Componentes de un discriminador de microondas reconfigurable de 2 Bits.

TRABAJO FINAL DE GRADO TÍTULO DEL TFG: Componentes de un Discriminador de Microondas Reconfigurable de 2 Bits TITULACIÓN: Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación AUTOR: Jefferson Ortiz Rodríguez DIRECTOR: Ignacio Llamas-Garro FECHA: 25/05/2016 Título: Componentes de un Discriminador de Microondas Reconfigurable de 2 Bits Autor: Jefferson Ortiz Rodríguez Director: Ignacio Llamas-Garro Fecha: 25/05/2016 Resumen Este trabajo expone el concepto y diseño de un discriminador de microondas reconfigurable de 2 puertos, componente principal de un sistema de medición de frecuencia reconfigurable de 2 bits. El medidor de frecuencia reconfigurable permite la identificación de cualquier señal desconocida en el intervalo de frecuencia de 30 a 40 GHz. El discriminador de microondas es el componente que realiza está función dentro del receptor. Este receptor es implementado a partir de la combinación de la tecnología uniplanar y los sistemas microelectromecánicos de radio frecuencia (RFMEMS). El discriminador de microondas está formado por un desfasador MEMS de 180º, un divisor de potencia que también actúa como un combinador, una transición cpw-slotline y una línea de referencia de longitud λ/2; todos estos componentes están integrados en un sustrato de cuarzo. El desfasador de 180º está implementado con tecnología MEMS, la cual proporcionará la reconfigurabilidad y permitirá obtener un cambio de fase de 180º. Este diseño es desarrollado mediante el uso de una línea de transmisión slotline o línea ranurada. Este desfasador es el componente principal del discriminador de microondas. El divisor de potencia está realizado con líneas de transmisión coplanar (CPW) y se utiliza un divisor tipo Wilkinson de dos etapas de derivación. La función del divisor es distribuir la potencia que recibe el discriminador por su puerto de entrada de forma equitativa entre sus puertos de salida, en los cuales estará conectado el desfasador y la línea de referencia. Por último, la transición cpw-slotline es necesaria para conectar el desfasador con el divisor de potencia, debido a que ambos componentes están diseñados con diferentes líneas de transmisión. Implementar estas tecnologías para el desarrollo de este dispositivo, permite dotar al circuito de un tamaño compacto y reducido, consumir menos energía y facilitar su fabricación. Title: Components of a 2-Bit Reconfigurable Microwave Discriminator Author: Jefferson Ortiz Rodríguez Director: Ignacio Llamas-Garro Date: 25/05/2016 Overview This project presents the concept and design of a 2-port reconfigurable microwave discriminator, main component of a 2-bit reconfigurable frequency measurement system. The reconfigurable frequency measurement system allows identification of any unknown signal in the frequency range from 30 to 40 GHz. The microwave discriminator is the component that performs the frequency identification function within the receiver. This receiver is implemented from the combination of uniplanar technology and radio frequency microelectromechanical systems (RF-MEMS). The microwave discriminator is formed by a MEMS 180º phase shifter, a power divider which also acts as a power combiner, a cpw-slotline transition and a reference line; all these components are integrated on a quartz substrate. The 180º phase shifter is implemented with MEMS technology, which will provide reconfigurability and allow to obtain a 180 degrees phase shift. This design is developed by using a slotline transmission line. This phase shifter is the main component of a microwave discriminator. The power divider is made with coplanar transmission lines (CPW) and it uses a two stage Wilkinson power divider. The divisor function it’s to distribute equally between the output ports, the power that the discriminator receives through its input port. The output ports are connected with the phase shifter and the reference line. Finally, the CPW-slotline transition is necessary to connect the phase shifter with the power divider, because both components are designed with different transmission lines. The technologies used during the development of this device allow the circuit to be more compact and smaller, to consume less power and to be easier to manufacture compared to bulky instantaneous frequency measurement techniques. ÍNDICE CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................ 6 1.1. Objetivo .............................................................................................................................. 6 1.2. Objetivos del proyecto ...................................................................................................... 9 1.3. La tecnología RF-MEMS .................................................................................................. 