ANÁLISE DE DESEMPENHO DE SOFTWARES PARA RF E MICROONDAS

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1 DANE KENJ TAKAYASSU ANÁSE DE DESEMPENHO DE SOFTWARES PARA RF E MCROONDAS Trabalho d Conclusão d Curso aprsntado à Escola d Engnhara d São Carlos, da Unvrsdad d São Paulo. Curso d Engnhara d Computação com ênfas m Tlcomuncaçõs. ORENTADOR: Prof. Dr. Amlcar Carl César São Carlos 007

2 SUMÁRO STA DE FGURAS 3 STA DE TABEAS 4 RESUMO 5. NTRODUÇÃO 6.. ANÁSE DE CRCUTOS DE ATA FREQÜÊNCA 6... MATR ADMTÂNCA (Y) 6... MATR MPEDÂNCA () MATR DE PARÂMETROS HÍBRDOS (h) MATR ABCD 8.. MATR DE ESPAHAMENTO (S) 5. DESCRÇÃO DOS SOFTWARES 8.. FERRAMENTA WnTS FERRAMENTA AppCAD 0.3. FERRAMENTA SERENADE S FERRAMENTA ANSOFT DESGNER S AAAÇÃO DOS SOFTWARES MODO DE AAAÇÃO PROJETO DE FTRO PASSA-BAXAS PROJETO DE FTRO COM O SERENADE S PROJETO DE FTRO COM O ANSOFT DESGNER S PROJETO DE AMPFCADOR DE ESTÁGOS PROJETO DE AMPFCADOR COM O SERENADE S 9 4. CONCUSÃO ANEXOS REFERÊNCAS BBOGRÁFCAS 40

3 STA DE FGURAS Fgura Rd d portas 6 Fgura Rd d portas com mpdânca m sér 9 Fgura 3 Rd d portas com admtânca m parallo 0 Fgura 4 Rd d portas com trcho d T sm prdas Fgura 5 Matrz ABCD d duas rds d portas m cascata 4 Fgura 6 Rd d portas com mpdânca casada na porta () font na porta () 5 Fgura 7 Rd d portas com mpdânca casada na porta () font na porta () 6 Fgura 8 ntrfac do WnTS.0 8 Fgura 9 Smulação WnTS com casamnto d mpdânca 9 Fgura 0 Smulação WnTS sm casamnto d mpdânca 9 Fgura ntrfac AppCAD para smulação m mcrofta 0 Fgura ntrfac do Srnad S 8.5 Fgura 3 Módulos d control do Srnad S 8.5 Fgura 4 ntrfac do Ansoft Dsgnr S..0 3 Fgura 5 ntrfac do Ansoft Dsgnr S para proto d fltros 4 Fgura 6 Estrutura ncal d um fltro passa-baxas d ordm 5 6 Fgura 7 Parâmtros (S) X Frqüênca (Srnad S) 7 Fgura 8 Fltro protótpo curvas dos parâmtros (S) (Ansoft Dsgnr S) 8 Fgura 9 Crcuto montado do fltro curvas dos parâmtros (S) 8 Fgura 0 Amplfcador d stágos 9 Fgura Módulo d control do substrato 30 Fgura Módulo d control da frqüênca 30 Fgura 3 Módulo d control das varávs 3 Fgura 4 Módulo d otmzação das varávs 3 Fgura 5 Curvas dos parâmtros S, S S do amplfcador 3 Fgura 6 ntrfac d otmzação do modo Gradnt 34 Fgura 7 Curvas dos parâmtros S, S S otmzados no modo Gradnt 34 Fgura 8 ntrfac d otmzação do modo Random 35 Fgura 9 Curvas dos parâmtros S, S S otmzados no modo Random 35 3

4 Fgura 30 ntrfac d otmzação do modo Mnmax 36 Fgura 3 Curvas dos parâmtros S, S S otmzados no modo Mnmax 36 Fgura 3 ntrfac d otmzação do modo v-marq 37 Fgura 33 Curvas dos parâmtros S, S S otmzados no modo v-marq 37 STA DE TABEAS Tabla Elmntos da Matrz Admtânca 7 Tabla Elmntos da Matrz mpdânca 7 Tabla 3 Elmntos da Matrz d Parâmtros Híbrdos 8 Tabla 4 Elmntos da Matrz ABCD 9 Tabla 5 Caractrístcas dos parâmtros S S 6 Tabla 6 Caractrístcas dos parâmtros S S 7 Tabla 7 Espcfcaçõs do fltro passa-baxas 5 4

