filtros pasivos de rf

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  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 1

    Captulo 8

    Filtros pasivos de RFFiltros pasivos de RF

    Funciones de un filtro pasivo de RF

    Permite el paso con baja atenuacin de Permite el paso con baja atenuacin de una banda de frecuencia: Banda de Paso (Pass Band)

    Produce una alta atenuacin en otra banda de frecuencia: Banda Eliminada (Stop Band)

    2

    (Stop Band) No se especifica la atenuacin en las

    Bandas de Transicin

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 2

    Esquemas de bandas

    L(dB)L(dB)

    Banda de paso

    Atenuacin en la BE

    Banda espuria

    3

    f

    Banda eliminada Banda eliminada

    de paso

    Rizado en la BP

    Atenuacin en la BP

    Especificaciones

    Funcin de transferencia H() Funcin de transferencia H()Banda o bandas de pasoAtenuacin mxima en la banda de pasoRizado en la banda de pasoTiempo de retardo en la banda de paso

    4

    Rizado en el tiempo de retardoBanda o bandas eliminadasAtenuacin mnima en la banda eliminada

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 3

    Funciones de filtradoTipo de respuesta Funcin de Transferencia Circuito Paso-Bajo

    1Butterworth (maximalmente plano)

    nF 222

    11+=

    Chebyshev

    (Rizado constante en

    la banda de paso) ( )[ ]

    ( )[ ] 1 sicoshcosh)(T 1 sicoscos)(T)(T1

    1

    1

    1

    222

    >=

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 4

    Funciones de filtrado.Respuesta en tiempo de retardo.

    5(s)

    2

    3

    4

    ( )

    ButterworthChebyshevChebyshev inversoElptico

    70 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

    1

    2

    Prototipo Butterworth paso bajo

    g gBanda de paso 0

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 5

    Prototipo Butterworth paso bajoRespuesta en frecuencia

    L(dB)

    50

    60

    70

    80

    90

    100( )

    2

    3

    4

    510

    9

    -1 -0.5 0 0.5 1 1.50

    10

    20

    30

    40

    Log(-1)

    n=1

    1.1'= 2'= 11'= 101'=

    Prototipo Chebyshev paso bajo Rizado=0.5dB

    Banda de paso 0

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 6

    Chebyshev paso bajo Rizado=0.5dB Respuesta en frecuencia

    L(dB)10

    50

    60

    70

    80

    90

    100( )

    2

    3

    4510

    11-1 -0.5 0 0.5 1 1.50

    10

    20

    30

    40

    Log(-1)

    n=1

    2

    Transformacin de frecuencia.

    Tipo Frecuenciasde transicin

    Funcin detransformacin

    Transformada de Lserie

    Transformada deC paralelo

    Paso 1 '= L g Ri= 0 C gi=Bajo = 1 L = 1 C R= 0 1PasoAlto

    1 '=1 C

    g Ri= 1

    0 1 LRgi

    = 01

    PasoBanda

    1 y 2 ' =

    1

    0

    0

    w 0 1 2=w =

    2 1

    LC serie

    Lg Rw

    Cw

    g R

    i

    i

    =

    =

    0

    0

    0 0

    LC paralelo

    LwRg

    Cg

    R w

    i

    i

    =

    =

    0

    0

    0 0

    12

    0BandaElimi-nada

    1 y 2

    '=

    w

    0

    0

    0 1 2=w =

    2 1

    0

    LC paralelo

    Lg wR

    Cg wR

    i

    i

    =

    =

    0

    0

    0 0

    1

    LC serie

    LR

    g w

    CwgR

    i

    i

    =

    =

    0

    0

    0 0

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 7

    Transformacin de frecuencia

    L(dB) L(dB)L(dB) ( )

    13

    f

    f0f1

    f3

    Diseo de filtros

    1 S fij l lib d d1. Se fija el glibo deseado2. Se transforma del glibo a paso bajo normalizado (Tabla

    8.2)3. Se selecciona el tipo de filtro: Butterworth, Chebyshev..4. Se disea el filtro paso bajo normalizado (Apndice 8.1)5. Se transforman componentes:

    1 Desnormalizacin de frecuencia (Tabla 8 2)

    14

    1. Desnormalizacin de frecuencia (Tabla 8.2)2. Conversin de L y C a redes LC (Tabla 8.2)3. Transformacin de impedancias respecto de generador

    y carga6. Diseo del filtro de cavidades a partir de las redes LC

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 8

    Ejemplo 8.1Chebyshev paso bajo Rizado=0.5dB

    L(dB)10

    50

    60

    70

    80

    90

    100( )

    2

    3

    4510

    54.6dB

    15-1 -0.5 0 0.5 1 1.50

    10

    20

    30

    40

    Log(-1)

    n=1

    2

    31.4dB

    8.8dB

    Cavidades ms frecuentesTipo de Cavidad Margen de

    frecuencia Factor de

    calidad Otros factores o comentarios

    Circuitos LC 1MHz a 1GHz 104 a 102 Q limitado por las bobinas Circuitos LC (Integrados de

    1GH a 10GH

    102 a 10

    Bobinas y capacidades impresas en el AsGa(Integrados de

    microondas) 1GHz a 10GHz 102 a 10 en el AsGa

    Cristal de Cuarzo 100kHz a 100MHz 106 a 104 Muy estables

    Cermicas de OAS (SAW)

    10MHz a 1GHz 106 a 104 Muy estables Filtros fijos

    Resonadores en Lneas planas

    100MHz a 10GHz 103 a 10 Fciles de construir Compatibles con otros circuitos

    Resonadores en Lneas coaxiales

    100MHz a 10GHz 104 a 102 Fciles de construir, poco estables con la temperatura

    Cavidades en Gua 1GHz a 100GHz 105 a 103 Poco estable con la temperatura

    16

    Cavidades en Gua de Onda

    1GHz a 100GHz 10 a 10 Poco estable con la temperatura

    Cavidades Dielctricas

    1GHz a 20 GHz 105 a 103 Muy estables Reducido tamao

    Diodos varactores

    10MHz a 20 GHz

    102 a 10

    Sustituyen a la capacidad en circuitos LC o como capacidad de ajuste

    Cavidad YIG 100MHz a 10GHz 104 a 103 Variable con el campo magntico de polarizacin

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 9

    Filtros de alta frecuencia. Cavidades En muchos casos no podemos trabajar con En muchos casos no podemos trabajar con

    elementos discretos L y C El elemento de diseo es la cavidad resonante. Es frecuente trabajar con cavidades cuando: La frecuencia es muy alta: Cavidades en gua,

    Cavidades dielctricas etc.

    17

    Cuando el filtro es muy selectivo: Cavidades de cuarzo o cermicas

    Cuando necesitamos elementos variables.

    Parmetros de un filtro de cavidad

    XElemento resonante serie

    ( )( )( )

    =

    +=

    ===

    0

    0

    0

    00

    0

    0

    0

    2

    11

    0

    XX

    dd

    jQ

    XZ

    RLQCLXLC

    0

    X

    0Cavidad resonanteCerca de la resonancia se puede

    18

    Cerca de la resonancia se puede caracterizar con

    0

    X

    0

    QX y , 00( )

    ( )( )4444 34444 21

    serie Cavidad

    Xdd

    2X

    0X

    0

    00

    0

    ==

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 10

    Parmetros de un filtro de cavidadElemento resonante paralelo

    ( )( )( )

    =

    +=

    ===

    00

    0

    00

    0

    0

    0

    Y2Ydd

    jQ1YY

    GCQLCY

    LC1

    0

    Cavidad resonante Cerca de la resonancia se puede

    19

    Cerca de la resonancia se puede caracterizar con Qy Y , 00

    ( )( )( )4444 34444 21

    paralelo Cavidad

    Bdd

    2B

    0B

    0

    00

    0

    == 0

    B

    0

    Modelo de filtro de cavidades acopladas.

