ES2284440T3 - Dispositivo para recepcion/transmision simultaneas de señales con un amplificador de bajo ruido. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para recepción/transmisión simultánea de señales en un sistema de transmisión con un transmisor y un receptor, comprendiendo dicho dispositivo una trayectoria de recepción (RX) para recibir una señal de recepción que ocupa una banda de frecuencia de recepción y una trayectoria de transmisión (TX) para transmitir una señal de transmisión que ocupa una banda de frecuencia de transmisión, siendo disjuntas dichas bandas de recepción y transmisión, y comprendiendo la trayectoria de recepción una etapa de amplificación de bajo ruido que comprende unos medios (4) para amplificar la señal de recepción, siendo lineal la característica de funcionamiento para un rango de amplitudes de la señal de entrada, y que presenta saturación a partir de una amplitud de una señal de entrada dada, caracterizado dicho dispositivo porque: una impedancia de carga óptima se define para el comportamiento lineal de los medios de amplificación, unos medios (7) están dispuestos en la salida (A) de dichos medios de amplificación para trasladar a esta salida por una parte, un circuito abierto para la banda de frecuencia de recepción, y por otra, una impedancia igual a la impedancia de carga óptima en la banda de frecuencia de transmisión.
Description
Dispositivo para recepción/transmisión
simultáneas de señales con un amplificador de bajo ruido.
La invención se refiere al campo de la
transmisión y recepción simultáneas de señales en un sistema de
transmisión con un transmisor y un receptor. Más concretamente, se
refiere a un dispositivo para recepción y transmisión de señales en
un sistema de transmisión que enlaza un terminal que incluye el
dispositivo de acuerdo con la invención con un satélite o una
estación base terrestre.
En la actualidad, los sistemas de transmisión a
distancia que ejecutan la técnica conocida como transmisión
bidireccional con división de frecuencia ("Frequency Division
Duplex [duplex por división de frecuencia]" o "FDD") se
utilizan normalmente, pero no exclusivamente, en el ámbito de las
transmisiones bidireccionales vía satélite.
Puesto que la transmisión y la recepción son
simultáneas, y debido a que el nivel de la señal de transmisión es
elevado en este tipo de dispositivos de recepción/transmisión, la
trayectoria de recepción sufre perturbaciones causadas por una
señal parásita creada por acoplamiento con la señal de transmisión
emitida a través de la trayectoria de transmisión, a causa de la
considerable potencia de salida del amplificador del transmisor.
Esta señal parásita podría saturar la etapa de entrada de la
trayectoria de recepción (que a menudo consiste en un transistor,
cuya corriente de drenaje y voltaje de polarización son bajos) y por
tanto, perturbar su funcionamiento adecuado. Este problema se
acentúa en el caso de que la transmisión utilice modulaciones
digitales con una envolvente no constante que presente
considerables amplitudes pico instantáneas, por ejemplo, del tipo
de acceso multiplex por división de código ("CDMA"). La figura
1 representa en forma de diagrama la arquitectura de entrada/salida
de un dispositivo de recepción/transmisión acoplado a una antena 1.
La señal recibida por la antena se transmite a una etapa de entrada
representada por un amplificador de bajo ruido 2 ("LNA"),
mientras que la etapa de salida está representada por un
amplificador de potencia integrado 3 ("SSPA") que proporciona
la señal que se transmite a la antena. Una flecha de trazos muestra
esquemáticamente el acoplamiento parásito entre las dos
trayectorias que ha sido inducido en la señal de recepción por la
señal de transmisión.
Para solventar este problema de acoplamiento
parásito, una técnica muy corriente consiste en llevar a cabo un
filtrado muy efectivo de la señal de transmisión para eliminar el
acoplamiento de esta última en la trayectoria de recepción.
Convencionalmente, un diplexor que incluya filtros
paso-banda muy selectivos hace posible el
aislamiento, respectivamente, de las bandas de frecuencia de
transmisión y recepción. Esta solución presenta como ventaja que
separa eficazmente las dos bandas de frecuencia. El documento D1
(US 5963854) describe un dispositivo de este tipo. Además, el
documento D1 describe unos filtros de supresión de banda estrecha
que mejoran la linealidad del dispositivo. No obstante, las
pérdidas adicionales en línea se llevan a la entrada del
amplificador de bajo ruido, con lo que se produce una degradación
del factor de ruido en la trayectoria de recepción.
La invención evita los problemas de la técnica
anterior y optimiza el rendimiento de la etapa de entrada de un
dispositivo de recepción/transmisión de señales, como el citado
anteriormente.