5 RESUMO Nst trabalho stão aprsntadas algumas frramntas d análs d crcutos d alta frqüênca. Dpos d uma brv rvsão bblográfca, srão aprsntados quatro softwars d RF mcroondas: WnTS.0, AppCAD, Srnad S 8.5 Ansoft Dsgn S..0. Softwars para smulação proto normalmnt são caros, portanto st trabalho fará uma análs apnas d vrsõs gratutas dos softwars dscrtos. O softwar WnTS srv para smular a transmssão d ondas numa lnha d transmssão. O softwar AppCAD é utlzado para cálculo d caractrístcas (dmnsõs, mpdânca, frqüênca d opração...) dos crcutos pré-forncdos por l (crcutos BAS, dtctors d snal, mcrofta, cabo coaxal...). O Srnad S prmt a construção a smulação d crcutos mas spcífcos (fltros d frqüênca, amplfcadors...), bm como a otmzação dos msmos. O Ansoft Dsgnr S também prmt a construção a smulação d crcutos spcífcos, podndo sr usado para pratcamnt as msmas aplcaçõs do Srnad S. Dado qu os softwars são, d modo gral, complmntars ntr s por possuírm propóstos spcífcos, st trabalho fará uma comparação d manras pratcdad d uso dos softwars, ao nvés d comparar o dsmpnho ntr ls. Palavras-chavs: WnTS, AppCAD, Aglnt, Srnad, Ansoft, Ansoft Dsgnr ABSTRACT Ths assgnmnt prsnts som tools of hgh-frquncs crcuts analyss. Aftr a short bblographc rvson, four RF and mcrowavs softwars wll b prsntd: WnTS.0, AppCAD, Srnad S 8.5 Ansoft Dsgn S..0. Softwars for smulaton and dsgn usually ar xpnsv, so ths assgnmnt wll mak an analyss wth frwar softwars only. WnTS smulats wavs transmsson on a transmsson ln. AppCAD calculats charactrstcs of pr-xstng crcuts (BAS-crcuts, sgnal-dtctors, mcrostrp, coax ). Srnad allows dsgn and smulaton of mor spcfc crcuts (fltrs, amplfrs ), so as thr otmzaton. Ansoft Dsgnr dos th sam and can b usd for th sam purposs as Srnad. Snc th softwars ar complmntary to ach othr, ths assgnmnt wll mak a vrsatlty comparson btwn thm, nstad of a prformanc comparson. Kywords: WnTS, AppCAD, Aglnt, Srnad, Ansoft, Ansoft Dsgnr 5

6 . NTRODUÇÃO. ANÁSE DE CRCUTOS DE ATA FREQÜÊNCA Gralmnt, quando s analsa um dtrmnado crcuto (ou rd crcutal), dpndndo da sua complxdad, não é ntrssant analsar cada componnt do crcuto ndvdualmnt. A sso, adcona-s o fato d qu normalmnt os crcutos á vêm ncapsulados d fábrca (na forma d módulos ndvduas) a tarfa d s analsar um crcuto componnt por componnt torna-s anda mas dspndosa. Por sso, houv a ncssdad d crar frramntas d análs qu abordassm o crcuto como uma caxa-prta, sto é, qu prcsassm apnas dos valors mddos na ntrada na saída do crcuto para stmar as proprdads do crcuto. Essas frramntas consstm m matrzs qu rlaconam os valors d tnsão, corrnt ondas nas portas d ntrada saída do crcuto, quando uma dlas stá m curto-crcuto ou m crcuto abrto. As prncpas matrzs são: a) Matrz Admtânca ( Y ) b) Matrz mpdânca ( ) c) Matrz d Parâmtros Híbrdos ( h ) d) Matrz ABCD Por qustão d smplcdad, as matrzs mostradas a sgur são rfrnts a uma rd d duas portas. Rd d Portas Fgura Rd d portas.. MATR ADMTÂNCA ( Y ) A Matrz Admtânca rlacona os valors d corrnt nas portas com os valors d tnsão nas portas da manra ( ) ( Y ) ( ). No caso d uma rd d portas, a matrz é composta por 04 lmntos. 6

7 Y Y Y Y Os valors da matrz ( Y ) são mostrados na Tabla, dados por [Gonzalz, 997]. Tabla Elmntos da Matrz Admtânca Elmnto Fórmula Condção Nom Y / Porta m curto ( 0) Admtânca d ntrada Y / Porta m curto ( 0) Transadmtânca drta Y / Porta m curto ( 0) Transadmtânca rvrsa Y / Porta m curto ( 0) Admtânca d saída.. MATR MPEDÂNCA ( ) A Matrz mpdânca rlacona os valors d tnsão nas portas com os valors d corrnt nas portas da manra ( ) ( ) ( ), ou sa, o nvrso da Matrz Admtânca. No caso d uma rd d portas, a matrz também é composta por 04 lmntos, sndo dados por [Gonzalz, 997]. Os valors da Matrz ( ) são mostrados na Tabla, dados por [Gonzalz, 997]. Tabla Elmntos da Matrz mpdânca Elmnto Fórmula Condção Nom / Porta m abrto ( 0) mpdânca d ntrada / Porta m abrto ( 0) Transmpdânca drta / Porta m abrto ( 0) Transmpdânca rvrsa / Porta m abrto ( 0) mpdânca d saída 7