    GG

    Inversor

    J01Resonador

    paraleloB1

    Inversor

    J12Resonador

    paraleloB2

    Inversor

    J23Resonador

    paraleloB3

    Inversor

    J34

    GbGa

    11

    11

    01 ++

    + === nbnniiiia wbGJbbwJwbGJ

    20

    11,

    11,

    1001

    ++

    ++

    nnnn

    iiii gggggg

    LC

    ddBb ==

    = 0

    )(2

    0

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 11

    Elementos de acoplo

    Esquema Constante de inversin

    Tipo de Cavidades

    Comentarios

    -C

    C

    -C

    J=C Paralelo Banda Ancha De uso muy

    yfrecuente

    -C

    C

    -C

    K=1/C Serie Banda Ancha

    -L -LL

    J=1/L Paralelo Banda Ancha Poco utilizado por tener inductancias

    lt

    21

    muy altasK

    L1 L2

    J=1/M=1/K(L1L2)1/2 k=M L1 y L2 deben formar parte de los circuitos resonantes.

    Paralelo Serie

    Banda muy ancha Muy utilizado

    Z0

    L=/4

    J=1/Z0 K=Z0

    Paralelo Serie

    Banda estrecha Utilizado en filtros de microondas

    Ejemplo de filtro de cavidad

    22

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 12

    Ejemplo de filtro de cavidad

    Guia de Onda

    Cavidad

    Acoplo por IrisEntrada

    Salida

    23

    Efecto de las prdidas

    Atenuacin en la banda de paso Atenuacin en la banda de paso

    Limitacin de la atenuacin mxima en la banda eliminada

    =

    = n1i i

    i0 wQ

    g344dBL .)(

    ( )L dB L Q Ln ( ) 20 10 4

    24

    Reduccin de la pendiente entre bandas

    ( )L dB Log g wQ Logg gi ii n

    = +

    = ( ) 20 10101 10 0 1

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 13

    Preguntas de TestP8.1 Los cristales de cuarzo permiten la construccin de filtros de banda muy estrecha por su

    alto factor de calidad pero estn limitados aproximadamente a la banda:alto factor de calidad, pero estn limitados aproximadamente a la banda:a) 1kHz a 100kHzb) 100kHz a 100MHzc) 1MHz a 1000MHzd) 10MHz a 10GHz

    P8.2 Las prdidas por disipacin en la banda de paso de un filtro paso banda:a) Aumentan al aumentar el factor de calidad de los resonadores.b) Aumentan al aumentar el nmero de etapas del filtro.c) Aumentan al aumentar el ancho de banda relativo del filtro.

    25

    )d) Aumentan al disminuir la frecuencia central del filtro.

    P8.3 Si se quiere un filtro paso banda de banda muy estrecha en una frecuencia central de 15GHz utilizaremos:

    a) Componentes LC de alto factor de calidad.b) Cristales de cuarzo de alta frecuencia.c) Cavidades en gua de onda metlica.d) Circuitos integrados monolticos de AsGa.

    Preguntas de TestP8.4 Las prdidas por disipacin en la banda de paso de un filtro paso banda...

    a) Son inversamente proporcionales al factor de calidad de los elementos resonantesa) Son inversamente proporcionales al factor de calidad de los elementos resonantes.b) Aumentan al aumentar el nmero de etapas del filtro.c) Aumentan al disminuir del ancho de banda relativo del filtro.d) Todos los anteriores son ciertos.

    P8.5 Actualmente se est investigando en filtros de microondas con materiales superconductoresporque:

    a) Son filtros que generan poco ruido.b) Son filtros de muy bajas prdidas.c) Non insensibles al pulso electromagntico en explosiones nucleares.

    26

    ) p g pd) Tienen tamaos muy pequeos.

    P8.6 Un filtro SAW (Onda Acstica Superficial) utiliza cermicas piezoelctricas y funciona en labanda de:

    a) 50 GHz a 200 GHz.b) 10GHz a 50GHz.c) 2GHz a 10GHzd) 0.1 GHz a 2 GHz.

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 14

    Preguntas de TestP8.7 Las cavidades en gua de onda no se suelen utilizar para construir filtros en frecuencias

    inferiores a 1GHz porque:inferiores a 1GHz porque:a) Tienen muchas prdidas en la banda de paso.b) Su tamao es muy grande.c) No existen guas de onda en frecuencias tan bajas.d) Slo se utilizan en circuitos integrados de microondas.

