Circuitos osciladores de microondas
Actualmente los circuitos generadores de señal en el rango de las microondas utilizan transistores como dispositivos activos. En este artículo, después de presentar los principales parámetros característicos de un oscilador y los conceptos de la teoría de oscilación que han de ser tenidos en cuenta en su diseño, se dedica especial atención a la minimización del ruido de fase con el fin de obtener un circuito oscilador estable con gran pureza espectral para una potencia elevada de salida.
Se puede considerar que la idea de generar una onda electromagnética como señal para comunicaciones proviene de las primeras emisiones de radio realizadas por Hertz y Marconi en 1887 y 1890, para las que utilizaban generadores de centelleo. Ya en esta época el espectro de emisión, muy ancho, llegaba hasta las microondas. En 1894, Sir Oliver Lodge acopló un tubo metálico a un generador de centelleo y comprobó que la radiación emitida poseía unas propiedades directivas muy particulares. Sin embargo hay que esperar hasta los años 20 para encontrar las primeras experiencias de aplicación de las microondas en las telecomunicaciones, llevadas a cabo, fundamentalmente, por George Southworth en Bell Telephone Laboratories en Estados Unidos, estando sus trabajos orientados al estudio de propagación guiada. Pero el verdadero desarrollo de las microondas está íntimamente ligado a la evolución del radar durante la II Guerra Mundial, principalmente en Inglaterra y en Estados Unidos. Por ello no es de extrañar que los primeros generadores de microondas se desarrollaran específicamente para ellos. Inicialmente se utilizaron tubos de vacío y posteriormente, con el fin de obtener una detección precisa, se emplearon bandas de frecuencias cada vez más elevadas, lo que condujo al desarrollo del magnetrón.
El Klystron fue inventado en 1935 por los hermanos Russell y Sigurd Varian. Después fueron desarrollados otros tipos de generadores de microondas, como el tubo de ondas progresivas. Hacia los años 1960 tiene lugar otra gran evolución de la tecnología de los generadores de señales: empiezan a aparecer elementos activos basados en semiconductores que van reemplazando poco a poco a los tubos de vacío como fuentes de señal a baja y media potencia. El primero de estos dispositivos fue el diodo Gunn, y posteriormente, se introdujeron otros tipos de diodos que hacen uso de los fenómenos de avalancha, de la reducción de los tiempos de tránsito o del efecto túnel. Durante los años 70 los diodos empiezan a poder ser reemplazados por transistores, bipolares o FETs. Junto con el gran cambio habido en los elementos activos utilizados en los circuitos generadores de microondas, los elementos pasivos y de transmisión han sufrido una evolución similar. En 1956 aparece el primer elemento pasivo lineal no recíproco: un girador de ferrita inventado por C. Lester Hogan. Numerosos aisladores y circuladores de ferrita fueron desarrollados a continuación y utilizados como elementos de protección, de desacoplo y de control en gran cantidad de circuitos de microondas. Una gran evolución se ha seguido también en los medios utilizados para la transmisión de las señales, sobre todo para bajas y medias potencias, donde la utilización de guías de ondas metálicas va desapareciendo en favor de los circuitos con líneas «microstrip» o «strip-line» fabricadas mediante las técnicas de circuitos impresos.
Por último, y en lo que se refiere a la historia de los avances tecnológicos en el campo de las microondas, no debe olvidarse que el primer satélite de telecomunicaciones, Telstar, fue lanzado en 1962, y tres años más tarde, en 1965, aparece el primer satélite geoestacionario Early Bird. Hoy en día, es innumerable la cantidad de satélites que tenemos alrededor de la Tierra, y con la llegada de la era multimedia y la telefonía móvil un tema candente es la elección de una plataforma de satélites que haga viable, de forma óptima, las amplias posibilidades que ofrecen las telecomunicaciones en la actualidad. Los circuitos osciladores, y particularmente aquellos cuya señal pertenece al rango de las frecuencias de microondas y ondas milimétricas, son ampliamente utilizados en la actualidad en las fuentes de transmisión de información y como osciladores locales: telefonía móvil, sistemas digitales de alta velocidad, transmisiones vía satélite, radar, etc., y en general, en todos los sistemas de telecomunicaciones y navegación analógicos y digitales.
Muy bajo ruido, potencia de salida elevada, gran pureza espectral, alta estabilidad, bajo coste, pequeño tamaño y fiabilidad son parámetros que hay que optimizar constantemente de acuerdo con las nuevas necesidades del mercado. Con el rápido avance de la tecnología se requiere una nueva adecuación tanto de los útiles de trabajo como de la filosofía de concepción y desarrollo de circuitos que aprovechen eficientemente estos progresos. De esta manera, una vez conocidos los principales parámetros que definen la caracterización del oscilador deben analizarse los distintos procedimientos que actualmente se utilizan para la obtención de las condiciones de oscilación en un circuito electrónico cualquiera, para posteriormente utilizar alguno de los principales métodos de diseño asistido por ordenador (CAD) usados en la concepción y diseño de estos circuitos.
Teoría de oscilación
La teoría de oscilación que se presenta está restringida al estudio de los denominados osciladores libres(free-running oscillators), esto es, aquellos circuitos que generan energía electromagnética cuando no existeninguna fuente externa de RF aplicada a los mismos.Estos circuitos suelen estar fabricados a partir de dispositivos de estado sólido.Existen distintos tratamientos para el estudio de la generación de señal por circuitos electrónicos, entre los cuales los más utilizados son los osciladores de resistencia negativa y el método de lazo abierto.