8 ..3 MATR DE PARÂMETROS HÍBRDOS ( h ) A Matrz d Parâmtros Híbrdos rlacona os valors d tnsão d ntrada d corrnt d saída com os valors d corrnt d ntrada d tnsão d saída. Como os lmntos d ntrada saída são msturados, daí vm o nom híbrdo. No caso d uma rd d portas, a matrz também é composta por 4 lmntos. h h h h Os valors da Matrz ( h ) são mostrados na Tabla 3, dados por [Gonzalz, 997]. Tabla 3 Elmntos da Matrz d Parâmtros Híbrdos Elmnto Fórmula Condção Nom h / Porta m curto ( 0) mpdânca d ntrada h / Porta m curto ( 0) Ganho drto d corrnt h / Porta m abrto ( 0) Ganho rvrso d tnsão h / Porta m abrto ( 0) Admtânca d saída..4 MATR ABCD A Matrz ABCD rlacona drtamnt os valors d tnsão corrnt d ntrada com os valors d tnsão corrnt d saída. No caso d uma rd d portas, a matrz também é composta por 4 lmntos. A C B D Os valors da Matrz ABCD são mostrados na Tabla 4, dados por [Gonzalz, 997]. 8

9 Tabla 4 Elmntos da Matrz ABCD Elmnto Fórmula Condção Nom A / Porta m abrto ( 0) Ganho rvrso d tnsão B / Porta m curto ( 0) Transmpdânca rvrsa C / Porta m abrto ( 0) Transadmtânca rvrsa D / Porta m curto ( 0) Ganho rvrso d corrnt Para dtrmnadas rds d duas portas á xstm matrzs ABCD tabladas, como por xmplo, para mpdânca m sér, para admtânca m parallo para trcho d lnha d transmssão sm prdas. Fgura Rd d portas com mpdânca m sér Expandndo a Matrz ABCD, tm-s o sgunt sstma lnar: A C + B + D () () Como, substtu-s na quação (): C + D C 0 D + + (3) Comparando a quação (3) com a quação (), tm-s: A B 9

10 0 Assm, tm-s qu a Matrz ABCD da rd d portas com mpdânca m sér é: Fgura 3 Rd d portas com admtânca m parallo Expandndo-s a Matrz ABCD, tm-s o sgunt sstma lnar: + + () () D C B A Como, substtu-s na quação (): B A + 0 B A (3) Y Y + + Comparando a quação (3) com a quação (), tm-s: D Y C Assm, tm-s qu a Matrz ABCD da rd d portas com admtânca m parallo é: Y 0 D B C A 0 Y D B C A

11 Fgura 4 Rd d portas com trcho d T sm prdas Sabndo qu os valors d tnsão d corrnt varam na T sgundo o sgunt sstma: + 0 ) ( ) ( x x x r x x r x Ond é a ampltud da tnsão ncdnt r é a ampltud da tnsão rfltda. Pod-s ntão, através das fórmulas xprssas na Tabla 4, achar os valors d A, B, C D: 0 A + + r r x x ) ( 0) ( + + r r Como a porta stá m crcuto abrto, ntão (r / ) Γ +. x 0 x, 0,

12 ( ) + Como A ( / ), tm-s ntão: A + ( ) A cos 0 B + r r x x 0) ( ) ( 0 Como a porta stá m curto-crcuto, ntão (r / ) Γ -. ( ) 0 Como B ( / ), tm-s ntão: 0 B ( ) B 0 sn 0 C

13 3 + r r x x 0 ) ( 0) ( Como a porta stá m crcuto abrto, ntão (r / ) Γ +. ( ) 0 Como C ( / ), tm-s ntão: 0 C ( ) 0 sn C 0 D r r x x 0) ( ) ( 0 0 Como a porta stá m curto-crcuto, ntão (r / ) Γ -. ( ) + 0 0

14 4 Como D ( / ), tm-s ntão: D + ( ) D cos Assm, tm-s qu a Matrz ABCD da rd d portas com trcho d lnha d transmssão sm prdas é: Uma proprdad mportant da Matrz ABCD é d assocação d rds m cascata. Quando duas ou mas rds stão assocadas m cascata (sér), a matrz ABCD global é dada plo produto das matrzs ABCD ndvduas d cada rd [Gupta, 98]. Fgura 5 Matrz ABCD d duas rds d portas m cascata Rd Rd D B C A D B C A D B C A D B C A ) cos( ) sn( ) sn( ) cos( 0 0 D B C A