10 1.4. Organización de este proyecto ...................................................................................... 11 1.5. Bibliografía ....................................................................................................................... 12 CAPÍTULO 2. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN ..................................................... 13 2.1. Tecnología Uniplanar ...................................................................................................... 13 2.2. Slotline .............................................................................................................................. 14 2.3. Línea coplanar (CPW) ..................................................................................................... 15 2.3.1. Modo coplanar par ................................................................................................ 16 2.3.2. Modo coplanar impar ............................................................................................ 16 2.4. Bibliografía ....................................................................................................................... 18 CAPÍTULO 3. DISEÑO DEL DESFASADOR MEMS DE 180º ........................ 19 3.1. Diseño del Desfasador de 180º ...................................................................................... 19 3.1.1. Características físicas .......................................................................................... 21 3.1.2. Resultados del Desfasador .................................................................................. 24 3.1.3. Pérdida de Reflexión y Transmisión del Desfasador ........................................... 25 3.2. Tecnología para hacer el desfasador ............................................................................ 26 3.3. Bibliografía ....................................................................................................................... 27 CAPÍTULO 4. DIVISOR/COMBINADOR DE POTENCIA ................................ 28 4.1. Introducción ..................................................................................................................... 28 4.2. Diseño del Divisor de Potencia ...................................................................................... 29 4.2.1. Pérdida por Retorno del Divisor ........................................................................... 31 4.2.2. Pérdidas por Transmisión ..................................................................................... 31 4.2.3. Pérdidas de Aislamiento entre los Puertos 2 y 3.................................................. 32 4.2.4. Análisis de los puentes de conexión (airbridge) ................................................... 32 4.3. Bibliografía ....................................................................................................................... 34 CAPÍTULO 5. TRANSICIÓN CPW-SLOTLINE ................................................ 35 5.1. Introducción ..................................................................................................................... 35 5.2. Diseño Transición CPW-slotline .................................................................................... 36 5.2.1. Pérdida por Retorno ............................................................................................. 37 5.2.2. Pérdida por Transmisión ...................................................................................... 38 5.3. Bibliografía ....................................................................................................................... 39 CAPÍTULO 6. CONCLUSIÓN Y TRABAJO A FUTURO ................................. 40 6.1. Conclusión ....................................................................................................................... 40 6.2. Trabajo a futuro ............................................................................................................... 