Lo que aprenderás
- Por qué se necesita un LPF en comunicaciones Sub-GHz (supresión de armónicos)
- Procedimiento de diseño inicial del LPF con la herramienta Filter Synthesis de uSimmics (anteriormente QucsStudio)
- Sustitución de valores ideales por valores de componentes comerciales y verificación del rendimiento
- Evaluación del impacto de las tolerancias de componentes con análisis de Monte Carlo
- Compromiso entre coste y rendimiento en la selección del grado de tolerancia
Paso 1: Definición del rendimiento objetivo
Por qué se necesita un LPF
Para transmitir señales a larga distancia se utilizan amplificadores. Al maximizar la eficiencia de potencia, las señales se distorsionan parcialmente y se generan componentes armónicas a múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Estas componentes armónicas interfieren con otros sistemas de radio, por lo que las regulaciones de radiocomunicaciones de cada país exigen que se mantengan por debajo de los valores límite establecidos. El filtro paso bajo (LPF) es la solución estándar para dejar pasar la banda de interés y atenuar los armónicos.
Especificaciones de diseño
En este ejemplo se fija como objetivo un rendimiento equivalente al LPF multicapa TDK «DEA100915LT-6319A1»:
| Parámetro | Objetivo | Rango de frecuencias |
|---|---|---|
| Pérdida de inserción | ≤ 0,5 dB | 824–915 MHz |
| Atenuación | ≥ 18 dB | 1648–1830 MHz |
Paso 2: Diseño inicial con Filter Synthesis
uSimmics (anteriormente QucsStudio) incluye la herramienta Filter Synthesis para generar automáticamente circuitos de filtro. Con ella se realiza el diseño inicial del filtro para cumplir las especificaciones objetivo.
Referencia: Guía de Filter Synthesis
Configuración de Filter Synthesis
Se diseña un LPF de tipo Butterworth (máxima planitud) con los siguientes parámetros:
- Tipo de filtro: Butterworth LPF (característica de máxima planitud, rizado mínimo en la banda de paso)
- Orden: 6
- Frecuencia de corte: 1,1 GHz
Los valores de L y C generados automáticamente por Filter Synthesis son:
| Componente | Valor calculado |
|---|---|
| L1 | 10,23 nH |
| L2 | 13,94 nH |
| L3 | 3,745 nH |
| C1 | 1,498 pF |
| C2 | 5,59 pF |
| C3 | 4,092 pF |
La verificación por simulación confirma que el filtro generado cumple las especificaciones objetivo.
Paso 3: Sustitución por valores de componentes comerciales
Los valores calculados se redondean a los valores estándar de inductores y condensadores comerciales y se verifica de nuevo el rendimiento:
| Componente | Valor calculado | Valor adoptado |
|---|---|---|
| L1 | 10,23 nH | 10 nH |
| L2 | 13,94 nH | 14 nH |
| L3 | 3,745 nH | 3,7 nH |
| C1 | 1,498 pF | 1,5 pF |
| C2 | 5,59 pF | 5,6 pF |
| C3 | 4,092 pF | 4,1 pF |
Los resultados de simulación confirman que incluso tras redondear a valores estándar de componentes reales se siguen cumpliendo las especificaciones objetivo.
Paso 4: Evaluación de tolerancias con análisis de Monte Carlo
Los condensadores e inductores reales presentan variaciones dentro del rango especificado por su tolerancia. Para evaluar el impacto de estas variaciones en el rendimiento del filtro se realiza un análisis de Monte Carlo.
Referencia: Cómo ejecutar análisis de Monte Carlo
Condiciones del análisis
En general, los condensadores e inductores se comercializan en distintos grados de tolerancia. Cuanto más estrecha es la tolerancia, mayor es el coste del componente, por lo que es preferible usar componentes de tolerancia amplia siempre que el rendimiento lo permita.
Se realiza primero el análisis de Monte Carlo con las tolerancias más amplias:
| Componente | Valor | Tolerancia |
|---|---|---|
| L1 | 10 nH | ±5% |
| L2 | 14 nH | ±5% |
| L3 | 3,7 nH | ±0,2 nH |
| C1 | 1,5 pF | ±0,25 pF |
| C2 | 5,6 pF | ±0,25 pF |
| C3 | 4,1 pF | ±0,25 pF |
Se asume distribución normal para las variaciones de los componentes, con el peor caso definido como 4σ. Por ejemplo, para 10 nH con 4σ = 5%, σ = 1,25%.
Resultados del análisis (tolerancia amplia)
| Punto de medición | Valor típico | Peor caso |
|---|---|---|
| Pérdida de inserción (915 MHz) | −0,481 dB | −0,695 dB |
| Atenuación (1650 MHz) | −20,9 dB | −19,9 dB |
Incluso en el peor caso se cumplen las especificaciones objetivo (pérdida de inserción ≤ 0,5 dB, atenuación ≥ 18 dB).
Comparación con tolerancias reducidas
Si la variabilidad es excesiva, se pueden ajustar las tolerancias: por ejemplo, cambiando los inductores a ±3% y los condensadores a ±0,1 pF se mejora la consistencia de las características. En un diseño real, seleccione los componentes teniendo en cuenta el equilibrio entre las especificaciones objetivo y el coste de los componentes.
Comparación con el componente de referencia
Es posible comparar los parámetros S del LPF diseñado en simulación con los valores medidos del DEA100915LT-6319A1:
- Rojo: LPF diseñado en simulación
- Azul: valores medidos del DEA100915LT-6319A1
Esta comparación permite evaluar cuantitativamente la validez del diseño y el margen de mejora.
Conclusión
Con uSimmics (anteriormente QucsStudio), el flujo completo de diseño de LPF —diseño automático con Filter Synthesis, sustitución por componentes reales y evaluación de tolerancias con Monte Carlo— se puede llevar a cabo de forma eficiente. Las potentes funciones de simulación y análisis de uSimmics (anteriormente QucsStudio) son herramientas indispensables para diseñar filtros que atenúen eficazmente los armónicos en la banda Sub-GHz.
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