15 .. MATR DE ESPAHAMENTO ( S ) As matrzs Admtânca, mpdânca, d Parâmtros Híbrdos ABCD, mbora funconm bm para crcutos oprando m baxa frqüênca, aprsntam algumas falhas para crcutos oprando m alta frqüênca: a) Capactâncas ndutâncas parastáras da rd são potncalzadas m altas frqüêncas, o qu faz com qu portas m curto-crcuto m crcuto abrto não s comportm como tal. b) Dspostvos atvos (qu rcbm almntação), como transstors, podm s dsstablzar m altas frqüêncas osclar, aftando a valdad das mddas. Fo crado ntão um outro conunto d parâmtros para dtrmnar com maor fdldad o comportamnto d crcutos m altas frqüêncas, dnomnados parâmtros d spalhamnto ou Matrz d Espalhamnto ( S ). As prncpas dfrnças ntr ssa abordagm para as antrors são: a) Ao nvés d rlaconar os valors d tnsão corrnt nas portas, a Matrz S rlacona os valors d onda normalzada (ncdnt rfltda) nas portas. b) Os valors d onda normalzada são obtdos com a colocação d cargas casadas (com valor d mpdânca gual ao da mpdânca caractrístca da rspctva porta), não mas com portas m curto ou m abrto. A Fgura 6 mostra um squma d uma rd d portas com font d tnsão na porta d ntrada () mpdânca casada na porta d saída (). A partr dss squma, são dtrmnados os parâmtros S S., 0, 0 0 E a (x) b (x) Rd d Portas a (x) b (x) 0 x 0 x x x 0 Fgura 6 Rd d portas com mpdânca casada na porta () font na porta () 5

16 997]. As caractrístcas dos parâmtros S S são mostradas na Tabla 5 por [Gonzalz, Tabla 5 Caractrístcas dos parâmtros S S Elmnto Fórmula Condção Nom S b () / a () a () 0 Cofcnt d rflxão na ntrada () com a porta d saída () trmnada por uma carga casada S b () / a () a () 0 Ganho d transmssão drta com a porta d saída () trmnada por uma carga casada Assm, os valors fnas dos parâmtros S S são: S S 0 0 ( ) E, TH Ond () é a tnsão no ponto x E,TH é a tnsão d Thévnn na porta (). A Fgura 7 mostra um squma d rd d portas com font d tnsão na porta d ntrada () mpdânca casada na porta d saída ()., 0, 0 a (x) b (x) Rd d Portas a (x) b (x) 0 E x 0 x x x 0 Fgura 7 - Rd d portas com mpdânca casada na porta () font na porta () 997]. As caractrístcas dos parâmtros S S são mostradas na Tabla 6 por [Gonzalz, 6

17 Tabla 6 Caractrístcas dos parâmtros S S Elmnto Fórmula Condção Nom S b () / a () a () 0 Cofcnt d rflxão na ntrada () com a porta d saída () trmnada por uma carga casada S b () / a () a () 0 Ganho d transmssão drta com a porta d saída () trmnada por uma carga casada Assm, os valors fnas dos parâmtros S S são: S S 0 0 ( ) E, TH Ond () é a tnsão no ponto x E,TH é a tnsão d Thévnn na porta (). 7

18 . DESCRÇÃO DOS SOFTWARES.. FERRAMENTA WnTS.0 O softwar WnTS.0 é uma frramnta gratuta d smulação d propagação d ondas m lnha d transmssão, dsnvolvda plo Dpartamnto d Engnhara Elétrca da Unvrsdad d Stanford, EUA. Trata-s d uma frramnta smpls d uso bastant ntutvo. A Fgura 8 mostra a ntrfac prncpal do softwar. Fgura 8 ntrfac do WnTS.0 Nsta frramnta, as prncpas varávs d smulação são: o valor d tnsão rsstênca da font, o valor d mpdânca caractrístca da lnha d transmssão o valor da carga (qu pod sr uma mpdânca, um ndutor, um capactor ou um crcuto rssonant). Podm anda sr varados a forma d onda da tnsão (corrnt DC, corrnt AC snodal ou co-snodal, pulso smpls ou trm d mpulsos), o númro d lnhas d transmssão (smpls ou m cascata) a vlocdad d propagação da onda. Dpndndo dos parâmtros ofrcdos, a smulação d onda pod s comportar d manra dfrnt. Um xmplo típco é a xstênca ou não d casamnto d mpdânca da lnha com a carga. Supondo qu, para uma tnsão snodal, o valor da mpdânca caractrístca sa 50Ω o da mpdânca d carga também sa 50Ω. Nss caso, há o casamnto d mpdânca (00% da onda é absorvda) o comportamnto da onda é smlhant ao mostrado na Fgura 9. 8

19 Fgura 9 Smulação WnTS com casamnto d mpdânca Supondo, ntrtanto, para a msma tnsão snodal, qu o valor da mpdânca caractrístca sa 50Ω qu o da mpdânca d carga sa 00Ω, ntão á não há mas casamnto d mpdânca (part da onda é rfltda há onda staconára). Nss caso, o comportamnto é smlhant ao mostrado na Fgura 0. Fgura 0 Smulação WnTS sm casamnto d mpdânca 9