41 6 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Objetivo Este trabajo final de grado plantea la combinación y utilización de la tecnología uniplanar junto con la reconfigurabilidad que aportan los sistemas microelectromecánicos de radio frecuencia (RF-MEMS), para el diseño de un discriminador de microondas reconfigurable de 2 puertos, el componente primordial en un sistema de medición de frecuencia reconfigurable de 2 bits (RFM). Un sistema de medición de frecuencia reconfigurable está formado por un amplificador limitador, el discriminador de microondas reconfigurable, un detector, un amplificador y un convertidor analógico/digital, tal como muestra la Fig. 1.1. AMPLIFICADOR LIMITADOR Señal de entrada desconocida DISCRIMINADOR DE MICROONDAS RECONFIGURABLE DE 2 BITS DETECTOR AMPLIFICADOR CONVERTIDOR A/D Señal de salida 2 bits Fig. 1.1 Sistema de medición de frecuencia reconfigurable de 2 bits. Los sistemas convencionales como los que se describen en [1,2], proponen la construcción de este receptor utilizando un número elevado de componentes electrónicos para generar los bits de identificación, sin embargo, la finalidad que busca este proyecto es disminuir la cantidad de estos componentes electrónicos, consiguiendo dotar al circuito de un tamaño reducido, tener un consumo más eficiente de energía y proporcionar facilidad para su fabricación. El papel que desempeña cada componente de un sistema medidor de frecuencia, se describe a continuación. El amplificador limitador se ocupa de reducir la sensibilidad de entrada al discriminador, evitando variaciones abruptas en los niveles de señal, mejorando con ello la precisión en la detección de la señal, adicionalmente reduce el efecto de tonos de entrada simultáneos debido al efecto de supresión de señal. El discriminador de microondas reconfigurable (DMR) es el componente encargado de realizar la identificación de una señal desconocida. Para conseguir este objetivo, se determina la frecuencia, la amplitud, ancho de pulso, tiempo de llegada (tiempo que tarda en llegar una señal de radio desde un transmisor a un receptor), ángulo de llegada (sirve para determinar la 7 dirección de propagación de una onda incidente en una antena), modulación y frecuencia de intrapulso de la señal. A partir de todos estos parámetros se genera una secuencia de bits de identificación. La banda de operación se encuentra en el intervalo de frecuencia de 30 a 40 GHz, correspondiente a la banda Ka. En este rango de frecuencia, se ha desarrollado exponencialmente en los últimos años, un gran número de servicios y aplicaciones de telecomunicación destinadas a proporcionar comunicaciones inalámbricas, comunicaciones vía satélite, radares, etc. Por lo tanto una aplicación de este dispositivo se encuentra en detectar las bandas disponibles o en uso del espectro electromagnético para realizar dichas comunicaciones. El detector sirve para realizar una auto-correlación de la señal de entrada debido a su característica de no linealidad. El amplificador es el responsable de acondicionar la señal de salida del detector, a los niveles necesarios para su procesado digital en el siguiente componente. Por último, el convertidor analógico/digital se encarga de digitalizar la señal analógica resultante del proceso de detección de frecuencia de la señal recibida. En esta etapa se obtiene una palabra digital de identificación de frecuencia. El discriminador de microondas reconfigurable está formado por los siguientes componentes: un desfasador MEMS de 180º, un divisor de potencia que actúa también como un combinador de potencia, una transición CPW-slotline, una línea de referencia de longitud λ/2 y un sistema de conmutación. En la Fig. 1.2 se muestra un diagrama de bloques de los componentes que forman el discriminador de microondas realizado. Fig. 1.2 Diagrama de bloques de los componentes que forman un Discriminador de Microondas Reconfigurable de 2 bits. 8 El discriminador funciona de la siguiente forma, se considera la siguiente señal sinusoidal de entrada: (1.1) 𝑥 (𝑡)=𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑡) Esta señal al pasar a través del divisor, es dividida en dos señales iguales, como se muestra a continuación: (1.2) 𝑥1(𝑡)=𝑠𝑒𝑛 (𝑤𝑡) 2 (1.3) 𝑥2(𝑡)=𝑠𝑒𝑛 (𝑤𝑡) 2 Estas dos señales pasarán por la línea de referencia, de retardo τ0 y por el desfasador MEMS de 180º de retardos τ1 y τ2. El discriminador cuenta con un sistema de conmutación para seleccionar los dos estados de operación del desfasador MEMS de 180º en periodos determinados, es decir, en el instante de tiempo 𝑡1 se selecciona el retardo τ1 correspondiente a un estado del desfasador, que en combinación con la línea de referencia τ0, da como resultado la señal 𝑆01(𝑡1). (1.4) 𝑠01 (𝑡1)=𝑠𝑒𝑛(2𝑤𝑡−𝑤(τ0−τ1) 2)𝑐𝑜𝑠(𝑤(τ1−τ0) 2) En el instante 𝑡2, se selecciona el otro estado del desfasador con retardo τ2 y la línea de referencia τ0 para obtener la señal 𝑆02(𝑡2). (1.5) 𝑠02 (𝑡2)=𝑠𝑒𝑛(2𝑤𝑡−𝑤(τ0−τ2) 2)𝑐𝑜𝑠(𝑤(τ2−τ0) 2) Por lo tanto, el número de líneas de retardo del discriminador determina el número de bits de identificación del sistema de medición de frecuencia. La señal 𝑆01 proporciona el bit 1 utilizado para identificación, mientras que la señal 𝑆02 determina el bit 2 de identificación. Después de pasar por la etapa de detección y conversión, es cuando se obtiene una palabra digital compuesta por los 2 bits usados para la identificación de frecuencia. El receptor estudiado en [1], muestra cómo se forman estas palabras digitales. 