Modelado y simulación realista del módulo posterior de un radiómetro: aplicación al instrumento a 31 GHz del experimento QUIJOTE

In the reported work, an efficient modelling method is applied to the circuits of the 30 GHz Back End Module of the QUIJOTE experiment radiometer. In particular, efficient models of two LNAs, a band pass filter and a detector has been obtained. These models allow realistic time-domain BEM simulation by using Gaussian noise excitation signals. Simulation results have been reported, showing good agreement with the BEM expected operation. On the other hand, timedomain realistic simulations will provide valuable information about BEM behaviour previously to the receiver definitive implementation. I. INTRODUCCIÓN En este trabajo se presenta el modelado y simulación a nivel de sistema del BEM del radiómetro que se está diseñando y fabricando en la actualidad para el experimento QUIJOTE CMB. QUIJOTE es una colaboración del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), Instituto de Física de Cantabria (IFCA), Departamento de Ingeniería de Comunicaciones de la Universidad de Cantabria (DICOM), Jodrell Bank Observatory de Manchester (JBO) y el Cavendish Laboratory de Cambridge. El experimento consiste en 3 antenas similares que serán instaladas en el observatorio del Teide y medirán la polarización del fondo cósmico de microondas (CMB) corrigiendo y complementando las medidas obtenidas por el satélite PLANCK [1-2]. La primera antena tendrá en su plano focal cinco receptores: dos a 10-14 GHz, dos más a 14-20 GHz y otro a 26-36 GHz. Los prototipos del BEM para las citadas bandas de operación han sido diseñados, fabricados y caracterizados por el DICOM y precisamente el prototipo que opera a 31 GHz, con una banda de 10 GHz, es el objeto de este artículo. Debido a la complejidad y el coste del modelado y simulación de los receptores radiométricos, en la práctica, esta tarea suele ser simplificada al máximo, utilizando modelos ideales y pruebas sencillas cuyos resultados son, en general, poco concluyentes. Sin embargo, la simulación de este tipo de receptores podría evitar muchos ciclos de diseño y fabricación, siempre y cuando se disponga de modelos precisos y reducidos que posibiliten simulaciones realistas y con un coste computacional razonable, tanto en consumo de recursos como en tiempo de simulación. En este sentido, se propone el uso de técnicas de reducción del orden de modelos presentadas en trabajos previos [3-4], en los que se utilizaban para el modelado y simulación de los subsistemas de transmisores y receptores para comunicaciones móviles. Dichas técnicas resultan especialmente eficaces en el ámbito de los receptores radiométricos ya que los modelos resultantes posibilitan la simulación en el dominio del tiempo. Esto es imprescindible cuando la señal de entrada que llega al receptor es ruido blanco, de espectro continuo y por tanto poco adecuada, a priori, para técnicas de simulación en el dominio de la frecuencia tales como el Balance Armónico. Por otro lado, los modelos obtenidos pueden ser complementados y mejorados mediante la aplicación de técnicas para la incorporación de efectos degradantes del funcionamiento de un radiómetro, tales como la modulación de ganancia o el ruido 1/f [5], para obtener las figuras de mérito del receptor en condiciones realistas y determinar si el comportamiento del BEM es adecuado y cumple las especificaciones que se pretenden en QUIJOTE. El resto del artículo se organiza como sigue: En la sección II se presenta la estructura del BEM y se trata el modelado de los diversos subsistemas que lo conforman. En la sección III se presentan los resultados de la simulación del mismo y finalizamos en la sección IV con las conclusiones. II. MODELADO DEL BEM El esquema simplificado del BEM puede verse en la Figura 1. Teniendo en cuenta el carácter de prototipo, el diseño final podría variar algo, aunque básicamente la estructura seguirá siendo la misma. El BEM opera en una banda que va de 26 a 36 GHz. A la entrada se conectan en cascada dos LNAs (Low Noise Amplifier) comerciales y de tecnología monolítica debido a requerimientos de ganancia. Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5 Fig. 1. Estructura simplificada del BEM a 31 GHz para QUIJOTE. En concreto, el primero es el AMMC-6241 de Avago Technologies y el segundo es el ALH-140 de NGST. Por otro lado, el filtro y el detector a diodo han sido diseñados y fabricados en tecnología híbrida en el DICOM. A. Modelado del AMMC-6241 Para los dos LNAs se ha utilizado un modelo tipo Wiener [6] consistente en un circuito eléctrico lineal equivalente, que caracteriza la dinámica en pequeña señal del amplificador en toda la banda de operación, conectado a una no-linealidad sin memoria que implementa la característica Pin-Pout del amplificador, definida mediante un elemento de librería específico del simulador ADS de Agilent Technologies que es el utilizado en este trabajo. El modelo pequeña señal de esta no linealidad debe cumplir que esté perfectamente adaptado (Sii=0) y que la transmisión sea perfecta y bilateral (Sij=1) independientemente de la frecuencia. De esta forma las condiciones de adaptación vendrán determinadas por el filtro que caracteriza la dinámica lineal y que, a su vez, queda matizada por la característica no lineal Pin-Pout. Este tipo de modelos, al contrario de los basados en los datos puros de los parámetros [S] obtenidos mediante la medida de los circuitos, no dan problemas de convergencia y permiten la simulación en el dominio del tiempo de forma precisa. El filtro lineal se obtiene mediante la aplicación de la técnica de modelado para sistemas lineales presentada en [3] de modo que se obtiene un filtro cuya respuesta frecuencial es la que se obtiene mediante la medida de los parámetros [S] del LNA. En la Figura 2 se comparan los parámetros [S] medidos con un analizador de redes (en rojo) y los del modelo (en azul). Se observan ciertas discrepancias, pero teniendo en cuenta el gran ancho de banda a caracterizar y que lo que se intenta ajustar son medidas del circuito, se consideró que la aproximación era suficientemente buena. En cuanto a la característica Pin-Pout, se aproximó una que tuviese el punto de 1 dB de compresión dado por el fabricante (Pin=-12dBm, Pout=10dBm). B. Modelado del ALH-140. Para modelar este LNA se utiliza el mismo método descrito anteriormente. En la Figura 3 se aprecia la comparación de los parámetros [S] medidos del circuito y los del modelo. Frente al primer LNA, se observa que en este caso la respuesta del modelo se ajusta mejor a las medidas. Esto puede deberse a que dichas medidas presentan menos “ruido”, por lo que el algoritmo de identificación de sistemas [3] funciona mejor. En cuanto a la característica no lineal Pin-Pout, de nuevo se ha implementado a partir del punto de 1 dB de compresión proporcionado por el fabricante (Pin=2dBm, Pout=15dBm). 20 25 30 35 40 45 15 50 -45 -25 -5 15 35 55