20 Apsar d smpls, o WnTS é um softwar bastant rstrto m trmos d aplcaçõs mas amplas. El é usado, portanto, para fns mas ddátcos não para protos smulaçõs mas complxos... FERRAMENTA AppCAD O softwar AppCAD é uma frramnta gratuta d smulação d crcutos d alta frqüênca, dsnvolvda pla Aglnt Tchnologs. Est softwar é mas amplo qu o WnTS, pos ofrc uma grand gama d crcutos possívs para smulação, além da lnha d transmssão com carga. A frramnta consst m város mnus d smulação d crcutos, qu podm sr atvos (dtctor d nvoltóra, crcutos BAS) ou passvos (mcroftas, cabo coaxal, balun). Para análs m alta frqüênca, um bom uso é a smulação m mcrofta. Passando os parâmtros da mcrofta (largura do dlétrco do condutor, largura comprmnto do condutor, matral do substrato frqüênca d opração), são forncdas as proprdads da mcrofta (tas como a mpdânca caractrístca, o comprmnto d onda a vlocdad d fas). A Fgura mostra a ntrfac para smulação m mcrofta. Fgura ntrfac AppCAD para smulação m mcrofta Esta frramnta é mas adquada para a smulação dos crcutos pré-xstnts (do tpo passar parâmtros dar rsultados ). Caso haa ncssdad d s smular crcutos mas 0

21 spcífcos ou customzados, a frramnta não é rcomndada. Portanto, o AppCAD sofr do msmo problma d lmtação d aplcaçõs qu o WnTS, mbora ofrça mas possbldads d smulação qu st..3. FERRAMENTA SERENADE S 8.5 O softwar Srnad S (rsão para Estudants) é uma frramnta gratuta d proto smulação, dsnvolvda pla Ansoft Corporaton (mbora sta vrsão sta dsatualzada não sa mas ofrcda pla mprsa). A vrsão para studants é mas lmtada qu a vrsão comrcal, possundo apnas o Smulador d Crcutos Harmonca, nquanto qu a vrsão normal possu também o Smulador d Crcutos Symphony. Apsar dsso, o softwar srv bm aos propóstos dss proto. Essa frramnta é uma das poucas analsadas qu podm sr ftvamnt utlzadas tanto para proto como para smulação d crcutos d alta frqüênca. Ela prmt o proto d crcutos spcífcos d manra gráfca (o qu a torna mas ntutva) sua consqünt smulação. D manra gral, as prncpas funconaldads do Srnad S consstm m montar crcutos grafcamnt com componnts prmáros ou sub-crcutos (símbolos), dfnr as varávs as frqüêncas d smulação, xbr os rsultados (m spcal os parâmtros S) d forma gráfca (dagrama d prdas, Carta d Smth) ou numérca (valors d cálculo tratvo) anda, otmzar os valors das varávs para dtrmnadas condçõs. A Fgura mostra a ntrfac prncpal do softwar. Outro ponto ntrssant qu faclta o trabalho do protsta é a xstênca d módulos d control para cada uma das funconaldads no própro dsnho do crcuto. A Fgura 3 mostra alguns módulos d control usados no proto. Cada um dsss módulos possu dvrsos campos qu podm sr prnchdos com valors à scolha do protsta. Mas dtalhs sobr sss módulos srão vstos no Capítulo 3 dss proto, com a ralzação d xmplos.

22 Fgura ntrfac do Srnad S 8.5 Fgura 3 Módulos d control do Srnad S 8.5

23 Est softwar é bastant vrsátl xatamnt por prmtr a construção d crcutos prmtr a utlzação d squmas hrarquzados, sto é, rutlzação d sub-crcutos (símbolos). El é, portanto, altamnt rcomndado para protos mas complxos, qu dmandm grand númro d parâmtros componnts..4. FERRAMENTA ANSOFT DESGNER S..0 O softwar Ansoft Dsgnr S (rsão para Estudants) é uma frramnta gratuta d proto smulação, também dsnvolvda pla Ansoft Corporaton, sndo uma altrnatva ao Srnad S. Assm como no Srnad, a vrsão para studants é mas lmtada qu a vrsão paga. Entrtanto, no caso do Ansoft, ssas lmtaçõs são anda maors, pos a vrsão para studants não possu suport para, por xmplo, smulaçõs não-lnars, ao passo qu o Srnad possu. Essas rstrçõs acabam por dmnur a vrsatldad do Ansoft m rlação ao Srnad. A Fgura 4 mostra a ntrfac prncpal do softwar. Fgura 4 ntrfac do Ansoft Dsgnr S..0 3

24 Entrtanto, uma funconaldad ntrssant, xstnt apnas no Ansoft Dsgnr, é a ntrfac para proto d fltros. A Fgura 5 mostra ssa ntrfac, xbndo toda a gama possívl d protos d fltros (Chbyshv, Bssl, Gaussano...), além d város outros parâmtros (tpo d fltro, fator d qualdad, rppl...). Esta ntrfac ofrc também as dmnsõs do fltro mplantado m mcrofta. Fgura 5 ntrfac do Ansoft Dsgnr S para proto d fltros 4