9 1.2. Objetivos del proyecto La finalidad de este proyecto es el diseño de un discriminador de microondas reconfigurable, un componente fundamental en un sistema de medición de frecuencia reconfigurable (RFM). Este dispositivo ya ha sido estudiado en [1], donde se comenta la realización del RFM usando diodos PIN y otros componentes integrados en un sustrato dieléctrico con la utilización de líneas de transmisión tipo microstrip. El diseño expuesto en este proyecto también es una alternativa para el desarrollo de un receptor medidor de frecuencia instantánea (IFM). El receptor IFM estudiado en [2], presenta la integración de un filtro de banda eliminada multibanda y un divisor de potencia en el mismo sustrato dieléctrico. La realización de ambos componentes, se hizo también mediante el uso de la tecnología microstrip. El discriminador de microondas está formado por un desfasador MEMS de 180º formado por una línea ranurada, un divisor de potencia hecho mediante una línea coplanar, una transición CPW-slotline y una línea de referencia de longitud λ/2; todos estos componentes están integrados en un sustrato de cuarzo. Por consiguiente, uno de los primeros objetivos, es estudiar los tipos de líneas de transmisión uniplanares que forman los componentes del circuito. Esta tecnología se basa en el uso de la línea ranurada o slotline y la línea coplanar (CPW), como líneas de transmisión para la propagación de señales. El segundo objetivo es el modelado circuital de cada componente, para ello se usará el software Advanced Design System (ADS) y mediante la herramienta de simulación EM Momentum se extraen los parámetros característicos asociados a estas líneas de trasmisión. En primer lugar, se simula el circuito desfasador utilizando una línea de transmisión tipo slotline, buscando obtener un desfase de 180º y unas pérdidas en transmisión y reflexión adecuadas en la banda de funcionamiento. Después, se simula el divisor de potencia hecho con línea CPW y se busca bajas pérdidas por reflexión, transmisión y un alto aislamiento en todos sus puertos. Por último, se simula la transición CPWslotline con el objetivo de conectar con las mínimas pérdidas posibles, el divisor de potencia (CPW) con el desfasador (slotline). Por último, para llevar a cabo el desfasador de 180º es necesario conocer el funcionamiento de la tecnología RF-MEMS para proporcionar la reconfigurabilidad que requiere el circuito. Esta característica del diseño se realizará mediante el uso de un conmutador MEMS capacitivo. Cabe destacar que la aplicación de este dispositivo es la identificación de cualquier señal desconocida en la banda de operación del diseño sin la necesidad de una exploración o barrido en frecuencia. 16 2.3.1. Modo coplanar par El modo coplanar par es un modo quasi-TEM, esto implica que el diseño del circuito sea poco dispersivo, de manera que son posibles aplicaciones de banda ancha, logrando con este modo de propagación que la impedancia característica de la línea y su velocidad de propagación muestren poca dependencia con la frecuencia [7]. Las líneas del campo eléctrico empiezan (o acaban) en el conductor central y terminan (o comienzan) en los dos planos de tierra de los lados. El hecho de que el campo eléctrico tenga sentido opuesto referido al conductor central, hace que las pérdidas por radiación del modo par sean bajas, por lo tanto el campo queda muy confinado en el dieléctrico. Por otro lado, las líneas de campo magnético rodean el conductor central. La excitación de corriente (Fig. 2.5 (a)) y distribución de campo (Fig. 2.5 (b)) en este modo se encuentran en [7]. Fig. 2.5 Modo par en una línea de transmisión CPW. (a) Excitación de corriente, (b) distribución de campo. Fuente [7] 2.3.2. Modo coplanar impar El modo coplanar impar es un modo no-TEM y por lo tanto es dispersivo ya que hay componentes del campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación, con lo cual la impedancia característica y su velocidad de propagación no serán constantes con la frecuencia. Las líneas del campo eléctrico empiezan en un plano de tierra y terminan en el otro plano de tierra, lo que significa que los potenciales de los dos planos de masa tienen signos opuestos [7]. Además, no todas las líneas del campo eléctrico tocan el conductor central. Si el ancho del plano de tierra es finito, las líneas del campo magnético se encierran en la sección transversal que incluye los planos de tierra. La excitación de corriente (Fig. 2.6 (a)) y distribución de campo (Fig. 2.6 (b)) aproximada para este modo se encuentran en [7]. 