-Osciladores de resistencia negativa
De una manera general y simplificada, se puede considerar que un circuito oscilador está compuesto por dos subcircuitos (fig. 1): uno totalmente pasivo y otro en el cual se encuentra el dispositivo activo. que proporciona la energía necesaria para mantener la oscilación que en el estado estacionario debe ser uniforme en amplitud, frecuencia y fase.
-Condiciones de oscilación mediante la utilización de coeficientes de reflexión
El tratamiento anterior utiliza voltajes, corrientes e impedancias, magnitudes que, generalmente, no pueden ser directamente medidas a las frecuencias de microondas. Por este motivo muchos diseñadores prefieren trabajar con valores de coeficientes de reflexión que son fácilmente extraibles de los aparatos de medida y más manejables para los diseños cuando se utiliza el diagrama de Smith.
-Método de lazo abierto
Los métodos clásicos de diseño de osciladores no permitían estudiar el comportamiento interno del transistor con detalle, se limitaban a controlar la frecuencia de oscilación y a optimizar la potencia de salida disponible.
El método de lazo abierto aplicado a la concepción de circuitos (figura 5) se basa en la consideración del sistema a estudiar como un circuito formado por un amplificador más una realimentación positiva. VIN y VOUT representan respectivamente las tensiones de entrada y salida del amplificador unilateral.
El método de lazo abierto se basa, como su nombre indica, en abrir el lazo para descomponer el oscilador en los dos elementos básicos que lo componen: bloque de ganancia y bloque de filtro o realimentación, de modo que cada puerta presente la misma impedancia que se vería en operación normal (lazo cerrado). Como consecuencia de ser el transistor un dispositivo bidireccional (S12 ¹ 0) el principal problema es la determinación exacta de la impedancia de entrada del amplificador que dependerá, lógicamente, de la carga que soporte. El cálculo de esta impedancia no es fácil de realizar.
En general se asume que cuando el producto S12 · S21 sea bajo (cero idealmente) no se verá afectada por la carga. Pero este no es el caso más usual. Para determinar la frecuencia de oscilación y potencias del circuito se recurre a la construcción de una cadena con un número adecuado de elementos (amplificador + realimentación) repetidos. Como resultado, la carga que ve el amplificador está muy próxima a la que realmente presenta el circuito, incluso la última etapa suele estar cargada con una impedancia aproximada a la de entrada del amplificador. A partir de estas ideas se pueden realizar análisis lineales y no lineales de la cadena abierta, análogos a los que se utilizan para amplificadores. El criterio de Barkhausen puede aplicarse en pequeña señal para obtener la ganancia en voltaje de las partes lineal y no lineal en un determinado punto del circuito total, teniendo en cuenta que para que se inicie la oscilación el producto de ambas ganancias tiene que ser ligeramente mayor que la unidad con fase nula a la frecuencia deseada. Para optimizar el funcionamiento no lineal se alimenta el conjunto con una fuente de potencia con contribuciones en torno a la frecuencia de oscilación deseada y sus primeros armónicos, para posteriormente optimizar el comportamiento de la cadena según las prestaciones que se deseen obtener.
Este método permite, de una manera no excesivamente complicada, controlar la frecuencia de oscilación y las potencias obtenidas a partir de la utilización de distintas redes de realimentación. La limitación fundamental de este método se centra en el aumento del valor de S12 a frecuencias muy elevadas que conlleva un aumento en la imprecisión de los resultados obtenidos. Para solventar estas limitaciones, en los últimos años se han desarrollado versiones más avanzadas, de manera que se pueda evaluar exactamente el factor de realimentación F(s). Considerando la, puede intuirse que para un nivel de potencia suficientemente alto del generador independiente en la entrada se tendrá una saturación de las últimas etapas, con lo que PinN-1=PinN. Para una etapa amplificadora típica, si el número de células que se repiten es suficientemente elevado, la ganancia de gran señal de la última etapa será siempre igual a 1 para cualquier nivel del generador de entrada, independiente, de la frecuencia de excitación. Un estudio detallado de esta última afirmación puede obtenerse a partir de la característica típica Pout – Pin de una sola etapa. Para ello basta estudiar la respuesta de la etapa: para niveles bajos de potencia de entrada. y para niveles altos de potencia de entrada. De la observación de ambas gráficas puede concluirse que el punto de ganancia igual a 1 de las curvas es un punto fijo de transformación Pout = f(Pin), siempre que se interconecten un número suficiente de etapas.
El razonamiento anterior es válido siempre que la curva Pout = f(Pin) presente una forma similar a la expuesta en las gráficas anteriores, que son el caso más usual. No obstante pueden presentarse otros casos. Cuando la característica en potencia de una etapa amplificadora adopte la forma de la figura 12 se tienen tres comportamientos distintos, según el valor del módulo de la pendiente de la característica en potencia en el punto de intersección con la recta Pout=Pin:
a) Si |pendiente| < 1 se demuestra que existe una convergencia de la respuesta de la etapa hacia el punto de ganancia 1.
b) Si |pendiente| = 1 existen dos puntos de convergencia, sea cual sea el nivel de potencia inyectada en la entrada. La convergencia va, alternativamente, hacia uno u otro punto, lo que conlleva a una inestabilidad del sistema. Este efecto es utilizado para el diseño de divisores de frecuencia por el método de lazo abierto.
c) Si |pendiente| > 1 no existe convergencia hacia ningún punto de funcionamiento sea cual sea el nivel de potencia de entrada.
Como conclusión, y desde un punto de vista práctico para el diseño, habrá que elegir una característica de potencia que permita la convergencia hacia el punto Pout = Pin. Para ello se actuará sobre la polarización del transistor y, dado que la frecuencia de oscilación deseada suele estar predeterminada, se procederá al ajuste de la red de realimentación de forma que se tenga:
Pablo Jose Mago Vazquez
C.I. 18146112
EES
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