Aislador Activo para UHF - SHF UTPL AISLADOR ACTIVO PARA UHF – SHF Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones- UTPL Loja – Ecuador Rodrigo Cueva Enriquez, Ximena Pinos Alvarado
Resumen— En el presente paper se tratara sobre los aisladores que son una red de dos accesos que idealmente permite el paso de toda la señal en un sentido, e impide que pase señal alguna en el sentido contrario. Se trata por tanto de una red claramente no reciproca. Las señales aplicadas al puerto de entrada se envían al puerto de salida. Esta propiedad de un solo sentido se logra generalmente con ferrita especial de carácter no lineal / estructuras imán que operan a frecuencias muy altas. Índice de Términos— Ferrita, Aislador, Circulador, bobina de choke, amplificador diferencial. I.
sesgada por un campo magnético estático. La ferrita se coloca en el aislador de tal manera que la señal de microondas que se presenta con un campo magnético giratorio, con la rotación del eje alineado con la dirección del campo diagonal estática. El comportamiento de la ferrita depende del sentido de rotación con respecto al campo diagonal, y por lo tanto es diferente para las señales de microondas que viajan en direcciones opuestas. Dependiendo de las condiciones de funcionamiento exacto, la señal viaja en una dirección o puede ser desplazada de fase, desplazados de la ferrita o absorbida.
INTRODUCCION
En un aislador el sentido de paso de la señal se suele indicar mediante una flecha, tal y como se muestra en la siguiente figura 1. Figura 2: Aisladores MIC, cables coaxiales, guía de onda. [2]
II.
Figura 1: Aspecto de un aislador.
TIPOS
Básicamente hay dos tipos de aisladores: Los aisladores pasivos (ferrita) y Los aisladores activos. [4]
[1]
Los aisladores se suelen utilizar en aplicaciones de radiofrecuencia y microondas para proteger a los generadores de posibles reflexiones indeseadas. Así por ejemplo, los aisladores se suelen insertar entre el generador y el sistema al que este alimenta, de manera que ante cualquier pequeña desadaptación que se produzca en el sistema, el aislador se encarga de evitar que las señales reflejadas alcancen el generador, y le ocasiones por tanto daños que puedan resultar irreversibles.
A. Los aisladores pasivos: Los aisladores pasivos son aquellos que pueden trabajar a grandes frecuencias como UHF y SFH, generalmente se los conoce como circuladores figura 3.
Así pues, un aislador ideal como el mostrado en la figura 1 tiene la siguiente matriz de parámetros de dispersión: Figura 3: Aislador pasivo (Ferrita). [6]
y sus características básicas son: que como puede observarse no es simétrica (S12 ≠ S21).
[1]
También esta matriz indica que los puertos están acoplados, por lo que los coeficientes de reflexión son cero, pero la transmisión ocurre sólo en una sola dirección, es decir del puerto 1 al puerto 2. Igualmente se puede observar que la matriz no es unitaria lo cual indica que la red tiene pérdidas. Y finalmente se puede observar que la matriz no es simétrica, por lo tanto el aislador es un elemento no recíproco. [5] Para lograr la no reciprocidad, un aislador necesariamente debe incorporar un material no-recíproca. En las frecuencias de microondas que este material es siempre una ferrita que está
Resonancia de absorción: En este tipo, la ferrita absorbe la energía de la señal de microondas que viajan en una dirección. Un adecuado campo magnético giratorio se encuentra en el modo TE10 de la guía de onda rectangular. El campo de rotación que existe fuera de la línea central de la pared amplia, toda la altura de la guía. Sin embargo, para permitir que el calor de la potencia absorbida se disipe, la ferrita por lo general no se extiende desde una amplia pared a la otra, sino que se limita a una franja de poca profundidad en
Aislador Activo para UHF - SHF UTPL cada cara, para un campo determinado, la absorción de resonancia se produce en una banda de frecuencia muy reducida, pero como en la práctica el campo diagonal no es perfectamente uniforme en toda la ferrita.