17 Fig. 2.6 Modo impar en una línea de transmisión CPW. (a) Excitación de corriente, (b) distribución de campo. Fuente [7] La configuración de campos para el modo impar es tal que el conductor central no transporta corriente y en cambio en los planos de tierra circulan corrientes longitudinales en sentido opuesto. De esta forma, el conductor central es transparente a la propagación de la señal en el modo impar. El modo coplanar impar es un modo que tradicionalmente se ha considerado como no deseado, por su comportamiento dispersivo. Este modo de propagación se puede eliminar mediante puentes de conexión equipotenciales o airbridges. Este puente conecta los dos planos de masa de la guía de ondas CPW, con la finalidad de que el potencial sea el mismo en ambos planos de masa. Esta unión no produce ningún efecto en el modo par de la línea. La Fig. 2.7 muestra un ejemplo de conexión con airbridges [8]. El airbridge se modela como dos postes rectangulares de altura ho, unidos por un conductor con un determinado grosor Wo. Fig. 2.7 Conexión equipotencial o airbridges en una línea CPW. Fuente [8] 18 2.4. Bibliografía [1] Pozar, D. M., “Transmission Line and Waveguide”, Cap. 3 en Microwave Engineering Fourth Edition, John Wiley & Sons, Inc., pp. 95-164, Hoboken, New Jersey, 2012. [2] Llamas, M. A., Girbau D., Ribó M. y Pradell L, “Híbrido de 180º Uniplanar Multimodal en Banda K”, XXI Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio, pp. 93-95, 2006. [3] Kyung-Whan Yeom, “Microwave Integrated Circuits”, Cap. 1 en Microwave Circuit Design: A Practical Approach Using ADS, Pearson Education, Inc., pp. 1-9, 2015. [4] Cohn, S.B., “Slotline on a Dielectric Substrate”, IEEE Trans., Vol. MTT17, pp. 768–778, 1969. [5] Cohn, S.B., “Slotline Field Components”, IEEE Trans., Vol. MTT-20, pp. 172-174, 1972. [6] Nihad, I.D. y Linda P.B, Theoretical Characterization of Coplanar Waveguide Transmission Lines and Discontinuities, Radiation Lab., University of Michigan, Ann Arbor, MI (1992). [7] Wollf, I., Coplanar Microwave Integrated Circuits, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, (2006). [8] Chung-Yi Lee, Yaozhong Liu, Tatsuo Itoh, “The Effect of the Coupled slotline Mode and Air-Bridges on CPW and NLC Waveguide Discontinuities”, IEEE Trans., Vol. 43, pp. 2759-2765, (1995). 19 CAPÍTULO 3. DISEÑO DEL DESFASADOR MEMS DE 180º 3.1. Diseño del Desfasador de 180º El diseño del desfasador se lleva a cabo mediante una línea ranurada en forma de meandros, debido a que el circuito será lo más compacto y pequeño posible. El modelado del circuito se realiza mediante la herramienta de simulación EM Momentum. En primer lugar, utilizando líneas y curvas microstrip se realizara la línea slotline en forma de meandros. A continuación definiendo una serie de variables, se podrá controlar el ancho, los radios y longitud que tendrá la línea. En la Fig. 3.1 se muestra el dibujo de la línea ranurada del desfasador. Fig. 3.1 Diseño de la línea slotline. Una vez definido el ancho de la ranura (a) de 9 µm, el primer radio de la espira (r1) de 11 µm, el segundo radio (r2) de 15 µm y una longitud total (l) de 492 µm, se procede a generar la ranura en el layout, tal como muestra la Fig. 3.2 (a). Utilizando la operación lógica XOR, entre la línea y un bloque rectangular se realiza la línea slotline con el dibujo creado en el esquemático. En la Fig. 3.2 (b) se ve el bloque rectangular y la línea. Dicho bloque tiene una anchura de 260 µm y una altura de 550 µm. En términos de longitud de onda el tamaño es aproximadamente es 0.046λ. Una vez realizada la operación XOR, la línea será tipo slotline. Para realizar la simulación se pondrán los puertos en ambos lados de la ranura de la línea slotline. 20 Fig. 3.2 Línea slotline en espira sobre un sustrato de cuarzo. (a) Diseño de la línea slotline, (b) línea y bloque rectangular. Después de obtener el diseño de la línea slotline, se realiza la simulación, para ello se define la banda de operación del circuito que es entre 30 y 40 GHz, se definen las capas que se usarán en la simulación y se usa un mallado de 950 celdas por longitud de onda. Para conseguir el desfase de 180º, es necesario realizar dos simulaciones. Una simulación corresponde al estado en el que el silicio está pegado a la línea slotline. Esta simulación se compone de una capa de silicio de 70 µm de espesor, una capa de nitruro de silicio de 0,1 µm de espesor, el conductor de oro de 3 µm de espesor que contiene la línea ranurada y por último el dieléctrico de cuarzo de 500 µm de espesor. Las capas usadas para esta simulación se muestran en la Fig. 3.3. Fig. 3.3 Capas usadas para la simulación del Estado 1 (Silicio pegado a la línea slotline). 21 La segunda simulación corresponde al estado en el cual el silicio está separado de la línea slotline. Se compone de la capa de silicio (70 µm), la separación de 10 µm de aire, la capa de nitruro de silicio (0,1 µm), el conductor de oro (3 µm) que contiene la línea slotline y por último el dieléctrico de cuarzo de 500 µm de grosor. Las capas usadas para esta simulación se muestran en la Fig. 3.4. Fig. 3.4 Capas usadas para la simulación del Estado 2 (Silicio separado a la línea slotline). 