianco, Fernando Luis
FCEFyN – UNC
fernandobianco@gmail.com
Naldini, G. E 1 , Amado, J. L 2 , Henriquez, F. E 3 , Mendieta, D. A 4
Resumen Instrumento de laboratorio para medición en Microondas. Se generan o barren señales
desde 0,8 a 2 GHz, para medición de Parámetros S. Resuelto con dos PLL: uno genera desde 800 a 1400
MHz y el otro desde 1400 a 2000 MHz. Salida de RF conmutada por llaves analógicas, nivel de salida
regulable por control por pasos y compensación del nivel de salida por control automático de ganancia
en el amplificador de banda ancha, realimentado por acoplador direccional. Utilizado en la función
generador es un PLL de muy bajo ruido de fase con muy bajo error de frecuencia. En la función barredor
se abre el lazo del PLL y se realiza el barrido mediante una rampa generada por el módulo de control. El
rango de frecuencias, el conmutador de bandas, la interfaz de usuario y demás ajustes son realizados por
el sistema de control, basado en microcontrolador.
Palabras clave Barredor, Generador, PLL, VNA
Abstract — Laboratory’s instrument for measurements in microwaves. Signals are generated or sweeped
from 0,8 to 2 GHz, for measurements of S parameters. Resolved with two PLL: the first one generates
from 800 to 1400 MHz and the second one from 1400 to 2000 MHz. RF output is switched by analog
keys, adjustable level output by step control and output level compensated by automatic gain control in
broadband amplifier, feedback by directional coupler. Used as a generator, it is a PLL with a very low
phase noise with a very low frequency error. As a sweeper, the loop of the PLL is opened and the sweep
is performed by a ramp generated by the control module. The range of frequencies, the band switch, the
user interface and others adjustments are made by the control system based on microcontroller.
Key words — Generator, PLL, Sweeper, VNA
INTRODUCCIÓN
En el diseño de los sistemas de telecomunicaciones es fundamental la obtención de los
parámetros de los componentes de radiofrecuencia (RF). La herramienta más utilizada
para el estudio de los componentes de RF son los parámetros de dispersión, Parámetros
S (scattering) [1], éstos caracterizan un dispositivo en función de su reflexión y
transmisión en los sentidos directo e inverso.
1 Naldini German Eduardo, FCEFyN - UNC, gnaldini@gmail.com
2 Amado José Luís, FCEFyN - UNC, jose.amado@gmail.com
3 Henriquez Federico Exequiel, FCEFyN - UNC, federicohenriquez@gmail.com
4 Mendieta Diego Ariel, FCEFyN - UNC, mendietadiegoariel@gmail.com
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El instrumento utilizado para estas funciones es el Analizador Vectorial de Redes (VNA)
que miden las señales incidentes y reflejadas, tanto en la entrada como en la salida.
El proyecto descripto es parte integrante de un VNA, actualmente en desarrollo por el
Laboratorio de Radio Frecuencias y Microondas (LARFYM) de la FCEFyN de la UNC.
El generador cumple con los requerimientos del VNA, constituyendo un instrumento
independiente en sí mismo para el uso en mediciones de laboratorio, líneas de
producción y calibración en la industria electrónica. Además, posee una interfaz de
sencilla operación y bajo costo de producción, para suplir los costosos instrumentos
comerciales, cuyas prestaciones no se aprovechan en su totalidad.
DESCRIPCIÓN GENERAL
Este proyecto consiste en el diseño y construcción de un Generador-Barredor que
pueda sintetizar frecuencias desde 800MHz hasta 2GHz para cubrir la banda de
frecuencia utilizada en telefonía móvil celular [2]. Para la implementación del mismo se
diseñaron dos etapas, una generadora y otra de control de nivel. Para la etapa
generadora se seleccionó, por estabilidad y precisión, un sistema generador de
frecuencias basado en PLL (Phase Lock Loop) [3]. Para la etapa de control de nivel se
diseñaron dos módulos, un control automático de ganancia (AGC) y un control de nivel
programable (PNC). Como función adicional se agregó la opción de realizar un barrido
en frecuencia, pudiendo programarse los limites del barrido y la velocidad del mismo.
Para los filtros de frecuencias armónicas se emplearon métodos de diseño con micro
tiras [4] bajo un riguroso estudio sobre el diseño de blindajes electromagnéticos [5].
