Electrónica para Altas Frecuencias

Principios de
Electrónica para
Altas Frecuencias
Autor: Nicolás Reyes
Problemas en altas frecuencias
Elementos parásitos y resonancias
espontáneas.
 Elementos concentrados o elementos
distribuidos.

Resonancias espontáneas
Circuito equivalente de una resistencia:
El módulo de la impedancia será:
R + ( jωL )
Z=
(1 − ω 2 LC ) + (ωRC) 2
2
2
Aparece un comportamiento resonante en ω = 1
LC
Si graficamos la impedancia en función de la frecuencia:
Elementos distribuidos:
Un elemento es concentrado cuando las variables de interés tienen los
mismos valores a lo largo de todo el elemento.
Longitud de onda en el vacío:
λ=c / f
Para una onda de 1 GHz: λ=0.033 m
Por lo tanto es necesario utilizar elementos pequeños, y los cables o
pistas de un circuito impreso deben ser considerados como líneas
de transmisión.
Líneas de transmisión:
I
+
V
-
Circuito equivalente:
ε
Ecuaciones de la línea de transmisión:
∂ V( X )
2
∂X
Donde :
2
− γ V( X ) = 0
2
γ = [ ( R + jωL )( G + jωC ) ]
1
2
La solución general es:
V( X ) = V+ e −γx + V− e γx
I(X ) = I +e
−γx
+ I −e
γx
Las Líneas de transmisión se caracterizan por una impedancia
característica Zo.
V+ V−
R + j ωL
Z0 = = =
I+ I−
G + jωC
Al conectar una discontinuidad al final de la línea, se produce una
reflexión de la onda incidente.
ZL − Z0
Γ0 =
ZL + Z0
Ejemplo: La línea de microstrip
Es la línea más utilizada para la construcción de circuitos
impresos para altas frecuencias. Su principal ventaja es la
facilidad para integrar elementos activos al circuito.
Elementos diseñados para altas frecuencias
Para evitar problemas con elementos resonantes y/o con el tamaño de
los componentes, se recomienda utilizar componentes especialmente
diseñados para operar en el rango de frecuencias deseado.
Resistencia de film (TaN, CrN); Micro-Systems
Otra solución es integrar los elementos al circuito:
Condensador
Inductancia
Otra solución es utilizar definitivamente elementos distribuidos.
Se puede demostrar que una línea abierta de longitud igual a λ/4
se comporta como un condensador, cuyo valor viene dado por:
Z in = − jZ 0 cot g ( βL)
Condensador de línea abierta
Versión mejorada
Adaptadores de impedancia
Los cables y/o pistas se comportan como líneas de transmisión.
Para evitar ondas reflejadas se deben utilizar adaptadores de
impedancia.
Adaptador con elementos concentrados:
La impedancia de entrada viene dada por:
Z eq
 1
1
= Z1 + 
+ 
 Z2 Z 
−1
Adaptador de cuarto de onda:
Se demuestra que si L es igual a un cuarto de onda y Z a =
no hay reflexión.
Z0R
Filtros
Un filtro es un dispositivo electrónico que transmite la potencia
contenida en una región del espectro mientras que refleja la potencia
que no está en esa zona.
Trabajando a bajas frecuencias se utilizan circuitos resonantes LC
como filtros. En altas frecuencias se pueden utilizar una gran variedad
de estructuras resonantes como filtros.
Ejemplo de estructura resonante: El anillo
Las condiciones de borde imponen:
2πR = nλ
Y la frecuencia central es:
nc
f0 =
2πR ε reff
Resonancia del anilllo medido por Chang K.
Filtros utilizados frecuentemente para
microondas
Filtro coaxial
Frecuencia central del
filtro:
c
f =
4l ε eff
Filtros con elementos redundantes:
Corresponde a un filtro pasa bajos para 5 Ghz
Simulación del comportamiento del filtro utilizando el software
Microwave Office:
Acopladores e híbridos
Son dispositivos que permiten dividir la potencia disponible en una señal
en dos señales distintas.
En particular los híbridos permiten obtener dos señales idénticas pero
desfasados de 90º o 180º
Híbridos de 90º
Se demuestra que una línea acoplada de 3dB y de 90º de largo se
comporta como un Híbrido de 90º
Híbrido de Lange
Otra alternativa es el Híbrido cuadrado
Híbridos de 180º