    P8.8 Los resonadores LC se utilizan poco para hacer filtros de microondas porque:a) Son muy pequeos y tienen muchas prdidas.b) Son muy grandes para los sistemas modernos de reducido tamao.c) Las bobinas de microondas necesitan ncleos de ferrita.

    27

    )d) Los condensadores de microondas varan mucho con la temperatura.

    Preguntas de TestP8. 9 Las transformaciones de frecuencia (descritas en el apartado 8.2) tienen por objeto:

    a) Construir filtros para altas frecuencias utilizando componentes de bajas frecuenciasa) Construir filtros para altas frecuencias utilizando componentes de bajas frecuencias.b) Considerar el efecto pelicular en los diseos.c) Simplificar el diseo de los filtros transformndolos en filtros paso bajo.d) Simplificar el diseo de los filtros transformndolos en filtros paso bajo con frecuencia de corte

    normalizada.

    P8.10 Si se disea un filtro paso banda a partir de un filtro normalizado:a) Las L serie se transforman en C paralelo y viceversa.b) Las L se transforman en asociaciones LC serie y las C en asociaciones LC paralelo.c) Las L serie se transforman en L paralelo.

    28

    ) pd) Las L se transforman en C y viceversa.

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 15

    Ejercicio 8.4El transmisor de un radioenlace para televisin analgica en la banda de 11 GHz permite trasmitir

    12 canales en cada sentido con modulacin en frecuencia (FM) y con multiplexacin por12 canales en cada sentido con modulacin en frecuencia (FM) y con multiplexacin por divisin en frecuencia (FDM). La banda base de la seal de televisin es de 5.5MHz y se modula en FM con una desviacin mxima de frecuencia de 7MHz. La separacin entre portadoras es de 40MHz. En el diseo del transmisor se plantean dos alternativas que deben obtener una potencia total de salida de 50w.

    Canal1

    Modul.FM

    O ado

    r

    Amp. dePotencia

    Filtro decanal Canal

    1Modul.

    FM

    Osc

    Filtro decanal

    29

    Canaln

    Modul.FM

    Osc.F1

    Osc.F1

    Osc.

    Osc.

    f=F2+40

    f=F2+40n

    Com

    bina

    dor -

    ate

    nua

    Filtro desalida Canal

    nModul.

    FM

    Osc.F1

    Osc.F1

    Osc.

    Osc.

    f=F2+40

    f=F2+40n

    Filtr

    om

    ultip

    lexo

    r

    Amp. dePotencia

    Ejercicio 8.41. Determine la banda ocupada por canal. Cul es la misin del filtro de canal posterior a la conversin? P l l f i i t di F1 it filt dProponga un valor para la frecuencia intermedia F1 que permita un filtrado cmodo de la seal antes y despus de la conversin. Qu valor deber tener F2 para que la frecuencia portadora del canal ms bajo sea de 10515 MHz?

    30

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 16

    Ejercicio 8.42. La primera solucin forma la seal completa en niveles bajos de potencia y requiere un amplificador de potencia lineal para asegurar que no existe i t d l iintermodulacin. Determine el punto de cruce de la intermodulacin de tercer orden (PI3) a la salida del amplificador para que la relacin entre potencia de seal y productos de intermodulacin (S/I) a la salida sea mejor de 30dB en el caso peor. (Suponga el filtro de salida sin prdidas)

    31

    Ejercicio 8.43. La segunda solucin permite amplificadores no lineales de alto rendimiento, pero el filtro multiplexor puede ser difcil de construir en gua de onda. D t i l d t i l filt d d l i h dDetermine el nmero de etapas necesarias para el filtro de cada canal si ha de rechazar el canal adyacente 20dB. Estime la atenuacin que impone cada filtro si el factor de calidad de las cavidades utilizadas es de 3000. (Suponga un Chebyschev de rizado 0.5dB y utilice las grficas adjuntas)

    32

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 17

    Ejercicio 8.44.- Estime el rendimiento total del transmisor en cada uno de los dos casos suponiendo que las etapas previas a las de potencia tienen un consumo total de 30 w. Haga las suposiciones que crea conveniente sobre los rendimientos parciales de los amplificadores de potencia. Qu solucin elegira?