El instrumento se resuelve con dos PLL, uno genera desde 800MHz a 1,4GHz y el otro
desde 1,4 a 2GHz. La salida de RF es conmutada por llaves analógicas, con regulación
del nivel mediante un atenuador programable por pasos en dB y compensación del nivel
de salida por AGC en el amplificador de banda ancha, realimentado desde un acoplador
direccional.
El Equipo es capaz de trabajar en dos modos:
― Como generador: Se obtiene una frecuencia sintetizada, estable y de gran exactitud.
El valor de frecuencia a sintetizar y el nivel de salida es ingresado a través de la
interfaz de usuario.
― Como barredor: La frecuencia varía en forma creciente entre límites programables y
la velocidad de barrido en frecuencia es configurable dentro de valores definidos.
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Utilizado en la función generador es un PLL de muy bajo ruido de fase con muy bajo
error de frecuencia. En la función barredor se abre el lazo del PLL y se realiza el barrido
mediante una rampa generada por el módulo de control. El rango de frecuencias, el
conmutador de bandas, la interfaz de usuario y demás ajustes son realizados por el
sistema de control, basado en microcontrolador.
Las especificaciones técnicas son:
― Rango de Frecuencias: 800MHz a 2GHz
― Resolución de Generación: 100KHz
― Resolución de Display: 100KHz
― Error en Frecuencia: 10KHz
― Rango de Salida: -50dBm a +5dBm
― Resolución: 1dB
― Error de nivel: 0,5dB
― Nivel de Armónicas:

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en cuenta la distribución de bandas definida por la Comisión Nacional de
Comunicaciones (CNC) para la República Argentina [2], para este caso se selecciono la
frecuencia de 1,4GHz.
MODULO GENERADOR / BARREDOR
En el modo barredor, una llave analógica interconecta una rampa diente de sierra,
generada en un Conversor Digital Analógico (DAC) [6] [7] [8], con la entrada de tensión
del VCO. La frecuencia y nivel de ésta controla el tramo de banda a barrer, así como su
inicio y fin.
En el modo generador la llave analógica cierra el lazo del bloque generador
implementado a partir de un PLL como sintetizador de frecuencias. Dada la aplicación
del instrumento (TICs) se debe garantizar la calidad del sintetizador, ésta se mide a
través de diversos factores, como la precisión de la frecuencia sintetizada, el tiempo de
conmutación entre frecuencias, el ruido de fase y la presencia de señales espurias. Estas
características están definidas por el Filtro de Lazo del PLL.
Filtro de Lazo
Para la implementación del Filtro de Lazo se utilizó la topología de la Figura.2. Se
pueden diferenciar etapas que cumplen funciones específicas dentro del filtro [9].
DO
C1
C2
R2
F 1(s)=1+SR 2C 2 (C 1+C 2).S. 1+SR 2.C 1.C2 C 1+C 2
F 2(s)=1+ RA R B
F 3(s)=1 1+SR 3C 3
RB
F1 F2 F3
Figura. 2 Topología de filtro de lazo
La función de transferencia total es el producto de las tres:
Z(s)= (1+ST 2).A A 0.S. 1+ST1 1+ST 3
RA
R3
C3
VVCO
La etapa F1 define la respuesta dinámica del
lazo del PLL (sobrepaso, velocidad de
enganche, error, etc.), la etapa F2 agrega la
ganancia necesaria para llegar con los niveles
adecuados al VCO y la etapa F3 elimina las
componentes de frecuencia de comparación.
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Donde:
T 1= R 2.C 1.C2 C 1+C 2
T 2=R 2.C 2
T 3=R 3.C 3
A 0=C 1+C 2 y A=1+ RA R B
Los componentes del filtro de lazo están definidos por las constantes de tiempo T1, T2 y
T3, que definen los polos y ceros de la función de transferencia a lazo abierto. El valor
de estas se determinaron en función de las especificaciones que debe cumplir el sistema,
en cuanto a Estabilidad, Tiempo de Establecimiento y Error de Frecuencia.
Los módulos se implementaron a partir de PLL´s LMX2326TM, VCO´s ROS1700 y
ROS2100 y llaves analógicas CD4053. La Figura. 3 muestra el módulo 800/1400 MHz
y la Figura. 4 muestra el módulo 1,4/2 GHz.