Para ello, la invención consiste en un
dispositivo para la recepción/transmisión simultánea de señales en
un sistema de transmisión con un transmisor y un receptor,
comprendiendo dicho dispositivo una trayectoria de recepción para
recibir una señal de recepción que ocupe una banda de frecuencia de
recepción y una trayectoria de transmisión para transmitir una
señal de transmisión que ocupa una banda de frecuencia de
transmisión, siendo dichas bandas de recepción y transmisión
disjuntas, y comprendiendo la trayectoria de recepción una etapa de
amplificación de bajo ruido que incluye medios para amplificar la
señal de recepción, siendo la característica de funcionamiento de
estos medios lineal para un rango de amplitudes de la señal de
entrada, y presentando saturación a partir de una amplitud de una
señal de entrada dada, caracterizándose dicho dispositivo porque
una impedancia de carga óptima se define para el
comportamiento lineal de los medios de amplificación,
en la salida de dichos medios de amplificación
se disponen unos medios para trasladar a dicha salida, por una
parte, un circuito abierto para la banda de frecuencias de
recepción, y por otra parte, una impedancia igual a la impedancia
de carga óptima para la banda de frecuencias de transmisión.
De este modo, la invención hace posible
minimizar la degradación aportada por la señal parásita que se
origina en la trayectoria de transmisión a la frecuencia de
transmisión, que puede tener una potencia relativamente
considerable. Las limitaciones relativas al filtrado de las señales
parásitas en la banda de transmisión pueden ser menos estrictas en
un punto anterior a la cadena de recepción. Si el aislamiento entre
las trayectorias de transmisión y recepción es suficiente, ya no
será necesario efectuar el filtrado en la entrada de la etapa de
amplificación de bajo ruido. En cualquier caso, las pérdidas óhmicas
del filtro de entrada se reducen a causa de la relajación de las
limitaciones en este filtro, lo que hace posible mejorar el factor
de ruido global de la cadena de recepción.
De acuerdo con una realización, unos primeros
medios de filtrado dispuestos en la trayectoria de recepción están
adaptados para trasladar a la salida de los medios de amplificación
un circuito abierto para la banda de frecuencias de transmisión y
una impedancia que se corresponde con la de la trayectoria de
transmisión para la banda de frecuencias de recepción.
De acuerdo con una realización, dichos primeros
medio de filtro incluye un filtro paso-banda
centrado en la frecuencia de recepción, y cuyo ancho de banda es la
banda de frecuencia de recepción.
De acuerdo con una realización, los primeros
medios de filtro incluyen un filtro de banda eliminada que corta la
banda de frecuencia de transmisión.
De acuerdo con una realización, segundos medios
de filtrado, tal como un filtro de banda eliminada, están
dispuestos a la entrada de los medios de amplificación, para así
cortar la banda de frecuencia de transmisión.
La invención también se refiere a un equipo
terminal para comunicaciones con al menos un satélite o una estación
base terrestre, del tipo que incluye una antena, caracterizado
porque incluye el dispositivo de acuerdo con la invención.
Se apreciarán otras características y ventajas
de la presente invención con ayuda de la descripción de los
siguientes ejemplos de realización, tomados como ejemplos no
limitativos, haciendo referencia a las figuras adjuntas, en las
cuales:
- La figura 1, que ya se ha descrito, representa
esquemáticamente la arquitectura de entrada/salida de un dispositivo
de recepción/transmisión acoplado a una antena,
- La figura 2 representa los cambios producidos
en el factor de ruido de un transistor de efecto de campo
("FET") en función del punto de polarización estática,
- La figura 3 representa un diagrama de un
transistor FET,
- La figura 4 representa la línea de carga
óptima para un transistor FET,
- La figura 5 representa el dispositivo de la
invención, de acuerdo con una de sus realizaciones.
A fin de simplificar la descripción se
utilizarán las mismas referencias para designar aquellos elementos
que cumplen funciones idénticas.
En una cadena de recepción estándar acoplada a
una antena de recepción deben reducirse al mínimo las pérdidas
introducidas en la entrada, tal como las generadas por las
conexiones y los elementos de filtro, así como el factor de ruido
de la etapa de amplificación de bajo ruido, por ejemplo, en caso de
un amplificador de bajo ruido construido en torno a un amplificador
FET, la pareja corriente/tensión de polarización (I0, V0) que
define el punto de polarización estática del transistor se obtiene
para un factor de ruido mínimo, como se muestra en la figura 2.