    33

    Respuesta en frecuencia del filtro Chebyschev

    100L(dB)

    510

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    2

    3

    45

    34

    -1 -0.5 0 0.5 1 1.50

    10

    20

    30

    Log(-1)

    n=1

    Respuesta de atenuacin en la banda atenuada del filtro de Chebyschev Rizado=0.5dB

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 18

    Problema 3: Sept. 2007

    Se quiere analizar un sistema transceptor (transmisor y receptor) de q p ( y p )Bluetooth para comunicaciones inalmbricas entre ordenadores porttiles. El sistema propuesto est basado en el circuito integrado ML7050LA de OKI Semiconductors, y su esquema de bloques es el siguiente:

    ML7050LA

    DEMOD BB (RX)

    ML7050LA

    DEMOD BB (RX)

    35

    PLL Modulador FSK

    BB (TX)PLL Modulador FSK

    BB (TX)

    Problema 3: Sept. 2007

    El funcionamiento del dispositivo es el siguiente: el sistema tiene una p gnica antena y un nico filtro que funcionan tanto en transmisin como en recepcin.

    El conmutador de salida del circuito ML7050LA selecciona la rama de transmisin o la de recepcin.

    El receptor es superheterodino siendo el primer elemento un amplificador de bajo nivel de ruido (LNA), al que le sigue un mezclador con rechazo de banda imagen (IRM). A continuacin estn el filtro de frecuencia intermedia y el amplificador de

    i i bl L l d il d l l d t d l

    36

    ganancia variable. La seal de oscilador local de entrada al mezclador IRM la genera el propio PLL de la rama de transmisin, activando el conmutador de la rama de transmisin.

    El transmisor es homodino, y consta de un modulador FSK basado en un VCO estabilizado con un PLL sintetizador de frecuencia, un amplificador de baja seal y un amplificador de potencia.

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 19

    Prob. 3: Sept. 2007: Cadena tx.

    Los datos generales del sistema son: Banda de paso del filtro de entrada: 2 4 a 2 5 GHz Banda de paso del filtro de entrada: 2.4 a 2.5 GHz Frecuencias portadoras: 2402 a 2480 MHz con saltos de 1 MHz. Ntese

    que en transmisin y en recepcin se utiliza la misma banda de frecuencia.

    Frecuencia intermedia: 2 MHz El sistema de espectro ensanchado funciona en modo salto de frecuencia

    con una velocidad de salto de 1600 saltos/sg

    Cuando el sistema funciona en transmisin el PLL modulador FSK genera una

    37

    Cuando el sistema funciona en transmisin, el PLL modulador FSK genera unaseal de -30 dBm de potencia. El sistema est compuesto por un amplificador debaja seal, un amplificador de potencia y el filtro de salida. Adems existen dosconmutadores en la cadena que se pueden considerar sin prdidas. El filtro desalida es de Chebysev de =0.5 dB, cuya frecuencia central es de 2450 MHz ytiene un ancho de banda de 100 MHz

    Prob. 3: Sept. 2007: Cadena tx.

    1 Calcule el nmero de etapas para conseguir un rechazo de 45 dB a la1. Calcule el nmero de etapas para conseguir un rechazo de 45 dB a la frecuencia de 2 GHz. Calcule las prdidas aadidas en la banda de paso de dicho filtro, si el factor de calidad de los resonadores es igual a 200. Es posible alcanzar esta atenuacin de 45 dB con el filtro diseado? (4p)

    2. Si la potencia de salida del sistema Bluetooth es de 20 dBm y el mezclador de la cadena receptora necesita un oscilador local de -10 dBm de potencia para su correcto funcionamiento, calcule las ganancias de los dos amplificadores. Indique tambin cul es el punto de compresin a 1 dB de

    38

    ambos amplificadores. (3p)

    3. Justifique qu tipo de amplificador de potencia utilizara, y estime el rendimiento del sistema transmisor incluyendo el filtro de salida, sabiendo que el consumo del PLL modulador FSK y del primer amplificador es de 10 mW. (3p)

  • Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

    Filtros Pasivos de RF 20

    Prob. 3: Sept. 2007: Cadena tx.

    100L(dB)

    10

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    2

    3

    45

    39

    -1 -0.5 0 0.5 1 1.50

    10

    20

    30

    Log(-1)

    n=1