Figura. 3 Módulo generador 800/1400MHz Figura. 4 Módulo generador 1,4/2GHz
Módulos de Filtro
Luego de las etapas Generador/Barredor la señal de RF es filtrada, mediante filtros del
tipo Pasa Bajo con respuesta Elíptica [10]. Este tipo de filtro proporciona pendiente
abrupta en la frecuencia de corte, requisito indispensable de diseño ya que las
frecuencias armónicas se encuentran muy cerca de la banda de trabajo. Además, cuenta
con valores de ripple acotados, lo que permite definir valores de atenuación que no
produzcan variaciones significativas sobre la repuesta de la banda pasante. La Figuras.5
y 6 muestran la implementación de los filtros.
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FIGURA 4.17 – IMPLEMENTACION FINAL FILTRO fc=1400MHz
FIGURA 4.18 – IMPLEMENTACION FINAL FILTRO fc=2100MHz
Figura. 5 Módulo de filtrado en fc=1,4Ghz Figura. 6 Módulo de filtrado, fc= 2,1 GHz
Módulo Selección de Bandas
Su función es seleccionar el generador correspondiente según la frecuencia que se desee
sintetizar. La exigencia en esta etapa radica en que debe trabajar cubriendo el rango de
800MHz a 2GHz y con una respuesta en frecuencia plana.
La etapa se implementó utilizando llaves de RF, HMC194MS8. Se incluye una etapa
amplificadora tipo monolítico mediante un amplificador GALI-5 y una interfaz lógica de
control con un circuito integrado 74ACT04. En la Figura.7 se observa el módulo
Selección de Banda en su correspondiente blindaje electromagnético.
Figura. 7 Implementación del módulo selección de bandas
Módulo de Control de Nivel
Este módulo cumple dos funciones: Proporcionar un nivel de salida con respuesta plana
en la banda de trabajo y brindar la posibilidad de seleccionar el nivel de salida deseado,
independientemente de la frecuencia generada y del modo de trabajo del instrumento.
Se implementó un AGC, con un atenuador variable que controla el nivel de salida de
acuerdo a la tensión de control de entrada [11]. Luego del atenuador se colocó un
amplificador para lograr el nivel de salida especificado.
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La realimentación se realiza por medio de un acoplador direccional, cuyo puerto
acoplado se encuentra conectado a un detector de RF. El detector entrega un valor de
tensión continua proporcional al nivel de RF de entrada. La salida de tensión del
detector es comparada con una tensión representativa del nivel de señal requerido.
Para tener control sobre el nivel de salida, se implemento un PNC [12]. Este se basa en
un circuito formado a partir de Atenuadores Programables, que permite tener un rango
de control de 55dB.
La Figura.8 muestra la implementación del modulo AGC, que se realizó con un
atenuador variable EVA300, un amplificador GALI-4, un acoplador direccional 2ADC-
13-200-1 y un detector AD8361. La Figura.9 muestra la implementación del módulo
PNC construido a partir de dos atenuadores digitales DAT-3.1
Figura. 8 Implementación de la etapa de AGC
Resultados
Se tomaron numerosas mediciones a cada generador, algunas se muestran en las Figuras
10 y 11. Se determina que el nivel es máximo para las frecuencias bajas y disminuye a
medida que aumenta la frecuencia, observando una variación de 0,5dB. Para medir el
error en frecuencia se utilizó un frecuencímetro con una resolución de 10H z a 2.8GHz,
observando un error de frecuencia por debajo de 1KHz, manteniéndose constante en
toda la banda de frecuencias generadas.
Figura. 9 Implementación del módulo de
control de nivel
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Figura.10 Medición efectuada en la banda baja
(800-1400MHz) a 1100MHz
Para la determinación del ruido de fase se tomó como parámetro la frecuencia central de
cada sub-banda, obteniéndose SC (100KHz)=80,17dB/Hz para la banda baja y SC
(100KHz)=75dB/Hz para la banda alta.
El tiempo de establecimiento de cada PLL se determina a partir del análisis de la
respuesta a la entrada escalón de frecuencia, con un error de +/-10KHz. Como escalón
se tomo el máximo salto de frecuencia que puede ser generado en cada sub-banda. La
medición se realizó en la entrada de control de los VCO de cada generador utilizando
para ello un osciloscopio digital con captura, midiendo un tiempo de establecimiento de
200useg y un sobrepasamiento máximo de 15V.
