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Todo empieza con un sueño: el phased array…

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Módulo T/R… lo pasamos rápido…

Todo empieza con un sueño: el phased array…

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Todo empieza con un sueño: el phased array…

Todo empieza con un sueño: el phased array…

Nuestro pequeño aporte…

Conceptos y aplicaciones
Desplazador de fase
Un desplazador de fase es un circuito que recibe una señal de
entrada y cambia el valor de su espectro de fase.

Vin (s)

f

Vout (s)  Vin (s)  e jf( f)

Entradas de control

La mayoría de estos circuitos tienen una o más entradas
analógicas o digitales que permiten cambiar el valor del
desplazamiento de fase que se produce.
 V (s) 
  out 
 Vin (s) 

Estado 1

 V (s) 
  out 
 Vin (s) 

Estado 1
Estado 0

Estado 0

f

f

Diseño Layout y
Maquinado

5

Simulación

4

Diseño

3

Especificaciones

2

1

Conceptos y aplicaciones
Ciclo de trabajo para RF MEMS

Medición,
Caracterización
y Modelado

De la nada al desplazador de fase….

¿Como hacemos un desplazador de fase?

Hay muchas formas… pero nosotros vamos a
necesitar para hacer un desplazador con
topología reflectiva:
1) Switches
2) Un acoplador direccional
3) Líneas de transmisión

Tipos de switches

Switch SERIE

Switch SHUNT

Il nostro switch…

Il nostro switch…

Dos estados de actuación…

Por la medición a la verdad…

1

2

2

2
2

1

1

0

0
-5

-1
-15

-2

ISOLATION [dB]

INSERTION LOSS [dB]

-10

-3

-4

-5

-20
-25
-30
-35
-40
-45

-6

S21 Medición
S21 Simulación

S21 Medición
S21 Simulación

-50

-7

-55
0

5

10

15

20

25

FREC [GHz]

30

35

40

45

0

5

10

15

20

25

FREC [GHz]

30

35

40

45

Por la medición a la verdad…
0
-5
-10

ISOLATION [dB]

-15
-20
-25
-30
-35
-40

MAG S21 [dB] Wafer 12
MAG S21 [dB] Wafer 14
MAG S21 [dB] Wafer 19

-45
-50
0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

FREC [GHz]

0

0

-5

-5

-10
-10

-15

ISOLATION [dB]

ISOLATION [dB]

-15
-20
-25
-30
-35

-45

5

10

15

20

25

FREC [GHz]

30

35

40

-30
-35
-40

-50

MAG S21 [dB] Wafer 12
MAG S21 [dB] Wafer 14
MAG S21 [dB] Wafer 19

-55
-60

-50
0

-25

-45

MAG S21 [dB] Wafer 20
MAG S21 [dB] Wafer 19
MAG S21 [dB] Wafer 14
MAG S21 [dB] Wafer 12

-40

-20

45

0

5

10

15

20

25

FREC [GHz]

30

35

40

45

Factor de alejamiento
n

Fa 


0

S

21n

 S 21av

S 21av
S 21max

 S

21min

Laboratorio MicroLAB (UNSAM)

Comparación entre laboratorios

MAG S11 TESTLINE 11
-10

MAG(S11) [dB]

-20

-30

-40
DB(|S(1,1)|)
TestLine 11 IMM-ROMA
DB(|S(1,1)|)
TestLine 11 UNSAM 8/2/2011

-50

DB(|S(1,1)|)
Modelo QuasiEstático

-60
0

5

10

15
20
25
Frequency (GHz)

30

35

40

Acoplador direccional
¿ Qué es un acoplador direccional?
Pot = 1

1

2

Input

Thru’

Pot = 1 - k

Acoplador Direccional
Pot = k

4

3

Coupled

Isolated

Impedancia del Sistema = Z0

Pot = 0

Acoplador direccional
¿ Qué es un acoplador direccional?
Pot = 1-k

1

2

Pot = 1

Input

Thru’
Acoplador Direccional
Pot = 0

3

4

Isolated

Coupled

Impedancia del Sistema = Z0

Pot = k

Acoplador direccional
¿ Qué es un acoplador direccional?
Pot = 1 Pot = 1 - k

Pot = 1-k Pot = 1
1

2
Línea Tx

Línea Tx
Acoplador Direccional
Pot = k

4

3

Impedancia del Sistema = Z0

Pot = k

Acoplador direccional
Un acoplador direccional de 3dB es un circuito de cuatro puertos
con alto grado de simetría que se comporta:
V1  1 0o

V2 

1
INPUT

Acoplador Direccional
3dB

ISOLATED
4

Impedancia
característica Zo

V4  0

2
THRU

2
90 o
2

COUPLED
3
2
V3 
180o
2

Impedancia del Sistema = Z0

V1 
0 j 1 0  V1 
 
 j 0 0 1 
V2   1 
 V2 

V3 
2  1 0 0 j  V3  Matriz de
 

 
V4 
0 1 j 0  V4  Parámetros S

Acoplador direccional
Si el circuito está adaptado…

1

V 1 0


4

V2+

o

Acoplador Direccional
3dB

2
THRU

ISOLATED
4

Impedancia
característica Zo

COUPLED
3


4

V 

1
2

V3

+

2
90 o
2

V3 

2
180o
2

V2-

1
INPUT

V 0

V2 

V3-

(V2  jV3 )

V1 
0 j 1 0  V1 
 

 
V2   1  j 0 0 1  V2 

V3 
2  1 0 0 j  V3 
 

 
V4 
0 1 j 0  V4 

Matriz de
Parámetros S

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
La topología en general de un desplazador de fase reflectivo es:

1

1
INPUT

Acoplador Direccional
3dB

OUTPUT
4

Impedancia
característica Zo

2
Z1

2

3
Z2

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Implementaciones posibles para Z podrían ser:

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Diagrama de Smith: Carga reactiva pura



||=1
0<()<360°

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Con el circuito cargado…
Un enfoque fasorial
2
V 
90 o
2

2

V2 

2
90 o   1
2

reflexión
(1)

2
V 
180o
2

3

2
V 
180o   2
2

jV3+


3

V2+
reflexión

(2)

-90°- [(1)+  (2)]/2

V4-

V4 

1
2

(V2  jV3 )

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Con el circuito cargado…
Un enfoque fasorial
2
V 
90 o
2

2

V2 

2
90 o   1
2

reflexión

V3+
(1)

2
V3 
180o
2

 (2)
(1)

2
V3 
180o   2
2
reflexión

jV2+

(2)

V1 

1
2

(jV2  V3 )

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Con el circuito cargado…
Un enfoque analítico
Partimos de:

 
V1

 
V2


V 
 3

V 
 1






j
2
j
2
1
2
1
2

V2 
V1 
V1 
V2 

1
2
1
2
j
2
j
2

V3
V4
Y de:

V4
V3

Ecuaciones del
acoplador direccional

 V2
Z1  Z0



 
1
Z 1  Z0
 V2
 
 V3    Z 2  Z0
2
 V
Z 2  Z0
 3
Condiciones de
contorno impuestas
por las cargas

Para llegar a…

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Pasemos a analizar el dispositivo, ahora transformado en un
circuito de dos puertos...
 
 2  1    2  1  
V


j
 1
 2  V1  j  2  V4






V    j   1   2  V   j   2   1  V 
 2  1
 2  4
 4




O en forma matricial:
2  1 
 2  1

j

j


2
2

S   






 j 1
2
1 
j 2

2
2 

Analizamos la matriz anterior:
Si queremos adaptación a la entrada y salida:

S 11  S 22  0 
2  1  
Luego, con esta restricción la matriz S quedará:

 0  j 
S   


j

0


Y el desplazamiento de fase entre entrada y
salida será:

 V2 

  S 21          j       
2
 V1 

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
En base a las ecuaciones anteriores concluímos:
1) La fase se cambia haciendo variar la fase de los coeficientes de
reflexión de las cargas (vale decir su valor).
2) La fase de los coeficientes de reflexión de ambas cargas debe
ser igual para poder obtener un mejor acople (bajo ROE).

Acoplador direccional
Todo muy lindo… pero ¿ cómo lo hago ?
¿ Cómo hago un acoplador direccional?
1

2
Input

Thru’
Acoplador Direccional
3

4

Isolated

Coupled

Impedancia del Sistema = Z0

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
¿ Cómo hago un acoplador direccional?

/4
INPUT

1

COUPLED 3
2 THRU
4

ISOLATED

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Requerimientos de diseño
•Nivel de acople de 3dB

/4
Input
Coupled 3

1
2 Thru
Isolated
4

•Tamaño reducido
•Adaptación mayor a 20dB (<0,01)
•Salidas ‘thru’ (2) y ‘coupled’ (3) del mismo lado de la estructura

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Requerimientos de diseño
•Nivel de acople de 3dB
/4
1
3
2
4

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Requerimientos de diseño
•Nivel de acople de 3dB
/4
1
3
2
4

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Requerimientos de diseño

PROBLEMA: Incertidumbre del proceso
de micromaquinado (d)

•Nivel de acople de 3dB
(MUY COMPROMETIDO…)
d  d
•Salidas ‘thru’ (2) y ‘coupled’ (3) del mismo lado
(NO SE CUMPLE)
1
3
2
4

d

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
¿Por qué no…?
Input

1

2
Coupled

Thru’

3
4

Isolated

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Requerimientos de diseño
•Nivel de acople de 3dB
(POSIBLE…)
•Salidas ‘thru’ (2) y ‘coupled’ (3) del mismo lado
(SE CUMPLE)
Input
Coupled

3

1
C

2

4
Thru’

Isolated

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Análisis

1
3

C

4

2

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Análisis: Modo Par

+
~
+
~

Impedancia característica de modo par = Zoe

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Análisis: Modo Impar

+
~
~
+

Impedancia característica de modo impar = Z’oo

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
¿Y entonces…?
El acoplamiento estará dado por:

Zoe  Z'oo
1
'
k
, con Zoo 
Zoo ,   CZoo
'
Zoe  Zoo
1
Para aumentar el acoplamiento ‘k’ será necesario:

k

Zoe  Z'oo 
Zoe  Z

'
oo



, con Z 
'
oo

1  
1  

Zoo ,    C  Z oo

IEEE Xplore: “A MEMS X Band Capacitive Coupler Directional Coupler”
Larosa F. S., Fuentes L. A., Bonaparte J.J.
EAMTA 2010

Acoplador direccional
Avanzando hacia el desplazador…
Restricciones al aumento de C
•Al incrementar el valor de C:

Acoplador direccional
Diseñando la estructura
Objetivos del diseño de la estructura

•Lograr un espacio entre
líneas mayor a las
incertidumbres del proceso
de micromaquinado
•Evitar que la estructura se
vuelva muy ancha

Vista en corte

Acoplador direccional
Diseñando la estructura
Del esquemático a la estructura…

Se diseña el acoplador que resultaría de sacar el
capacitor al modelo final

Zsistema = 50Ω

Zsistema = 54Ω

Acople = -3dB

Acople = -3,5dB

Zoe = 120,7Ω

Zoe = 120,7Ω

Zoo = 20,71Ω

Z´oo = 24Ω