3.1.1. Características físicas Para llegar a este diseño final del desfasador, se ha tenido en cuenta cómo afectan el ancho de la ranura (a), los radios (r1 y r2) y la longitud (l) de los meandros del desfasador. En la Fig. 3.5 se muestran estas características del diseño. Fig. 3.5 Características físicas del diseño. 22 En la Tabla 3.1, se muestra cómo al aumentar el ancho de la ranura y manteniendo constante los radios y la longitud de los meandros, se obtiene cada vez un desfase mayor. Tabla 3.1. Cómo afecta el ancho de la ranura en el desfase Radio 1 (µm) Radio 2 (µm) Ancho (µm) Longitud (µm) Fase (º) 10 16 7 480 187,64 10 16 9 480 191,16 10 16 11 480 197 El polo presente en las pérdidas de retorno se desplaza hacia frecuencias más altas al aumentar el tamaño de la ranura, ilustrado en las Figs. 3.6 (a) (b) (c). (a) (b) (c) Fig. 3.6 Pérdidas por retorno (S11) al variar el ancho de la ranura. (a) Ancho de 7µm, (b) Ancho de 9µm, (c) Ancho de 11µm. En la Tabla 3.2, se muestra cómo incrementado el primer radio del meandro y manteniendo constante el ancho de la ranura, el segundo radio y la longitud, se obtiene cada vez menos desfase. Para este caso las pérdidas por retorno empeoran. Tabla 3.2. Cómo afecta el primer radio en el desfase Radio 1 (µm) Radio 2 (µm) Ancho (µm) Longitud (µm) Fase (º) 6 16 9 480 215,38 8 16 9 480 196,71 10 16 9 480 191,16 En la Tabla 3.3, se muestra cómo incrementado el segundo radio del meandro y manteniendo constante el resto de parámetros, se obtiene cada vez menos desfase pero las pérdidas por retorno empeoran, ver Fig. 3.7. 23 Tabla 3.3. Cómo afecta el segundo radio en el desfase Radio 1 (µm) Radio 2 (µm) Ancho (µm) Longitud (µm) Fase (º) 8 12 9 480 203,97 8 14 9 480 198,1 8 16 9 480 196,71 (a) (b) (c) Fig. 3.7 Pérdidas por retorno (S11) al variar el segundo radio del circuito. (a) Radio de 12µm, (b) Radio de 14µm, (c) Radio de 16µm. Por último en la Tabla 3.4, se observa que al aumentar la longitud del meandro y manteniendo constante el resto de parámetros, también se consigue mejorar el desfase pero por el contrario las pérdidas por retorno empeoran, tal como muestra la Fig. 3.8. Tabla 3.4. Cómo afecta la longitud de la línea en el desfase Radio 1 (µm) Radio 2 (µm) Ancho (µm) Longitud (µm) Fase (º) 10 14 11 460 213,78 10 14 11 480 201,3 10 14 11 500 189,31 (a) (b) (c) Fig. 3.8 Pérdidas por retorno (S11) al variar la longitud del meandro. (a) Longitud de 460µm, (b) longitud de 480µm, (c) longitud de 500µm. 24 En conclusión, para lograr el diseño final del desfasador MEMS de 180º es necesario encontrar un compromiso entre todos estos parámetros, con el objetivo de obtener un desfase de aproximadamente 180º y buenas pérdidas por reflexión y transmisión. En la Tabla 3.5, se muestra los parámetros del diseño final del desfasador. Tabla 3.5. Parámetros del diseño final del desfasador Radio 1 (µm) Radio 2 (µm) Ancho (µm) Longitud (µm) Fase (º) 11 15 9 492 179,56 3.1.2. Resultados del Desfasador En la Fig. 3.9 se observa la fase que se obtiene en transmisión para los dos estados comentados anteriormente. Para el estado 1, se ha obtenido una fase de 51,336º y en el estado 2 se obtuvo -128,225º en la frecuencia central (35 GHz). Por lo tanto, el desfase total que se obtiene en la frecuencia central es de 179,56º. Fig. 3.9 Fase obtenida para ambos estados del desfasador. 25 3.1.3. Pérdida de Reflexión y Transmisión del Desfasador La Fig. 3.10 muestra las pérdidas por reflexión en el puerto de entrada del desfasador, para los dos estados del circuito reconfigurable. En el estado 1, se ha conseguido un nivel de -15,36 dB y para el estado 2 se obtiene -40.03 dB a la frecuencia central de 35 GHz. Las pérdidas por reflexión están por debajo de -10 dB en toda la banda de operación. Fig. 3.10 Pérdidas por reflexión (S11) simulada del desfasador. La Fig. 3.11 muestra las pérdidas por transmisión en el puerto de salida del desfasador, para los dos estados del circuito reconfigurable. En el estado 1, se tiene un valor de -0,93 dB y de -0,28 dB para el estado 2, a la frecuencia central de 35 GHz. Fig. 3.11 Pérdidas por transmisión (S21) simulada del desfasador. 32 4.2.3. Pérdidas de Aislamiento entre los Puertos 2 y 3 Por último, se muestra el nivel de aislamiento (S32) entre los puertos de salida del divisor. Se ha conseguido que en toda la banda de trabajo de 30 a 40 GHz, el aislamiento se encuentre por debajo de -15 dB, tal como se ve en la Fig. 4.8. Fig. 4.8 Aislamiento entre los puertos de salida del divisor (S32). 