Figura.11 Medición efectuada en la banda alta
(1400-2000MHz) a 1700MHz
Figura. 12 medición del ruido de fase obtenido a 1100MHz y la velocidad de establecimiento
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Se observa que el transitorio es imperceptible para el usuario, que el sistema tiende
rápidamente al nivel de salida y que el error tiende a cero. En la Figura.12 se observa
una medición del ruido de fase a 1100MHz y la velocidad de establecimiento para la
misma frecuencia.
La Figura.13 muestra el equipo terminado con todos sus módulos interconectados
montados sobre un gabinete normalizado de dos unidades de rack.
Conector de
Salida frontal
Conector de
Salida posterior
Control programable
del nivel de salida
Generador
Barredor 2
Control automático de
amplitud de salida
Generador
Barredor 1
Filtro pasabajo
2100 MHz
Figura. 13 Disposición final de los módulos que conforman el Generador/barredor
CONCLUSIONES
Se presenta un instrumento apto para cubrir la banda de 800 a 2000MHz, de precisión,
bajo costo y de operación sencilla para la línea de producción dedicada a las TICs.
Las mediciones realizadas en el equipo terminado fueron contrastadas con los datos
obtenidos en el modelo de simulación donde se utilizaron métodos computacionales,
basados en la teoría de control, que proporcionó la respuesta teórica de las distintas
etapas del generador. Se obtuvieron muy buenos resultados en cuanto a la precisión,
estabilidad y velocidad de las frecuencias generadas como así también buen rechazo a
frecuencias armónicas, espurias y bajo ruido de fase.
Interfaz
usuario
Filtro pasabajo
1400 MHz
Placa de
control
Selección de
banda
Microcontrolador
Fuente de
alimentación
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El control del nivel de salida es estable y el barrido tiene buenas características en
cuanto a linealidad y amplitud de salida.
La sencillez de operación permite, un control rápido e intuitivo de los parámetros de
programación del instrumento, lo que lo hace muy recomendable para las líneas de
producción y calibración en la industria electrónica y es un módulo esencial del AVN en
desarrollo.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Pozar, D, M. 1997. “Microwave Engineering” , John Wiley & Sons, 2nd Ed, pp.196
[2] Sitio Web de la Comisión Nacional de Comunicaciones. Asignación de bandas para Argentina
http://www.cnc.gov.ar/espectro/AtribucionBandas/index.asp
[3] Best, R, E, 1996. “Phase-Lock Theory, Design and Aplications”, 4rd. Ed, McGraw-Hill, ,pp. 77-300
[4] Sheng Hong & Lancaster, M. 2001. “Microstrip Filters for RF Microwave Application”,pp.78
[5] Sharma, A.2007. “Predict Resonances Of Shielded PCBs Part1 & Part2”, Microwaves & RF Journal, , pp.
[6] Tocci, R, J, & Widmer, N, S. 2003. “Sistemas digitales: principios y aplicaciones”, 8nd Ed., Chapter X, XI, XII
[7] Microchips AN665. 1997.“D/A Conversion Using PWM and R-2R Ladders to Generate Sine and DTMF Waveforms”. pp.1-19
[8] Mancini, R. 2002. “Operational Amplifier for everyone”. Chapter XIV, pp. 1- 22
[9] Banerjee, D. 2006. ”PLL Performance, Simulation, and Design”, 4º Ed, pp.198
[10] Sheng Hong, J & Lancaster, M, J. 2001 “Microstrip Filters for RF Microwave Application”, pp. 34
[11] Whitlow, D. 2006 “Design and Operation of Automatic Gain Control Loops for Receivers in modern Communications
Systems, ADI Wireless Seminar”, Analog Devices Publications, Chapter VIII , pp. 1-12
[12] Minicircuits AN70-004. 2007. ”Digital Step Attenuators, Digital Step Attenuators offer Precision and Linearity”, pp.1-11
Trabajos precedentes dirigidos por el autor:
[13] Garbiglia, A y Galarza, N 2005 “Barredor-Sintetizador de frecuencias de 5 a 800MHz” Etapa 1
[14] García Vieyra, J 2007 “Barredor-Sintetizador de Frecuencia de 5 a 800Mhz” Etapa 2
[15] Henriquez, F y Mendieta, D 2009 “Generador / Barredor de 800 a 2000MHz” Etapa 3
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