25 3. AAAÇÃO DOS SOFTWARES 3.. MODO DE AAAÇÃO Est proto lstou quatro softwars m vrsão gratuta para análs d crcutos d alta frqüênca. Dsss, apnas dos (Srnad S Ansoft Dsgnr S) são vrsáts o bastant para protar smular crcutos spcífcos. Portanto, st capítulo mostrará xmplos d utlzação apnas dsss dos softwars. Os xmplos consstm na construção, smulação aprsntação dos rsultados d dtrmnados crcutos comparando dvrsos crtéros, como facldad d uso, vrsatldad conhcmnto prévo ncssáro. 3.. PROJETO DE FTRO PASSA-BAXAS Est prmro xmplo consst no proto d um fltro passa-baxas com as spcfcaçõs mostradas na Tabla 7. A scolha d um proto d fltro como modo d avalação vsa utlzar também a ntrfac spcífca do Ansoft Dsgnr S para fltros. Tabla 7 Espcfcaçõs do fltro passa-baxas Caractrístca da curva d transmssão Chbyshv Frqüênca d cort (GHz) 5,0 (ou ω 3,45E+0 rad/s) Rppl (db) 0, mpdânca d ntrada (Ω) 50 mpdânca d saída (Ω) 50 Ordm do fltro (nº d componnts) 5 Caractrístca spcal Prmro lmnto m sér (Modlo T) 3... PROJETO DE FTRO COM O SERENADE S Como a vrsão para studants do softwar Srnad não ofrc uma ntrfac spcífca para proto d fltros, ntão, para construr o crcuto d smulação, é ncssáro ants fazr alguns cálculos manuas usar algumas tablas. 5

26 Utlzando-s uma tabla d valors d componnts (rsstêncas, ndutâncas capactâncas) para um fltro Chbyshv normalzado com 0,dB d rppl (vd sção Anxos), pod-s stmar o protótpo do fltro. A Fgura 6 mostra como é strutura ncal do fltro passabaxas, modlo T, com cnco componnts. 3 5 Rn 50Ω C C4 Rout 50Ω Fgura 6 Estrutura ncal d um fltro passa-baxas d ordm 5 Com os valors da tabla ctada (, C, 3, C4 5 ), pod-s calcular os valors d, C, 3, C ' 50,468, ω 3,45 0 C',37 C 8, ω 50 3, ' 50, , ω 3,45 0 C4',37 C4 8, ω 50 3, ' 50,468 5, ω 3, H 9 H 3 H 3 F F Construndo o crcuto acma á com os valors ncluídos na ntrfac do Srnad S, obtêm-s os gráfcos d varação dos parâmtros d spalhamnto S S m função da frqüênca, conform mostra a Fgura 7. 6

27 O fltro passa-baxas funcona aproxmadamnt como sprado (com frqüênca d cort d 5-6 GHz), com o parâmtro S aumntando conform s aumnta a frqüênca d opração (pos l corrspond à onda rfltda na ntrada) o parâmtro S dmnundo ao msmo tmpo (pos l corrspond à onda qu atravssa o fltro). Para s achar os parâmtros S S, bastara nvrtr os valors d rsstênca d ntrada d saída. Como os valors são os msmos para ss xmplo, as curvas prmancrão as msmas. Apsar dos rsultados, sra mas ntrssant qu o própro softwar fzss os cálculos dos componnts. No softwar Ansoft Dsgnr S, a ntrfac spcífca para proto d fltros rsolv st nconvnnt. Fgura 7 Parâmtros (S) X Frqüênca (Srnad S) 3... PROJETO DE FTRO COM O ANSOFT DESGNER S Através da ntrfac spcífca para proto d fltros do Ansoft Dsgnr S (mnconada no tm.4), a tarfa d s dsnvolvr um fltro com as spcfcaçõs dsadas torna-s muto mas fácl. Bastando ntrar na ntrfac dta com os valors spcfcados, obtém-s o squma d fltro as curvas dos parâmtros S S mostrados na Fgura 8. 7

28 Fgura 8 Fltro protótpo curvas dos parâmtros (S) (Ansoft Dsgnr S) Há uma outra manra d s obtr as curvas dos parâmtros S S, construndo o fltro manualmnt ao nvés d usar a ntrfac. Usando-s a própra ntrfac para proto d crcutos (calculando os valors dos componnts prvamnt como fto no Srnad S), monta-s o crcuto obtêm-s as curvas dos parâmtros S S mostradas na Fgura 9, qu são pratcamnt guas aos plotados antrormnt. Fgura 9 Crcuto montado do fltro curvas dos parâmtros (S) 8