4.2.4. Análisis de los puentes de conexión (airbridge) El diseño final del divisor presenta unos puentes de conexión o airbridges con una altura de 10 µm. A continuación, en la Fig. 4.9 se presentan los resultados de simulación del divisor llevados a cabo con el software HFSS. Como se observa, se corrobora que las señales en transmisión se encuentran ligeramente por debajo de -3 dB y la pérdida por reflexión por debajo de -12,5 dB en la banda de trabajo entre 30 y 40 GHz. Fig. 4.9 Pérdidas por reflexión y transmisión simuladas con el HFSS. 33 Los resultados simulados con Momentum se muestran en la Fig. 4.10, se han conseguido con los puentes a una altura de 500 µm. Las pérdidas por transmisión en los puertos de salida son de -3,47 dB (S21) y -3.39 dB (S31), la pérdida por retorno en el puerto de entrada está por debajo de -10 dB en la banda de 30 a 40 GHz. El aislamiento entre los puertos de salida se encuentra también por debajo de -10 dB. (a) (b) Fig. 4.10 Respuesta en frecuencia del divisor usando puentes de 500 µm de altura. (a) (S11), (S21) y (S31), (b) (S32). 34 4.3. Bibliografía [1] Pozar, D. M., “Power Dividers and Directional Couplers”, Cap. 7 en Microwave Engineering Fourth Edition, John Wiley & Sons, Inc., pp. 317379, Hoboken, New Jersey, 2012. [2] Wilkinson E., “An N-Way Hybrid Power Divider”, IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-8, pp. 116-118, January 1960. 35 CAPÍTULO 5. TRANSICIÓN CPW-SLOTLINE 5.1. Introducción Los dos componentes expuestos en los capítulos 3 y 4, el desfasador y el divisor de potencia, deben ser conectados tanto en la entrada como en la salida del discriminador de microondas. Estos dos diseños están basados en diferentes tipos de líneas de transmisión, por un lado el desfasador está realizado con una línea ranurada o slotline y por otro el divisor de potencia está hecho con líneas coplanares. Es por este motivo que se hace imprescindible la utilización de una transición CPW-slotline para conectar ambos diseños. Estas transiciones no solo sirven para el objetivo comentado anteriormente sino que también se utilizan para realizar diferentes aplicaciones en sistemas de comunicaciones de RF. En [1] se propone el uso de una de estas transiciones para el diseño de una antena de tipo slot, que proporcionará una red de área local inalámbrica (WLAN). En [2], se proponen varias tipologías de transición CPW-slotline como muestra la Fig. 5.1. Cada una de estas transiciones tiene ventajas y desventajas, para el diseño y construcción de circuitos integrados de microondas. Las propiedades que se buscan con estas transiciones son: un ancho de banda amplio, bajas pérdidas por transmisión, bajas pérdidas por retorno, fácil fabricación para reducir los costes de producción y tamaño reducido para facilitar su integración con otros dispositivos, como baluns, amplificadores, mezcladores y antenas de tipo slot. Fig. 5.1 Seis tipos de transiciones CPW-slotline. Fuente [2] 36 5.2. Diseño Transición CPW-slotline La transición CPW-slotline tiene como objetivo la unión y adaptación de los accesos del desfasador con el divisor de potencia y viceversa. La transición une un puerto del divisor de potencia con el puerto del desfasador. El diseño escogido para su realización es una modificación de las transiciones presentadas en [3]. En esta configuración se deja una de las ranuras de la línea coplanar (CPW) del puerto del divisor en circuito abierto. La desventaja que presenta este diseño es que su circuito abierto puede producir pérdidas por radiación. En primer lugar, se toma las medidas del puerto del divisor como son el ancho del conductor central de 111 µm y su ranura de 5 µm. Por la parte del desfasador se usará el ancho de su ranura de 9 µm. Se realiza la conexión CPW-slotline de ambos puertos como se muestra en la Fig. 5.2. El tamaño del diseño es 247.3 µm de ancho y 410.8 µm de alto. En términos de longitud de onda el tamaño es aproximadamente es 0.043λ. Fig. 5.2 Transición cpw-slotline. A continuación, se define la banda de operación del circuito y se usará un mallado de 950 celdas por longitud de onda. Las capas de material usadas en la simulación son: el conductor de oro de espesor 3 µm, el puente de conexión (airbridge) de ancho 20 µm y una altura de 10 µm y por último el dieléctrico de cuarzo de espesor 500 µm, tal como se observa en la Fig. 5.3. 37 Fig. 5.3 Capas de material usadas para simular la transición. 5.2.1. Pérdida por Retorno La Fig. 5.4 muestra la pérdida por reflexión (S11) simulada en la entrada de la transición. Al igual que para los otros dos componentes, se ha conseguido una baja reflexión que está por debajo de -28 dB en la banda de operación de 30 a 40 GHz. Fig. 5.4 Pérdida por reflexión de la transición. 38 5.2.2. Pérdida por Transmisión La Fig. 5.5 muestra las pérdidas por transmisión (S21) en el puerto de salida de la transición. Se tiene un valor comprendido entre -0,04 dB y -0,2 dB para la banda de 30 a 40 GHz. Por lo tanto, la señal proveniente del divisor de potencia pasará con pocas pérdidas hacia el desfasador y viceversa, habiendo muy poca pérdida introducida por la transición. Fig. 5.5 Pérdida por transmisión de la transición. 