Diseño y Evaluación de un Filtro Fractal Miniaturizado para GSM 850

Diseño y Evaluación de un Filtro Fractal Miniaturizado para
GSM 850
Juan Sebastián Rodriguez Páez
Estudiante de Ingeniería Electrónica
Pontificia Universidad Javeriana
[email protected]
Juan Guillermo Estrada Escobar
Estudiante de la maestría en Ingeniería Electrónica
Pontificia Universidad Javeriana
[email protected]
Arturo Fajardo Jaimes
Departamento de Electrónica
Pontificia Universidad Javeriana
[email protected]
Carlos Iván Páez Rueda
Departamento de Electrónica
Pontificia Universidad Javeriana
[email protected]
Resumen
En este artículo se presenta el diseño, optimización y evaluación de un filtro con función de transferencia
elíptica miniaturizado para la dirección del uplink de las aplicaciones de GSM en 850 MHz. En este trabajo se
exploran dos topologías basadas en un filtro fractal que utiliza la estrategia de llenado del espacio bidimensional, con el objeto de disminuir el área de su ocupación, mejorar el acoplamiento de la entrada, lograr una
función de transferencia cuya banda de rechazo sea muy selectiva y facilitar el proceso de fabricación con
estándares regionales. Los resultados experimentales encontrados fueron exitosos en términos de la precisión
de lo medido versus lo diseñado y dado el éxito logrado en el porcentaje de miniaturización del dispositivo.
1.
Introducción
Las aplicaciones de los sistemas de comunicaciones celulares de tecnología GSM (Global System for Mobile
Communications) son dominantes en el mercado de las telecomunicaciones móviles inalámbricas en latinoamérica. Este estándar está implementado en diferentes bandas de frecuencia, referidas a través de siglas GSM850 (UL1 :824-849MHz, DL2 :869-894MHz), GSM-900 (UL:890.2-914.8, DL:935.2-959.8MHz) y PCS-1800
(UL:1850-1910, DL:1930-1990MHz).
Un diagrama en bloques general típico de un sistema de comunicaciones de este tipo, se detalla en la Figura 1.
Debido a que en esos sistemas, los osciladores y los amplificadores de potencia de la etapa de radio frecuencia
1 UpLink
es la dirección de comunicaciones desde el móvil hasta la estación base
es la dirección de comunicaciones desde la estación base hasta el móvil
2 DownLink
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Rodriguez - Estrada - Fajardo - Páez
(RF) no son perfectos, se generan componentes de frecuencia no deseadas en sus bandas adyacentes. Por esa
razón, técnicamente se requiere de un filtro en el subsistema de transmisión (dirección del UL) de tipo pasa
banda de características de aislamiento superiores a los tradicionales. Este requerimiento se traduce en utilizar
un filtro cuya banda de rechazo sea muy selectiva manteniendo el orden del filtro razonablemente pequeño, para
garantizar su estabilidad y factibilidad de construcción. Diseñar filtros con esas características de desempeño,
incluyendo un tamaño razonable y a menor costo, se ha convertido en todo un reto de diseño para la ingeniería
de los circuitos de RF.
Figura 1. Diagrama en bloques. Tomado de [1]
Debido a la naturaleza de la onda electromagnética en un medio dieléctrico, no es fácilmente implementable
sistemas con diferentes topologías de funciones de transferencia, a través de componentes concentrados, como
son los condensadores y las inductancias. Aquí, una opción es implementar éstos por medio de elementos
distribuidos, usualmente diseñados y construidos por medio de líneas de transmisión. En particular, en el diseño
de un filtro pasa banda, sus dimensiones físicas usualmente depende de una proporción de la longitud de la onda
electromagnética en el substrato donde se desarrolla el impreso del circuito (PCB). Debido a que la longitud
de la onda electromagnética es inversamente proporcional a la frecuencia de operación, se tienen importantes
retos en la implementación de los filtros pasa banda de tamaño razonable a frecuencias intermedias con este
tipo de tecnología. En particular, la banda de frecuencia de GSM 850 tiene una longitud de onda de 19,4cm en
850MHz en un substrato tradicional FR4(εr = 4,4,tan(δ ) = 0,02), y por tal, el diseño de un filtro pasa banda
miniaturizado con una banda de rechazo alta es un desafío de diseño para aplicaciones portables.
Desde la década de los 60, se ha venido investigando acerca de las diversas técnicas de miniaturización de
este tipo de componentes. La primera, es la utilización de substratos con una alta constante dieléctrica con el
propósito de disminuir la longitud de la onda en el PCB. La segunda, es el uso de tecnología de múltiples
capas para generar inductancias y capacitancias parásitas que emulen el comportamiento de los componentes de
almacenamiento requeridos. Por último, la tercera es utilizar el concepto de llenado del espacio bidimensional
(2D) o tridimensional (3D) para disminuir el área o volumen neto del dispositivo.