29 Essa manra d proto do fltro não é muto ntrssant, pos m nada dfr do Srnad S (xg-s o cálculo manual dos componnts). A prmra manra é mas rápda não xg muto conhcmnto do softwar. Entrtanto, caso houvss ncssdad d s protar crcutos mas complxos ou qu não fossm fltros, ntão o mas ntrssant sra usar ssa sgunda manra ou ntão o Srnad PROJETO DE AMPFCADOR DE ESTÁGOS Est outro xmplo consst no proto d um amplfcador d stágos com baxo ruído, qu nada mas é qu um crcuto para casamnto d mpdânca d um transstor FET. O xmplo consst também m otmzar as dmnsõs das mpdâncas usadas no casamnto usando as funconaldads do programa. Como a possbldad d otmzação xst apnas no Srnad, o xmplo srá fto apnas para sta frramnta PROJETO DE AMPFCADOR COM O SERENADE S O prmro passo é montar o amplfcador usando componnts báscos (rsstêncas, capactâncas, ndutâncas mpdâncas), mas ou mnos como mostrado na Fgura 0. Os componnts ndcados na Fgura 0 são aquls cuos valors d ndutânca d dmnsõs dsas otmzar. W, P W, P W, P W, P Fgura 0 Amplfcador d stágos Uma vz trmnado o crcuto, dvm sr nsrdos os módulos d control para prmtr a smulação do amplfcador. Os parâmtros dsados para cada módulo são mostrados xplcados nas Fguras,,

30 Fgura Módulo d control do substrato Os parâmtros passados para o módulo do substrato na Fgura ndcam qu o dlétrco usado tm constant dlétrca rlatva 9,8 (óxdo d alumíno), spssura d 5 mlésmos d polgada qu os condutors são compostos d níqul cobr. Fgura Módulo d control da frqüênca Os parâmtros passados para o módulo da frqüênca na Fgura ndcam qu a frqüênca d smulação vara d 5GHz até GHz, com passos d 50MHz. 30

31 Fgura 3 Módulo d control das varávs Os parâmtros passados para o módulo d varávs na Fgura 3 ndcam qu os parâmtros a srm varados são, P, W W, mantndo P fxo. A varávl rprsnta o valor das ndutâncas as varávs W P rprsntam, rspctvamnt, a largura o comprmnto das mpdâncas ndcadas na Fgura 0. É mportant rssaltar qu os valors forncdos às varávs são valors ncas são altrados após a otmzação (m W W, o valor ncal corrspond ao valor do mo, os outros dos valors são os lmts d varação). Fgura 4 Módulo d otmzação das varávs Os parâmtros passados para o módulo d otmzação na Fgura 4 ndcam qu a frqüênca para os quas as varávs srão otmzadas vara d 7,5GHz a 8,5GHz, qu o obtvo da otmzação (nss caso, para qu o valor máxmo d S sa -5dB para qu o valor máxmo d S sa -0dB, com pso 5). Trmnada a nsrção dos módulos d control, pod-s fnalmnt smular a rsposta do crcuto, como mostrado na Fgura 5, ond aparcm as curvas dos parâmtros S, S S. 3

32 Fgura 5 Curvas dos parâmtros S, S S do amplfcador Para a otmzação das varávs, foram tstadas 30 traçõs para cada modo: Gradnt, Random, Mnmax v-marq, com atualzaçõs a cada 0 traçõs, na ntrfac para otmzação do Srnad S. Entr cada modo d otmzação as varávs foram rncadas para os valors mostrados na Fgura 3. Os rsultados as conclusõs d prformanc para cada modo são mostrados nas Fguras 6, 7, 8, 9, 30, 3, O modo d otmzação Gradnt fo o qu aprsntou maor tmpo d rsposta ( sgundos), mas também fo o qu dmonstrou os mlhors valors d otmzação. Pla Fgura 6 nota-s qu os valors d mpdânca d dmnsõs dos componnts foram altrados m rlação aos mostrados na Fgura 3. Ests são os valors ótmos ncontrados plo Srnad podram sr anda mas rfnados, caso foss do ntrss do protsta prossgur com mas traçõs. O rsultado é mostrado na Fgura 7: o parâmtro S atng valor máxmo acma d 0dB os parâmtros S S atngm valors mínmos dntro da faxa d frqüênca dsada. O modo d otmzação Random fo o qu aprsntou o sgundo maor tmpo d smulação (8 sgundos) também o qu dmonstrou os pors rsultados: os valors d mpdânca d dmnsõs dos componnts mostrados na Fgura 8 não foram sufcnts para lvar o parâmtro S para mas d 0dB nm mnmzar o parâmtro S para mnos d 0dB, conform vsto na 3

33 Fgura 9. Os valors podram sr anda mas rfnados, caso dsass prossgur com as traçõs. O modo d otmzação Mnmax ncrrou-s automatcamnt após 46 traçõs, pos chgara a um mínmo local, com tmpo d procssamnto próxmo a sgundo, conform Fgura 30. Os rsultados foram mlhors qu o obtdo no modo Random ( mas rápdos), mas anda long dos obtdos no modo Gradnt, como pod sr obsrvado na Fgura 3: o parâmtro S ultrapassa 0dB m su máxmo, mas os parâmtros S S não chgam a 0dB m su mínmo. D todos os modos, o modo v-marq fo o qu aprsntou mlhor rlação rsultadotmpo: a Fgura 3 mostra qu su tmpo d procssamnto fo próxmo d zro, chgando a um mínmo rlatvo após 7 traçõs, com rsultados próxmos ao obtdo no modo Gradnt. Pla Fgura 33, prcb-s qu o máxmo d S ultrapassa 0dB na faxa ntr 7,5 8,5 GHz, ao msmo tmpo qu S chga próxmo d 0dB S ultrapassa 0dB. Portanto, ss é o modo mas fcnt m trmos d otmzação. Prcb-s, portanto, qu mbora sa trabalhosa, ssa funconaldad do Srnad S é d grand utldad, o qu lh dá uma grand vantagm sobr o Ansoft Dsgnr S. 33