39 5.3. Bibliografía [1] Yue Li, Zhijun Zhang, Wenhua Chen y Zhenghe Feng, “Polarization Reconfigurable Slot Antenna with a Novel Compact CPW-to-Slotline Transition for WLAN Application”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 9, pp. 252-255, 2010. [2] Zhang Yun-chuan, Wang Bing-zhong, “Advances in Developing Transitions in Microwave Integrated Circuits”, Journal of Electronic Science and Technology of China, Vol. 3, No 1, pp. 40-44, March 2005. [3] Gillick, M. y Robertson, I. D., “Accurate Modelling of an Ultra-Wideband MMIC CPW-to-slotline Transition”, Microwave Conference Asia Pacific, Vol. 1, pp. 279-282, August 1992. 40 CAPÍTULO 6. CONCLUSIÓN Y TRABAJO A FUTURO 6.1. Conclusión En este trabajo se ha diseñado un desfasador MEMS de 180º, un divisor de potencia que también puede actuar como combinador de potencia y una transición CPW-slotline. Estos 3 componentes se han llevado a cabo mediante el uso de líneas de transmisión coplanar y slotline. Al implementar el discriminador de microondas reconfigurable con esta tecnología, el circuito tiene un tamaño de 8 mm de ancho y 2.5 mm de alto aproximadamente. En términos de longitud de onda el tamaño es 1.37λ. Permite un bajo consumo de energía y un coste de fabricación reducido. En un principio, se planteó diseñar el desfasador formado por una línea ranurada sobre un sustrato de vidrio pero debido a que este material presenta mayores pérdidas comparado con el cuarzo, se decidió trabajar con este último dieléctrico para conseguir menores pérdidas en el diseño. También es importante recalcar que para el diseño de la línea ranurada, fue necesario tener en consideración el radio del meandro, el ancho y longitud de la línea, pues cada una de estas características físicas varía la fase que se desea obtener, del mismo modo que altera las pérdidas de retorno y trasmisión que deben ser optimizadas para su correcto funcionamiento. Para el diseño del divisor de potencia fue muy importante ajustar las longitudes de las líneas de las dos etapas de derivación y la altura de los puentes de conexión, con el objetivo de lograr una buena adaptación de impedancia en sus puertos y una adecuada pérdida de inserción en sus puertos de salida. El diseño de la transición CPW-slotline, es especialmente importante porque debe aportar las mínimas pérdidas cuando realice la unión y adaptación de los puertos del desfasador y el divisor de potencia. En conclusión, este proyecto demuestra la viabilidad del uso combinado de la tecnología uniplanar junto con la reconfigurabilidad que nos aporta la tecnología MEMS para el diseño de un discriminador de microondas, componente principal utilizado en la posterior creación de un receptor medidor de frecuencia reconfigurable (RFM). 41 6.2. Trabajo a futuro El objetivo de este proyecto ha sido diseñar cada uno de los componentes que constituye un discriminador de microondas reconfigurable, un desfasador de 180º, un divisor/combinador de potencia y una transición CPW-slotline. El siguiente proyecto a realizar, será la unión de cada uno de estos componentes y obtener el correcto funcionamiento del discriminador para llevar a la práctica el RFM. En primer lugar, se debe proceder a unir el desfasador de 180º con las transiciones en su puerto de entrada y salida y comprobar que la señal no se ve alterada por la colocación de las transiciones. A continuación, se unirá el divisor y el combinador de potencia en cada extremo de las transiciones. Utilizando una línea de referencia de longitud λ/2, se simulará el comportamiento de todo el circuito y se realizarán los ajustes necesarios para obtener dos bits que se usarán para la identificación de frecuencias desconocidas. Cabe destacar que la integración de todos los componentes, puede provocar una desviación en la fase del desfasador e incluso alterar las pérdidas de retorno y transmisión del mismo. Por lo tanto, hay que revisar el correcto funcionamiento del desfasador para su implementación e integración en el diseño del RFM. Una vez diseñado todo el circuito y que proporcione los resultados deseados en la banda de operación, se procederá a su construcción. Su fabricación se llevará a cabo mediante una implementación utilizando la tecnología MEMS. Por último, se integrará este diseño junto al resto de componentes electrónicos que componen el medidor de frecuencia reconfigurable, como son la antena, amplificadores, detector y un convertidor analógico/digital. Una vez construido e integrados todos estos componentes se deben realizar medidas de laboratorio y se corroborarán los resultados teóricos.