En esta última estrategia, la solución a partir de formas que siguen una geometría fractal ha sido utilizada con
éxito en el diseño de antenas planares y filtros [2]. Este tipo de estructuras permiten optimizar el uso del espacio
2D dentro del substrato, y por tal, utilizar una menor área física que una estructura tradicional. En particular, la
topología anillo ha sido propuesta en [3, 4] para crear filtros elípticos pasa banda con excelentes funciones de
transferencia en la banda de rechazo. La topología original en anillo se observa en la Figura 2, donde se identifica
claramente que dicha topología se basa en acoplamiento de dos líneas enfrentadas a una línea de transmisión
circular con componentes parásitos distribuidos que son construidos por medio de stub. Éstos permiten ajustar
los polos de la función de transferencia para lograr los requerimientos de una banda de rechazo alta.
2
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Figura 2. Filtro original pasa banda en anillo en modo dual. Tomado de [5]
En el presente artículo se organiza de la siguiente manera. En la sección 2. se presentan los requerimientos
solicitados, la topología en tecnología de microcinta usada para el diseño y el proceso de optimización paramétrica de un filtro elíptico con una geometría fractal de dimensión N=2, con el objeto de usarlo en aplicaciones
portables en la banda GSM 850. En la sección 3. se presenta la topología final optimizada y los resultados experimentales obtenidos de la construcción y posteriores medidas de emérito de los prototipos. En la sección 4.
se presentarán las conclusiones de esta investigación.
2.
Diseño
2.1.
Requerimientos de filtro miniaturizado
Los requerimientos solicitados del filtro pasa banda a diseñar, con el objeto de cumplir las expectativas de
disminución de frecuencias adyacentes no deseadas de un sistema GSM-850 son:
1. Frecuencia central: promedio geométrico de la banda GSM 850 en el UL (824-849MHz), la cual fue
escogida ya que es usualmente utilizada en EUA, Sudamérica y Asia.
2. Ancho de banda: GSM 850 en el UL (824-849MHz).
3. Tecnología: substrato RF-35 de Taconic, el cual tiene εr = 3,5 y tan(δ ) = 0,0018.
4. Pérdidas de retorno en la banda de paso: mejor a 10dB.
5. Pérdidas de inserción en la banda de paso: mejor a 3dB.
6. Atenuación en la banda de rechazo: mejor a 30dB.
7. Impedancia de entrada y de salida en la banda de paso: 50Ω.
8. Configuración del filtro: Tipo resonante en modo dual en configuración fractal, con el objeto de buscar
reducción del área de ocupación.
2.2.
Topología de análisis
Las topologías fractales basadas en el resonador tipo dual con tecnologías de líneas de transmisión microcinta se
detallan en la Figura 3. La configuración tipo I, ilustrada en la Figura 3a, fue analizada debido a que se deseaba
explorar el desempeño del circuito al mejorar el acoplamiento electromagnético entre las líneas de transmisión
de alimentación y el anillo fractal. A su vez, en esta topología se exploró la influencia del tipo de stub colocado
en el anillo fractal como se ilustra en la figura.
La configuración tipo II, ilustrada en la Figura 3b, fue analizada debido a que se deseaba explorar el desempeño
del circuito al mejorar el substancialmente el acoplamiento electromagnético entre las líneas de transmisión
3
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de alimentación y el anillo fractal, al incrementar su dimensión fractal del acoplamiento. Aquí se exploró la
influencia de una stub tradicional colocado en la esquina superior derecha.
(a) Tipo I
(b) Tipo II
Figura 3. Topologías analizadas
2.3.
Proceso de modelado y optimización
Este tipo de filtros distribuidos y acoplados no puede ser modelado a través de simuladores tradicionales paramétricos de líneas de transmisión debido a su configuración compleja. Esto es, un simulador que implemente el
modelo simplificado de una líneas de transmisión como kernel de simulación. Para poder efectivamente diseñar los filtros, se tuvo que modelar el problema en un simulador fenoménico que en nuestro caso utilizó como
kernel el Método de los Momentos para tecnologías planares. En este método, la forma planar es modelada por
medio de triángulos disyuntos a los cuales posteriormente se le calcula las densidades de corriente impresa a
partir de un modelo de fuente electromagnética impresa y un proceso de inversión de matrices bastante costoso
computacionalmente.