La figura 3 muestra un transistor FET 4 que
cumple la función de amplificador de bajo ruido de la etapa de
entrada. La potencia aportada a la impedancia de carga ZL del
transistor se maximiza seleccionando el valor de la impedancia de
carga ZL para que sea sustancialmente igual a V0/I0 (descartando la
tensión de saturación VD_{SAT} del transistor FET).
La figura 4 representa la línea de carga óptima
obtenida para el funcionamiento del transistor FET. Para una
impedancia de carga ZL fijada, como se ha especificado
anteriormente, a un valor de V0/I0, la desviación del eje de
amplitud VDS y del eje de amplitud ID es máxima, y la potencia
aportada a la carga es máxima.
A modo de ejemplo, en la banda Ku
correspondiente a la banda de frecuencias [12,4 GHz; 18 GHz], la
corriente de polarización suele ser de unos pocos miliamperios (es
decir, 10 mA por ejemplo) para un tensión VDS (drenaje/fuente) del
orden de 2 voltios (lo que nos lleva a una impedancia de carga
óptima de 200 \Omega). Para este punto de polarización, si se
descarta la tensión de saturación VD_{SAT}, la potencia máxima
Pmax inducida por el transistor cuando se le presenta una
impedancia de salida óptima (correspondiente a una máxima desviación
en términos de intensidad y tensión en torno al punto de
polarización) viene dada por:
Pmax(dBm) =
10log(0,5*2,10*10^{-3}) = -20dBw = 10
dBm.
Teniendo en cuenta que los niveles de potencia
de la señal parásita transmitida por la etapa de transmisión
acoplada a la entrada del amplificador de bajo ruido son en general
incompatibles con este último valor, el transistor no funcionará en
régimen lineal y se verá forzado a un régimen de saturación.
La figura 5 representa el dispositivo 5 de la
invención de acuerdo con una realización, incorporado a un equipo
terminal de comunicaciones 10. Este equipo terminal puede utilizarse
para transmitir y recibir las señales procedentes de un satélite
geoestacionario, o de una constelación de satélites, por ejemplo, de
baja órbita, o procedentes de una estación base terrestre.
La antena de recepción 1 está conectada a una
entrada del dispositivo 5, una de cuyas salidas está conectada a
una etapa 6 de conversión de frecuencias a frecuencias intermedias,
y que aporta una señal a un decodificador (no representado).
La entrada del dispositivo 5 está conectada al
transistor 4 (de tipo similar al de la figura 3) que amplifica la
señal recibida por la antena. La salida del transistor está, por una
parte, conectada a una impedancia de carga 7, y por otra, está
conectada a un filtro paso-banda 8 cuya salida es la
salida del dispositivo 5.
En este caso, la impedancia de carga 7 es un
filtro paso-banda centrado en la frecuencia de
transmisión central Tx dejando paso a través de la banda de
transmisión B_{TX}. Este filtro está diseñado de tal forma que
tenga una impedancia cercana a un cortocircuito para la banda de
recepción B_{RX} y una impedancia característica de 50 \Omega
para la banda de transmisión. La impedancia de este filtro se
traslada a la salida A del transistor mediante un segmento de línea
micro-banda cuyo valor de impedancia característica
es de 100 \Omega y cuya longitud es \lambda_{TX},
correspondiendo \lambda_{TX} a la longitud de onda de la señal
transmitida a través de la trayectoria de transmisión. Este
segmento de línea hace posible transformar la impedancia Z_{LOAD}
del filtro 7 en el punto A, de acuerdo con la fórmula siguiente:
Z_{A} =
Z_{C}^{2}/Z_{LOAD} = 100^{2}/50 = 200
\Omega.
De este modo, la impedancia de 500 \Omega 7
devuelve al punto A una impedancia de 200 \Omega, que resulta
óptima en la banda de transmisión (véase el cálculo anterior de la
impedancia óptima para el punto de polarización estática del
transistor). De este modo, el funcionamiento del transistor se
optimiza en su banda operativa lineal, y la desviación de
intensidad/tensión en la salida es máxima, con lo que se eleva al
máximo la potencia disponible en la salida del transistor en la
banda de transmisión. La energía recibida por el transistor en la
banda de transmisión de la señal parásita se transmite de esta forma
a la impedancia de carga. Además, el cortocircuito presentado por
la impedancia 7 para la banda de recepción traslada al punto A un
circuito abierto para esta misma banda, con lo que se impide
cualquier transmisión de una señal en la banda de recepción a la
impedancia 7.