Usando un circulador: Un circulador es un dispositivo no recíproco de tres o de cuatro puertos, en los que se transmite el poder entrar en cualquier puerto al puerto siguiente en la rotación. Así que para dentro de una fase de factores, la matriz de dispersión para los tres puertos del circulador es:
Un aislador de dos puertos se obtiene simplemente para terminar uno de los tres puertos con una carga acoplada, que absorbe todo el poder que entrar en él. La ferrita sesgada es parte del circulador. El campo diagonal es menor que la necesaria para la absorción de resonancia, por lo que este tipo de aislador no requiere un gran imán permanente. Debido a que la potencia se absorbe en una carga externa, la refrigeración es un problema menor que con un aislador de absorción de resonancia. [2] B. Los aisladores activos: Los aisladores activos generalmente contienen amplificadores MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). Que son los que vamos a ocupar en este proyecto figura 4.
Figura 4: Circuito de un aislador Activo. [6]
Los aisladores con tecnología de circuito integrado (MIC o MMIC) suelen construirse a partir de un circulador, conectando a una de sus tres puertas con una carga adaptada. Gracias a ello los fabricantes pueden abaratar considerablemente el proceso de producción, a base de construir simultáneamente circuladores y aisladores. Los aisladores diseñados a partir de circuladores reciben el nombre de isocirculadores. [3] Un aislador es un dispositivo de dos puertos con muy bajas pérdidas de inserción (del orden de 0,5 dB a 1dB) en una
dirección (directa) y muy altas pérdidas (del orden de 20 dB) en la dirección opuesta. Un aislador ideal permite el paso de las señales que se propagan en una sola dirección, mientras que las señales reflejadas son absorbidas totalmente por el aislador. Básicamente la operación de un aislador está basada en una resonancia ferromagnética. [5] Un aislador activo de RF es un dispositivo aparentemente mágico que permite el paso de las señales en una sola dirección. Señales aplicadas al puerto de entrada se envían al puerto de la prueba y las señales de entrada en el puerto de pruebas sólo pueden ir al puerto de salida. Esta propiedad de un solo sentido se logra generalmente con ferrita especial de carácter no lineal / estructuras imán que operan a frecuencias muy altas. La figura 5 muestra un aislador activo de RF capaz de manejar señales que se acercan a 16 dBm y frecuencias de 200 MHz a 1MHz. En el circuito de la figura 5 se emula un aislador en el que la energía real de la señal no se transmite de un puerto a otro y los niveles de señal debe ser bastante bajo. [4] El circuito muestra dos amplificadores diferenciales, cuya salida es proporcional a la diferencia entre sus dos entradas (Vi+ y Vi-). La salida puede ser diferencial o no, pero en ambos casos, referida a tierra. El amplificador diferencial (o par diferencial) suele construirse con dos transistores que comparten la misma conexión de emisor, por la que se inyecta una corriente de polarización. Las bases de los transistores son las entradas (I+ e I-), mientras que los colectores son las salidas. Si se terminan en resistencias, se tiene una salida también diferencial. Se puede duplicar la ganancia del par con un espejo de corriente entre los dos colectores, Aunque esta descripción se basa en transistores de unión bipolar, lo mismo se puede hacer en tecnología MOS ó CMOS. [4]
Figura 5: Aislador activo de RF utilizando amplificadores de transistor diferencial. [4]
Para medir las pérdidas de retorno de un dispositivo o de la antena, en primer lugar, el puerto de prueba debe estar abierto o en corto, y se observa el nivel de señal en el puerto de salida. La cantidad de caída es la pérdida de retorno. Para la simulación I del aislador activo se tomo el circuito MMIC de la figura 5, cuyo transistor y hoja de datos (data sheet) se presenta en la tabla 1.
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Tabla 2: Data Sheet “Agilent MGA-52543 Low Noise Amplifier” [8]
III.
SIMULACION I
Para la presente simulación se ha tomado en cuenta el software “AWR Design Environment 2009”. Para demostrar las características de un aislador implementamos el circuito (figura 5) a base de elementos activos, buscando obtener la configuración de amplificador operacional a base de transistores, cuyo funcionamiento se lo hará en baja frecuencia (0.3-10MHz), en el cual se obtiene como resultado una aproximación de las características expuestas anteriormente para los parámetros de dispersión.
