Filtros arrastrados por diodo varicap e intermodulación

Filtros arrastrados por diodo varicap e intermodulación

Filtros arrastrados

Ya en los albores de la radio, se sintonizaban las estaciones mediante un condensador variable que permite modificar la frecuencia de resonancia de una bobina, como es bien sabido. Los condensadores variables mecánicos funcionan muy bien pero son caros, voluminosos y requieren de un desmultiplicador para poder sintonizar bien una estación. Así que al aparecer el diodo varicap todos estos problemas desaparecieron de golpe. ¿todos?, puede que si, pero aparecieron otros que normalmente no se tienen en cuenta.
Asumimos que con un diodo varicap no podemos manejar potencia, al contrario del condensador variable, pero a la entrada del receptor, VCO y etapas intermedias, especialmente en circuitos de estado sólido, donde las amplitudes de las señales no son excesivas, pues vienen a resultar muy útiles. No obstante, es lo que vamos a estudiar en este trabajo, el diodo varicap no deja de ser un dispositivo no lineal y por tanto se corre el riesgo de generar productos de intermodulación que arruinen  o en el mejor de los casos mermen las características del filtro sintonizado.

Pasobanda sintonizado

El circuito adjunto es un pasobanda sintonizado por un diodo varicap que puede variar desde 3pF a 70pF. Este circuito en simulación es viable, con bobinas de Q moderado, en torno a 100. Para simular el Q de la bobina se intercala una resistencia en serie con la bobina sintonizada. El transformador ideal proporciona la relación de transformación que tendría el primario/secundario de la bobina como va a ser construida en la realidad.
El circuito se ha montado y responde con bastante aproximación a la simulación. Se han usado unas formitas FO200 con 3 espiras el primario y 18 espiras el secundario. La relación de transformación ha quedado en 6, suficientemente aproximado al transformador usado en la simulación. No obstante, el acoplamiento primario/secundario no va a ser 1 sino que será un valor, indeterminado, menor a 1 aunque seguramente será mayor a 0,9. Por eso, se mantiene la relación de transformación en 7.

Sistema de medida de IP3

Para medir la intermodulación y calcular el punto de intersección de orden 3, conocido de forma abreviada como IP3, se necesitan dos generadores de RF, un combinador que aisle ambos generadores en más de 30dB y que tenga muy pocas pérdidas con la salida donde colocaremos la unidad de prueba y tras ésta el analizador de espectro. No voy a entrar en detalle sobre el método de medida y realización de la prueba. Se puede ver, entre otros sitios, en detalle aquí http://www.mwrf.com/test-measurement-analyzers/top-methods-measuring-5-common-signal-corrupting-distortions.
El sistema de medida disponible permite medir IP3 hasta unos 35dBm. Los dos generadores ajustados  +6dBm producen a la salida del combinador sendas señales de 0dBm y en el analizador de espectro podemos ver que los productos de intermodulación de orden 3 están por debajo de -70dBm. Por tanto, un IP3 de 35dBm mínimo.

El generador de frecuencia más baja presenta un considerable ruido de fase pero no esconde el producto de intermodulación que aparece 200KHz más arriba del generador de frecuencia más alta.
Ahora intercalamos el filtro entre el combinador y el analizador de espectro, lo sintonizamos en la frecuencia de prueba de cada caso y vemos la amplitud de los productos de intermodulación.

Resultados de la medida

Empezamos probando en 28.000Khz y 28.200Khz. La tensión de sintonía para esta frecuencia es de 30Vcc.
Podemos ver claramente que los productos de intermodulación suben a -50dBc. Las señales de prueba son de 0dBm, y los productos están a -50dBm. Por tanto el IP3 está en 50/2+0=25dBm. A la entrada del filtro esto serán 2 a 3 dB mejor debido a las pérdidas del filtro. Como podemos ver, en esta frecuencia el IP3 ha bajado de 35dBm a 27dBm, a la entrada del filtro. La causa de esta merma no solo puede ser achacable a los diodos varicap, también pudiera ser por la saturación del núcleo de la bobina.
Vamos a probar en frecuencias más bajas para ver el comportamiento, en función de la variación de la tensión de sintonía.

