En esta ocasión, explicaremos en detalle el proceso de diseño de un Filtro de Paso Bajo (LPF) para comunicación en la banda Sub-GHz (915MHz) utilizando QucsStudio.
Paso 1: Establecimiento del Rendimiento Objetivo
Para enviar ondas de radio más lejos, utilizamos un amplificador para amplificar la señal. Para mejorar la eficiencia energética durante la amplificación, es deseable amplificar la señal aprovechando al máximo la región lineal del amplificador.
Sin embargo, al buscar eficiencia energética, la señal puede distorsionarse parcialmente, generando componentes armónicos de n veces. Estos componentes armónicos pueden afectar negativamente a otros sistemas inalámbricos, por lo que es necesario suprimirlos por debajo de los estándares basados en las regulaciones de radio de cada país. Por lo tanto, es común atenuar estos componentes armónicos con un LPF.
En esta ocasión, diseñaremos un LPF que permita el paso de la banda Sub-GHz mientras atenúa frecuencias superiores, utilizando inductores y capacitores.
En el diseño real, es necesario diseñar el filtro individualmente según las características del dispositivo utilizado y el nivel armónico objetivo.
Como un ejemplo específico, nuestro objetivo es lograr un rendimiento equivalente al LPF laminado de TDK, DEA100915LT-6319A1, y establecemos los siguientes indicadores de rendimiento.
- Pérdida de inserción: Por debajo de 0.5dB (824-915MHz)
- Atenuación: Por encima de 18dB (1648–1830MHz)
Paso 2: Diseño Inicial del LPF Utilizando la Herramienta de Síntesis de Filtros
QucsStudio incluye una herramienta de Síntesis de Filtros que genera automáticamente diseños de filtros. Utilizaremos esta herramienta para realizar el diseño inicial de un filtro que cumpla con el rendimiento objetivo.
Usando la Síntesis de Filtros, diseñaremos un LPF tipo Butterworth bajo las siguientes condiciones:
Orden: 6º
Frecuencia de corte: 1.1GHz
El filtro creado cumple con las características objetivo como se ha confirmado.
Paso 3: Aplicación de Valores de Componentes Reales y Confirmación del Rendimiento
Con valores cercanos a las constantes en los resultados del diseño inicial, seleccionamos inductores y capacitores disponibles en el mercado y cambiamos a las siguientes constantes para verificar el rendimiento del filtro.
- L1: 10.23nH ⇒ 10nH
- L2: 13.94nH ⇒ 14nH
- L3: 3.745nH ⇒ 3.7nH
- C1: 1.498pF ⇒ 1.5pF
- C2: 5.59pF ⇒ 5.6pF
- C3: 4.092pF ⇒ 4.1pF
Las características todavía cumplen con el objetivo.
Paso 4: Consideración de Tolerancias con Análisis de Monte Carlo
Los componentes reales, como capacitores e inductores, tienen variaciones dentro de los rangos definidos por las tolerancias, y se realiza un análisis de Monte Carlo para evaluar el impacto de estas variaciones en el rendimiento del filtro.
Generalmente, capacitores, inductores y otros componentes tienen líneas de productos con diferentes tolerancias. Reducir el rango de tolerancias aumenta el costo de los componentes. Por lo tanto, es deseable utilizar componentes con tolerancias más amplias si no representan un problema en el rendimiento.
Primero, realizaremos un análisis de Monte Carlo bajo las condiciones de tolerancia más amplias para verificar las características.
- L1: 10nH±5%
- L2: 14nH±5%
- L3: 3.7nH±0.2nH
- C1: 1.5pF±0.25pF
- C2: 5.6pF±0.25pF
- C3: 4.1pF±0.25pF
Suponiendo una distribución normal para las variaciones de los componentes, el análisis se realiza con la mayor variación como 4σ. Por ejemplo, para 10nH, 4σ es 5%, por lo que σ = 1.25%.
Al considerar estos rangos de variación en la simulación, se hace evidente el peor escenario.
915MHz -0.481 ⇒ -0.695dB
1650MHz -20.9 ⇒ -19.9
Si la variación es demasiado grande, se puede mejorar cambiando las tolerancias de los componentes, por ejemplo, inductores a ±3%, capacitores a ±0.1pF. Considere esto según las características objetivo en el diseño real.
Conclusión
A través del detallado proceso de diseño de LPF utilizando QucsStudio, hemos introducido un método para diseñar un filtro que atenúa efectivamente armónicos en la banda Sub-GHz. Aprovechando las poderosas funciones de simulación y herramientas de análisis de QucsStudio, es posible realizar un diseño de filtro cercano al ideal.
El LPF diseñado y el DEA100915LT-6319A1 objetivo también se pueden comparar usando parámetros S.
Rojo: LPF diseñado en la simulación
Azul: DEA100915LT-6319A1
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