El proceso de diseño de cada filtro consistió de una variación de los parámetros geométricos mostrados en la
Figura 3 de forma sistemática y exhaustiva, a través del simulador Ansoft Designer con la opción “Planar EM
Design”. El costo computacional medido en tiempo y en almacenamiento de este proceso fue bastante alto, en
consideración que se requirió de 72 a 96 horas de simulación por topología en un computador personal dedicado.
3.
3.1.
Resultados
Topología final y construcción
La topología optimizada para el filtro tipo I y su circuito construido se observan en la Figura 4a. La topología
optimizada para el filtro tipo II y su circuito construido se observan en la Figura 4b.
Como se detalla en cada figura, las dimensiones de área de cada circuito son inferiores a 10cm2 , la cual implica
una real factibilidad de utilización de este filtro en un dispositivo portable y móvil que utilice este tipo de
tecnología.
3.2.
Medidas de desempeño
Una vez construidos los filtros diseñados, se procedió a medir las curvas de desempeño de los mismo por medio
de un analizador vectorial de redes referencia referencia Hewlett Packard 8714ES. Las curvas del módulo y de
la fase de los coeficientes de la matriz de Scattering se observan en la Figura 5 y la Figura 6 para cada topología
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(a) Tipo I
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(b) Tipo II
Figura 4. Filtros construidos
propuesta. En general, se observa una alta precisión entre los valores predichos por la simulación y los datos
experimentales, excepto por un corrimiento constante en frecuencia que no fue documentado en dichas gráficas
y cuyo valor fue de 30MHz. Este corrimiento de la medida experimental se presupone fue debido a la tolerancia
del proceso de fabricación y a la precisión de la geometría del anillo fractal. En este caso particular, se resalta
que un pequeño error en la tolerancia en cada curva de la geometría fractal debe multiplicarse por 80 para
obtener la desviación de error total del anillo fractal.
Las curvas de desempeño del filtro tipo I se detallan en la Figura 5. Aquí se observa que no fue posible a través
del proceso de optimización el cumplimiento del requerimiento de las pérdidas de retorno del dispositivo en la
banda de paso, ya que tomaron un valor en el peor de los casos de 6 dB. Aún lo anterior, con esta topología
fue posible encontrar la mejor atenuación en la banda de rechazo. En el diagrama de fase de esta topología se
observa una respuesta de fase casi lineal o retardo casi constante en el ancho de banda de diseño. El error que se
observa en el diagrama de fase experimental en el rango de 900MHz, es debido al cambio de la escala angular
entre 180 y −180 y realmente no representa un error de diseño o medición.
(a) Diagrama de magnitud
(b) Diagrama de Fase
Figura 5. Caracterización del filtro tipo I
Las curvas de desempeño del filtro tipo II se detallan en la Figura 6. Aquí se muestra que las restricciones del
5
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problema fueron totalmente cumplidas. Se detalla que las pérdidas de retorno fueron superiores a 12dB en la
banda de operación y una atenuación en la banda de rechazo inferior a 30dB. En este filtro se concluye que la
fase es más lineal que la medida en el tipo I, y por ende, tiene un retardo más lineal, lo cual garantiza menos
distorsión de fase en la banda de paso. Al igual que el caso anterior, el error que se observa en el diagrama
de fase en el rango de 900MHz, es debido al cambio de la escala angular entre 180 y −180 y realmente no
representa un error de diseño o medición.
(a) Diagrama de magnitud
(b) Diagrama de Fase
Figura 6. Caracterización del filtro tipo II
4.
Conclusiones
En el presente artículo se presentó el diseño. optimización y evaluación experimental de un filtro pasa banda en
configuración fractal con curva de transferencia elíptica para la banda del uplink de GSM-850. Las curvas de
simulación versus la experimentación fueron aceptables, excepto por un corrimiento en frecuencia constante en
ambas topologías propuestas, debido a la precisión de los procesos de fabricación regionales.
El grupo de investigación en telecomunicaciones (SISCOM) de la Pontificia Universidad Javeriana continuará
trabajando en la temática de reducción de tamaño de dispositivos guiados y no guiados en la banda de radio
frecuencia para aplicaciones industriales y militares. En este proyecto de investigación, es posible continuar
analizando las topologías propuestas a través del incremento de la dimensión fractal, el incremento del orden
del filtro elíptico por medio de sistemas en cascada y el incremento, cambio o reubicación las cargas distribuidos
localizados en el anillo, con miras a tratar de mejorar las características del filtro pasa banda obtenidas.
5.
Agradecimientos
Los autores desean dar sus agradecimientos a la Pontificia Universidad Javeriana y al Departamento de Electrónica de dicha universidad, por facilitar los recursos necesarios de Software, Hardware y personal para realizar a
cabo la presente investigación.