En la banda de 21MHz podemos ver que la intermodulación ha empeorado en 10dB para la misma amplitud de la señales de prueba. El IP3 para esta banda es de 40/2+0=20dBm. A la entrada el IP3 es de unos 22 a 23 dBm. La tensión de sintonía en esta banda está en 10,2Vcc.
Vamos a seguir probando en bandas más bajas.

 En la banda de 18Mhz la intermodulación está unos 42dB por debajo de la señal de prueba, por tanto el IP3 será 42/2+0=21dBm que a la entrada del filtro será unos 23 a 24 dBm, para una tensión de sintonía de 3Vcc.

En la banda de 14MHz el IP3 cae de forma espectacular, la tensión de sintonía es de 1,4Vcc. El IP3 en esta banda está en 18/2+0=9dBm que a la entrada del filtro es aproximadamente 11 a 13 dBm.
Para ver hasta qué punto es el varicap el que más afecta a la intermodulación seguimos haciendo dos pruebas más, la primera es bajar la tensión del varicap, sin cambiar la frecuencia de prueba, hasta a1Vcc. El resultado es una subida de los productos de intermodulación.

Aquí podemos ver que la amplitud de las señales de prueba es un poco más baja que antes, el filtro está sintonizado a 13MHz, aproximadamente, pero lo que podemos ver es que los productos de intermodulación suben. El de orden 5 se aprecia mucho más fuerte a 1Vcc de tensión de sintonía que a 1,5Vcc, ha empeorado casi 10dB.
Está claro que al tensión de sintonía afecta de forma negativa a la intermodulación del filtro.









Vamos a ajustar el filtro de tal forma que quede sintonizado en 14MHz, pero con una tensión de sintonía lo más alta posible. Para ello vamos metiendo los núcleos de las bobinas y subiendo la tensión de sintonía buscando el máximo de salida.
Bien el resultado esperado es que la intermodulación se reduzca a valores similares a los que se midieron en 18MHz. De ser así, la intermodulación no depende de la frecuencia sino solamente de la tensión de sintonía del varicap, es decir que la responsabilidad del IP3 sea solo del varicap  o principalmente del varicap.

El resultado es determinanate. Al subir la tensión de sintonía el IP3 ha bajado a 36/2+0 = 18dBm que a la entrada del filtro serán 20 a 21 dBm.

Conclusiones

• Los filtros arrastrados con diodos varicap sufren de degradación del punto de intersección de orden 3. Comparado con un filtro fijo, con bobinas al aire o núcleos suficientemente grandes, son bastante peores. Dependiendo de la aplicación  a la que se dediquen esto no tiene porqué ser un problema. Solo ay que tenerlo en cuenta.
• Cuanto menor es la tensión de sintonía peor IP3 y a 1Vcc la merma es de más de 10dB respecto de la merma ya sufrida inicialmente por usar diodos varicap como elemento de sintonía.
• Podemos aceptar hasta 1,5Vcc como tensión de sintonía, por debajo de este valor la intermodulación sube rápidamente degradando la resistencia del filtro a señales fuertes.
• Señales de 0dBm pueden aparecer en la antena cuando las estaciones interferidoras estén muy primas a la antena receptora. Afortunadamente esto solo sucede en ciudades donde haya varios radioaficionados en el mismo barrio. No así en el campo, donde podemos esperar señales mucho más débiles.

Si nuestro receptor no es muy sensible, en HF todo lo que mejore 1uV de sensibilidad no sirve para nada ya que el QRM está muy por encima en la ciudad y más o menos por ahí en el campo (1uV es aproximadamente un S2). Bien, 1uV son -107 dBm. En el peor de los casos hemos medido un IP3 de 10dBm. La pregunta es, ¿qué amplitud tendrán dos señales  que provoque una interferencia en la frecuencia de trabajo que esté 10dB por debajo del umbral de sensibilidad?.
Bien la interferencia estará en -117dBm para que no se perceptible y para un IP3 de 10dBm esto se cumple con señales de -32dBm que corresponden a dos señales de 5,6mV. Esta señal es un S9+41dB que sigue siendo una señal considerablemente fuerte.