Tabla 1: Data Sheet transistor “2N5109”
Los aisladores de ferrita son componentes comunes de diseño en muchos sistemas de RF y sistemas de microondas. Ellos garantizan una buena coincidencia entre desajustes de componentes de RF y microondas Sin embargo, en UHF y anchos de banda superiores, [4] los dispositivos de ferrita están disponibles en el núcleo de la bobina de choke la bobina de choke se usa, bien para impedir el paso de una parte de un circuito a otra de la corriente alterna, al mismo tiempo que se deja pasar la corriente continua, o bien para impedir el paso de corriente en modo común, mientras deja pasar la corriente en modo diferencial. Las bobinas de choke a frecuencias altas suelen tener núcleo de ferrita. [7] En la tabla 2 se puede apreciar la hoja de datos de un amplificador muy utilizado en circuitos de Wireless y celulares, utilizado en la simulación II.
En la Figura 6, el circuito presenta características de amplificadores operacionales conectados en cascada de tal forma que no se permita el paso de señal en sentido opuesto al flujo de puerto 1 al puerto 2, como característica que posee un aislador se pone una carga acoplada al paso de las dos etapas del circuito en donde nos es posible hacer las pruebas que sean necesarias.
Figura 6: Circuito aislador para baja frecuencia.
Los resultados obtenidos en la simulación se observan en la Figura 7.
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Figura 9: Parámetros [S] del circuito aislador. Figura 7: Graficas de aislador [S]
Se observa los parámetros S11 y S22 poseen magnitudes relativamente bajas que son los parámetros característicos de un aislador y los parámetro S21 S12 tiene la mayor magnitud lo cual representa la transmisión de la señal del puerto 2 al puerto 1 y viceversa dándonos un mal aislamiento. IV.
SIMULACION II
Para demostrar las características de un aislador implementamos el circuito (figura 4) a base de elementos activos (amplificador MGA 52543), cuyas características son de 15dB de ganancia y 15 dB de atenuación dándonos 0.5dB a 1.0 dB de perdidas en el rango de frecuencias de 0,4 a 1,8 GHz mientras la aislación se aproxima a los 35 dB y las perdidas por retorno en los puertos de entrada y salida son de 13 dB a 10dB respectivamente, para esta aplicación se utiliza una fuente de +12V DC a 30mA. En la Figura 8, se presenta el circuito de tal forma que no se permita el paso de señal en sentido opuesto al flujo de puerto 1 al puerto 2, como característica que posee un aislador se pone una carga acoplada.
Se observa los parámetros S21 que tiene la mayor magnitud lo cual representa la transmisión de la señal del puerto 2 al puerto 1 y los parámetros S12 tienen una magnitud baja demostrando el aislamiento del puerto 2 al 1. V.
Para la construcción de un aislador de alta frecuencia es necesario recurrir a líneas de stripline y utilizar elemento de características magnéticas buenas, como es la ferrita para obtener propiedades aisladoras aceptables. En la simulación II se puede apreciar un aislamiento perfecto entre los puertos de entrada y salida usando un amplificador MMIC. La ferrita nos permite el paso de la señal en una sola dirección, y todas las ondas que se reflejen van a ser canceladas, de ahí que se concluye la propiedad de aislamiento. Los parámetros de dispersión obtenidos en la simulación II son relativamente cercanos a los óptimos para esta clase de elementos. En la simulación I se puede apreciar que tanto los puertos de salida como de entrada no está totalmente aislados dándonos un pésimo aislamiento. VI.
Figura 8: Circuito aislador activo.
Los resultados obtenidos en la simulación se observan en la Figura 9.
CONCLUSIONES
REFERENCIAS
[1] Líneas de Transmisión Volumen 1, Vicente E. Boria Esbert, Carmen Bachiller Martin. Edición Universidad Politécnica Valenciana, 2002. Págs. 298 -300. [2] Microwaves 1ra Edición, Baden Fuller, A. J.Pergamon Press 1969 [3] Ingeniería de microondas técnicas experimentales. José Miguel Miranda Pantoja Pearson Educación, 2001. Pág. 146. [4] En Línea “http://www.wenzel.com/documents/circtran.htm” [5] En Línea http://issuu.com/chrisnino/docs/paper_microondas [6] En Línea: http://www.highfrequencyelectronics.com/Archives/Dec06/HFE1206_Desig nNotes.pdf [7] En Línea: http://es.wikipedia.org/wiki/Choke [8] En Línea: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/228/426002_DS.pdf