El componente de las señales correspondiente a
la señal de transmisión parásita introduce un mínimo de
perturbaciones al nivel de la etapa de entrada. El transistor puede
aportar una señal con la máxima amplitud sin que su rendimiento se
degrade en términos de factor de ruido.
Paralelamente a esto, el filtro
paso-banda 8 está centrado en la frecuencia de
recepción central, deja paso a través la banda de recepción Rx.
Este filtro 8 está diseñado de tal forma que su impedancia se
aproxime a un cortocircuito para la banda de transmisión B_{TX} y
que tenga una impedancia característica de 50 \Omega para la
banda de recepción. Este filtro se devuelve a la salida A del
transistor mediante un segmento de línea
micro-banda equivalente a \lambda_{TX}/4,
correspondiendo \lambda_{TX} a la longitud de onda de la señal
transmitida a través de la trayectoria de transmisión. El segmento
de línea \lambda_{TX}/4 desempeña la función de inversor de
impedancia. De este modo, el cortocircuito mostrado por el filtro 8
para la banda de transmisión se traslada en el punto A a un
circuito abierto para esta misma banda, lo que impide la transmisión
de cualquier señal para la banda de transmisión al filtro
paso-banda.
De acuerdo con una variante representada en la
figura 5 mediante guiones, entre la entrada del dispositivo 5 y la
entrada del transistor 4 se ha dispuesto un filtro de banda
eliminada 9, con el fin de eliminar, al menos, parcialmente la
señal parásita en la banda de frecuencias de transmisión.
A fin de ayudar a su construcción, en términos
de tamaño y coste, los filtros 7 y 8 y los segmentos de línea se
construyen utilizando la tecnología micros-banda
conocida en sí.
Por supuesto, la invención no se limita a la
realización descrita anteriormente.
De este modo, se ha tomado un transistor como un
medio de amplificación. También es válido cualquier otro tipo de
medios de amplificación, especialmente unos que tengan una
característica de funcionamiento lineal para un rango de amplitudes
de la señal de entrada y en el que se sature esta característica de
funcionamiento a partir de una amplitud de la señal de entrada.
Igualmente, las señales intercambiadas dentro
del marco del sistema de transmisión podrían ser analógicas o
digitales.
Claims (6)
1. Dispositivo para recepción/transmisión
simultánea de señales en un sistema de transmisión con un transmisor
y un receptor, comprendiendo dicho dispositivo una trayectoria de
recepción (R_{X}) para recibir una señal de recepción que ocupa
una banda de frecuencia de recepción y una trayectoria de
transmisión (T_{X}) para transmitir una señal de transmisión que
ocupa una banda de frecuencia de transmisión, siendo disjuntas
dichas bandas de recepción y transmisión, y comprendiendo la
trayectoria de recepción una etapa de amplificación de bajo ruido
que comprende unos medios (4) para amplificar la señal de recepción,
siendo lineal la característica de funcionamiento para un rango de
amplitudes de la señal de entrada, y que presenta saturación a
partir de una amplitud de una señal de entrada dada,
caracterizado dicho dispositivo porque:
una impedancia de carga óptima se define para el
comportamiento lineal de los medios de amplificación,
unos medios (7) están dispuestos en la salida
(A) de dichos medios de amplificación para trasladar a esta salida
por una parte, un circuito abierto para la banda de frecuencia de
recepción, y por otra, una impedancia igual a la impedancia de
carga óptima en la banda de frecuencia de transmisión.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque primeros medios de filtro (8)
dispuestos en la trayectoria de recepción están adaptados para
trasladar a la salida de los medios de amplificación un circuito
abierto para la banda de frecuencia de transmisión y una impedancia
igual a la de la trayectoria de transmisión para la banda de
frecuencia de recepción.
3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
2, caracterizado porque dichos primeros medios de filtro (8)
incluye un filtro paso-banda centrado en la
frecuencia de recepción, y cuyo ancho de banda es la banda de
frecuencia de recepción.
4. Dispositivo de acuerdo con las
reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque los primeros
medios de filtro (8) comprende un filtro de banda eliminada que
corta la banda de frecuencia de transmisión.
5. Dispositivo de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque segundos
medios de filtro (9) están dispuestos en la entrada de los medios
de amplificación, para cortar la banda de frecuencia de
transmisión.
6. Terminal para comunicaciones con al menos un
satélite o una estación base terrestre, del tipo que incluye una
antena (1), caracterizado porque incluye el dispositivo de
acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes.
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