Referencias
[1] R. Ludwig and G. Bogdanov, RF Circuit Design Theory and Applications.
Prentice Hall, 2007.
[2] J.-S. Hong and M. Lancaster, Microstrip filters for RF/Microwave Applications.
John wiley & sons,INC., 2001.
[3] J. Hong and M. Lancaster, “Compact microwave elliptic function filter using novel microstrip meander open-loop resonators,” Electronics Letters, vol. 32, no. 6, pp. 563 –564, mar 1996.
[4] A. Gorur, C. Karpuz, and G. Eryilmaz, “Asymmetric dual-mode microstrip filters with adjustable transmission zero,” in
Microwave Conference, 2007. APMC 2007. Asia-Pacific, dec. 2007, pp. 1 –4.
[5] U. Karacaoglu, I. D. Robertson, and M. Guglielmi, “An improved dual-mode microstrip ring resonator filter with simple
geometry,” in Microwave Conference, 1994. 24th European, vol. 1, sept. 1994, pp. 472 –477.
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[6] J. Curtis and S. Fiedziuszko, “Miniature dual mode microstrip filters,” jul 1991, pp. 443 –446 vol.2.
[7] J. Hong and M. Lancaster, “Recent advances in microstrip filters for communications and other applications,” may 1997,
pp. 2/1 –2/6.
[8] ——, “Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a novel meander loop resonator,” Microwave and Guided
Wave Letters, IEEE, vol. 5, no. 11, pp. 371 –372, nov 1995.
Hoja de Vida
Juan Sebastián Rodríguez Páez. Estudiante de Ingeniería Electrónica, con énfasis en Comunicaciones, cursando los últimos semestres
de la carrera. En el 2009 comenzó a trabajar como instructor de las asignaturas de pregrado de la sección de comunicaciones de la Pontificia
Universidad Javeriana. Actualmente está vinculado al grupo de investigación en telecomunicaciones (SISCOM) de la Pontificia Universidad
Javeriana.
Juan Guillermo Estrada. Ingeniero Electrónico egresado de la Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, 2008. Estudiante de Maestría
en Ingeniería Electrónica con énfasis en Telecomunicaciones de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, inicio en Julio de 2009.
Vinculado como ingeniero consultor en D-Tech S.A. (Tecnologías para el desarrollo sostenible S.A.) en Octubre de 2009. Actualmente se
desempeña como asistente de investigación en el grupo de investigación en telecomunicaciones (SISCOM) de la facultad de Ingeniería de
la Pontificia Universidad Javeriana, donde trabaja en las áreas del Hardware en Radio Frecuencia y Comunicaciones Inalámbricas.
Arturo Fajardo Jaimes. Ingeniero Electrónico egresado de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá 2002. Magíster en Ingeniería
Electrónica de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, 2008. En el 2003 trabajó como docente e investigador en la Pontificia Universidad Javeriana y participó en diversos proyectos de investigación en el grupo de control, electrónica de potencia e innovación tecnológica
(CEPIT). En el 2008 se vinculó a la Pontificia Universidad Javeriana como profesor de planta del Departamento de Electrónica, sección
Comunicaciones. Actualmente se desempeña como docente e investigador, liderando las asignaturas de maestría y pregrado en el área de
Radio Frecuencia y se encuentra vinculado como investigador al grupo de investigación en sistemas telecomunicaciones (SISCOM).
Carlos Iván Páez Rueda. Ingeniero Electrónico egresado de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, 1997. Especialista en Investigación y Docencia, Universidad Sergio Arboleda, Bogotá, 2003. Magíster en Eléctrica con énfasis en Comunicaciones, Universidad de los
Andes, 2002. En 1997 se vinculó como ingeniero de proyectos en el área inalámbrica en Colsago Com. En 1999 se vinculó como director
de ingeniería y líder de proyectos relacionados con el diseño y optimización de redes inalámbricas en Tes América Andina. En el 2000
inició sus estudios de profundización científica en el área de las comunicaciones. En el 2002 trabajó como consultor e investigador en diferentes empresas y universidades de Colombia. En el 2004, se vinculó como gerente del área de inalámbricos de la Dirección de Expansión
en EPMBOGOTA S.A. E.S.P. En el 2006, se vinculó a la Pontificia Universidad Javeriana como profesor de planta del Departamento de
Electrónica, sección Comunicaciones. Actualmente se desempeña como profesor de planta en el Departamento de Electrónica y director del
grupo de investigación en telecomunicaciones (SISCOM) en dicha universidad, donde trabaja en las áreas de Teletráfico, Comunicaciones
Inalámbricas y Hardware en Radio Frecuencia.
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