Simulación de filtros y componentes de microondas y radiofrecuencia

Para diseñar un filtro de radiofrecuencia, suelen ser relevantes los siguientes pasos:

1. Determinar las especificaciones de frecuencia:

determine cómo debe filtrarse la gama de frecuencias, especificando las bandas de frecuencia por las que debe pasar la señal y las que deben rechazarse, ilustradas normalmente por los parámetros S. Esto ayudará a seleccionar el tipo de filtro adecuado.

2. Elegir el tipo de filtro:

existen distintos tipos de filtros, como los de paso bajo, paso alto, paso de banda y parada de banda. Cada tipo tiene sus propias características y es adecuado, como sugieren los nombres correspondientes, para una respuesta específica al permitir señales de radiofrecuencia. Por ejemplo, una respuesta de filtrado "paso banda" se utiliza normalmente para permitir el paso de señales en una banda de frecuencias específica, mientras que rechaza todo lo que está fuera de esa banda.

3. Seleccionar la topología del filtro:

una topología es normalmente algún tipo de diseño de circuito que realizaría la respuesta de filtrado deseada. Puede adoptar la forma de un circuito de inductor y condensador en escalera (LC) o, en el caso del paso de banda, suele adoptar la forma de resonadores acoplados.

4. Calcular los valores de los componentes:

la topología del filtro puede sintetizarse utilizando diversos métodos matemáticos o software de diseño de filtros. Con ello se calculan los valores necesarios para los componentes como resistencias, condensadores e inductores.

5. Realizar el diseño de circuitos de radiofrecuencia:

una vez diseñado este circuito ideal, hay que realizarlo en algún medio fabricable. Un enfoque consiste en utilizar componentes discretos de inductor y condensador (LC) e implementar la topología tal cual. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de interés, este enfoque resulta menos apropiado. Los efectos parásitos de los componentes y las interconexiones serán muy grandes y, en algún momento, ya no se podrán conseguir las características de filtrado. Por lo tanto, otro enfoque consiste en implementar el circuito de forma distribuida, utilizando microbandas, guías de ondas u otras tecnologías de alta frecuencia.

6. Simular y optimizar el diseño:

antes de finalizar el modelo diseñado, será necesario realizar una simulación para verificar el rendimiento del filtro. También es muy común aplicar el ajuste u optimización en el entorno EDA, para lograr las especificaciones de frecuencia requeridas. Otros aspectos que pueden ser de interés durante la fase de simulación son los efectos térmicos o de ruptura de RF, especialmente con dispositivos de alta potencia.

7. Construir un prototipo del filtro:

una vez conseguidos los resultados esperados de la simulación, construya un prototipo físico y pruébelo en diversas condiciones para validar su rendimiento.

8. Ajuste fino del filtro:

si hay discrepancias entre los resultados de la simulación y las mediciones reales, ajuste los valores de los componentes en consecuencia hasta alcanzar las especificaciones deseadas. Para ello, una opción puede ser utilizar el ajuste asistido por ordenador que ofrecen las herramientas de software avanzadas.

Los filtros de radiofrecuencia (RF) son dispositivos electrónicos diseñados para permitir o bloquear señales en función de sus componentes de frecuencia. Se utilizan habitualmente en una amplia gama de aplicaciones inalámbricas (y por cable), donde quizá sean más conocidos los sistemas de comunicación comerciales, como la radio, la televisión, la telefonía móvil y las redes GPS. Estos son algunos de los conceptos básicos de los filtros de radiofrecuencia:

1. Tecnología de filtrado:

existen diferentes tipos de filtros de radiofrecuencia, cada uno de los cuales utiliza diferentes medios tecnológicos que dependen de la gama de frecuencias, el tamaño físico, el coste de fabricación y la capacidad de potencia. Entre ellos figuran diversos tipos de guías de ondas, cerámicas, placas de circuitos impresos, circuitos integrados e incluso cristales piezoeléctricos.

2. Diseño del filtro:

el diseño de un filtro de radiofrecuencia depende de su aplicación y de la gama de frecuencias específica que debe filtrarse. Algunos tipos habituales son los filtros paso bajo, paso alto, paso de banda y parada de banda. Pueden sintetizarse utilizando diversas técnicas que implican teoría de circuitos (por ejemplo, circuitos en escalera) y matemáticas aplicadas (por ejemplo, matrices de acoplamiento).

3. Respuesta en frecuencia:

la respuesta en frecuencia de un filtro de radiofrecuencia se refiere a cómo se comporta con respecto a los diferentes componentes de frecuencia de una señal que se está aplicando. El filtro de paso de banda ideal debe tener una respuesta de frecuencia plana sin ondulación en la banda permitida con una distorsión de fase mínima, al tiempo que atenúa todas las demás frecuencias.

4. Adaptación de impedancias:

para un rendimiento óptimo, los filtros de radiofrecuencia deben ajustarse a la impedancia de los circuitos fuente y de carga a los que están conectados, garantizando una entrega de potencia óptima con una reducción de las reflexiones de señal.

5. Pérdida de inserción:

todos los filtros introducen pérdidas en la señal filtrada. Esto se conoce como pérdida de inserción y se mide en decibelios (dB). Una menor pérdida de inserción significa una mayor eficiencia para el presupuesto de enlace del sistema.

6. Ancho de banda:

El ancho de banda se refiere a una gama continua del espectro de frecuencias que suele ilustrarse mediante parámetros S.

7. Selectividad:

la selectividad es una medida de la capacidad de un filtro de radiofrecuencia para discriminar entre señales deseadas y no deseadas dentro de una gama de frecuencias específica. Cuanto más pronunciada sea la pendiente de atenuación, mayor será su selectividad. El orden del filtro suele influir en la selectividad.

8. Aplicaciones:

los filtros de radiofrecuencia tienen diversas aplicaciones en los sistemas de comunicación, como la separación de señales, el rechazo de interferencias, la supresión de armónicos, la selección de canales y la pureza espectral.

1. Filtro de paso de banda:

este tipo de filtro sólo permite el paso de una banda de frecuencias específica, mientras que atenúa el resto de frecuencias. Se utiliza habitualmente en radios y sistemas de comunicación.

2. Filtros de paso bajo:

un filtro de paso bajo permite el paso de frecuencias por debajo de un determinado punto de corte, al tiempo que atenúa las frecuencias más altas. Se suele utilizar para eliminar los armónicos de orden superior.

3. Filtro de paso alto:

un filtro de paso alto permite el paso de las frecuencias superiores a un determinado punto de corte, al tiempo que atenúa las frecuencias más bajas. Se suele utilizar para eliminar el ruido de baja frecuencia de las señales.

4. Filtro de rechazo de banda:

un filtro de rechazo de banda atenúa una frecuencia específica o una banda extremadamente estrecha de frecuencias, dejando pasar todas las demás. Se utiliza habitualmente en la mitigación de interferencias de radiofrecuencia (RFI).

5. Filtro de parada de panda:

este tipo de filtro atenúa solo una banda de frecuencias específica y deja pasar el resto de frecuencias. Se suele utilizar en aplicaciones en las que hay que eliminar señales no deseadas.

6. Filtros sintonizables:

estos filtros permiten al usuario ajustar las frecuencias de corte de la respuesta de filtrado en función de sus necesidades, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones, como el procesamiento de señales y las pruebas.