34 Fgura 6 ntrfac d otmzação do modo Gradnt Fgura 7 Curvas dos parâmtros S, S S otmzados no modo Gradnt 34

35 Fgura 8 ntrfac d otmzação do modo Random Fgura 9 Curvas dos parâmtros S, S S otmzados no modo Random 35

36 Fgura 30 ntrfac d otmzação do modo Mnmax Fgura 3 Curvas dos parâmtros S, S S otmzados no modo Mnmax 36

37 Fgura 3 ntrfac d otmzação do modo v-marq Fgura 33 Curvas dos parâmtros S, S S otmzados no modo v-marq 37

38 4. CONCUSÕES A ralzação do trabalho d conclusão possbltou ao aluno d graduação colocar m prátca part dos conhcmntos tórcos aprnddos durant o curso, além d adqurr xprênca na utlzação d dvrsas frramntas d smulação d crcutos m alta frqüênca. Trata-s d um aprndzado d suma mportânca, dado qu para comprnsão análs d tcnologas cada vz mas complxas qu utlzam rádo-frqüênca (wrlss, por xmplo), o conhcmnto dssas frramntas s rvla um podroso alado. A mportânca dos conhcmntos tórcos também s rvlou d grand valor, uma vz qu para a plna comprnsão dos rsultados forncdos plas frramntas dpnd d uma gama d conctos aprnddos a pror m aula. Como contrbução do trabalho, spra-s qu st auxl nas dcsõs dos protstas qu vrm a studá-lo, quanto à scolha do mlhor softwar a sr utlzado m sus protos, comparando crtéros como pratcdad, lmtaçõs custo. Através dos xmplos mostrados, pods também sugrr um uso a cada softwar m dtrmnadas dscplnas acadêmcas: WnTS usado prmordalmnt para tstar casamnto d mpdânca, é rcomndado para a dscplna d Ondas Eltromagnétcas. AppCAD usado prmordalmnt para calcular as caractrístcas d crcutos comuns no studo das Tlcomuncaçõs, é rcomndado para as dscplnas d Prncípos d Comuncação, Antnas Mcroondas. Srnad S partcularmnt vrsátl dvdo à possbldad d protar crcutos spcífcos (como o fltro passa-baxas o amplfcador d dos stágos mostrados), é rcomndado para as dscplnas d Mcroondas Sstmas d Comuncação. Ansoft Dsgnr S também bastant vrsátl como o Srnad, dstaca-s pla sua ntrfac para proto d fltros, utlzada para construr o fltro passa-baxas mostrado antrormnt. Rcomndado para dscplnas d Mcroondas, Sstmas d Comuncação Sstmas Dgtas. A contrbução do Curso d Engnhara d Computação, Ênfas m Tlcomuncaçõs Computação Móvl, tv valor nstmávl para as formaçõs profssonal pssoal futuras do aluno graduando. Fo também somnt através da combnação d toras prátcas adqurdas durant o curso qu s tornou possívl a ralzação dss trabalho. 38

39 5. ANEXOS Tabla d valors d componnts para um fltro Chbyshv normalzado com 0,dB d rppl razão ntr rsstêncas d ntrada saída gual a [WENBERG, 957] Ordm C ou ou C C3 ou 3 4 ou C4 C5 ou 5 6 ou C6 C7 ou 7 8 ou C8 C9 ou 9 0, ,036,474, ,468,37,9750,37, ,8,48,0967,5734,0967,48, ,957,446,346,667,054,667,346,446,

40 6. REFERÊNCAS BBOGRÁFCAS [] CÉSAR, A.C. Mcroondas : Parâmtros d spalhamnto. Notas d aula, Dscplna Mcroondas. São Carlos, EESC USP, 004. [] GONAE, G. Mcrowav Transstor Amplfrs: Analyss and Dsgn. Prntc Hall, 997. [3] GUPTA, K.C. GARG, R. CHADHA, R. Computr-Add Dsgn of Mcrowav Crcuts. Artch Hous, EUA, 98. [4] Srnad Dsgn Envronmnt: Gttng Startd Manual 8.5 Studnt rson. Ansoft Nw Jrsy, 000. [5] WENBERG,. Addtonal tabls for dsgn of optmum laddr ntworks. J.F.., part, pág. 7-4, ulho d 957 part, pág. 7-37, agosto d