3 S ISTEMA DI CONTROLLO AUTOMATICO DI RETI DI ADATTAMENTO

3

S

ISTEMA DI CONTROLLO AUTOMATICO DI RETI DI

ADATTAMENTO

Gli attuali sistemi di matching, utilizzati per l’adattamento d’antenna, sono pilotati da utente in maniera manuale, o semi-automatica, non adattativa.

L’obiettivo del tirocinio, svolto presso l’azienda Microcomm, consiste nella realizzazione di un dispositivo in grado di comunicare con la rete di matching (ATU) di un sistema di trasmissione (figura 3-1), attraverso un’interfaccia hardware, al fine di ottenere un adattamento, completamente automatico e real-time, fra trasmettitore ed antenna. Tale dispositivo è stato chiamato Automatic Matching System (AMS).

Figura 3-1 Sistema di trasmissione con AMS.

In questo capitolo inizialmente si espongono le fasi della progettazione dell’Automatic Matching System, infine si riporta la descrizione dell’hardware utilizzato per la realizzazione dello stesso.

3.1

Progettazione dell’AMS

L’AMS è il dispositivo realizzato per poter operare l’adattamento, automatico e real-time, dell’impedenza d’ingresso di un’antenna.

Si riporta (figura 3-2) lo schema a blocchi dell’Automatic Matching System:

Figura 3-2 Schema a blocchi dell’AMS.

Il sistema di figura è composto da:

• un generatore di segnale AC (realizzato attraverso un oscillatore numerico) che fornisce in uscita il segnale di test utilizzato per la misura d’impedenza; • un ponte direzionale che presenta in uscita il segnale legato all’impedenza

considerata;

• un misuratore di modulo ed uno di fase del segnale suddetto e due convertitori A/D per la conversione digitale delle misure effettuate.

• un’unità centrale di controllo per l’elaborazione dati e la comunicazione con le periferiche.

3.1.1 AMS all’interno di un sistema di comunicazione

Di seguito si riporta lo schema a blocchi del sistema di trasmissione che utilizza il dispositivo AMS.

Figura 3-3 Sistema di trasmissione con AMS

il principio di funzionamento del sistema di figura 3-3 è il seguente:

1. inizialmente l’AMS resta in attesa di una richiesta, di modifica della rete di matching (ATU), da parte del trasmettitore, attraverso un’opportuna interfaccia di comunicazione;

2. supponendo che l’Automatic Matching System abbia ricevuto tale richiesta, questo opera un collegamento con l’antenna d’interesse (pilotando undeviatore) ed effettua una misura della sua impedenza d’ingresso;

3. l’AMS effettua una modifica della rete di adattamento (ATU), attraverso un determinato bus.

Si prevede che l’AMS disponga di tre linee di connessione con dispositivi esterni (figura 3-4):

•una linea di alimentazione;

• un bus dati ad esempio di tipo I2C; •una linea di connessione con l’antenna.

Figura 3-4 Linee di connessione AMS.

3.1.2 Diagramma a stati del sistema (Automatic Matching System)

È importante, in fase di progettazione di un generico sistema, ricavare il diagramma a stati dello stesso. Analizzando il sistema considerato (AMS), risulta possibile ottenere il diagramma di figura 3-5, si conclude quindi che l’Automatic Matching System può assumere tre stati.

Figura 3-5 Diagramma a stati dell’AMS

si osserva che (figura 3-5):

1. l’Automatic Matching System interroga il bus in attesa di una richiesta di misura da parte dell’utente (stato S ) ; 0

2. nell’istante in cui l’Automatic Matching System riceve tale richiesta, quest’ultimo esegue una configurazione iniziale delle periferiche di sistema (sulla base delle informazioni ricevute da parte dell’utente) ed effettua la misura dell’impedenza d’ingresso dell’antenna (stato S₁);

3. l’AMS pilota la rete di matching, attraverso un bus di comunicazione (stato S₂). 4. l’Automatic Matching System assume nuovamente lo stato S , in attesa di una ₀

3.2

Studio e realizzazione del Ponte Direzionale

Si riporta nel seguito lo schema circuitale del ponte di Wheatston.

Figura 3-6 Ponte di Wheatstone con sorgente in ingresso.

Le resistenze di tale dispositivo (figura 3-6) sono dimensionate, al fine di soddisfare la condizione di bilanciamento del ponte di Wheatston (ampiamente trattata nel precedente capitolo), nel seguente modo:

• R2 =R3 =R0 =50Ω; • R1 = NR0; • N R R₄ = 0 .

Si suppone a titolo di esempio di imporre N =5. Indicando con V₁ la tensione d’ingresso, si osserva che (figura 3-6):

1. V₂ rappresenta la tensione d’uscita e ad essa è associata una perdita di 1.58dB rispetto a V₁;

Il ponte di Wheatston è un dispositivo bidirezionale. Supponendo infatti di poter spostare la sorgente di segnale in serie al ramo d’uscita (contenente la resistenza R₂) e di considerare R come resistenza di carico, si ricava il seguente circuito: S

Figura 3-7 Configurazione del ponte di Wheastson con sorgente in uscita.

Si suppone di associare alla resistenza R un valore arbitrario, Si osserva che (figura S

3-7):

• se è soddisfatta la condizione di equilibrio (R_S =R₀), del dispositivo considerato, la tensione V risulta nulla; 3

• nel caso in cui non sia soddisfatta la condizione di bilanciamento del ponte di Wheatston RS ≠R0, V presenta una perdita minima di 15.5 dB rispetto a 3 V2

(tensione d’ingresso del circuito di figura 3-7).

• la tensione d’ingresso V₂ deve essere isolata dalla massa (M). Si conclude che:

1. Utilizzando il dispositivo appena analizzato (figura 3-7), se la sua condizione di bilanciamento non è soddisfatta, risulta possibile prelevare una porzione del segnale d’ingresso, misurando la tensione ai capi della resistenza R . 3

2. Tale tensione è legata al valore dell’impedenza di carico R . _S

3. L’isolamento tra la massa e la tensione d’ingresso del dispositivo è ottenuto attraverso l’utilizzo di un trasformatore (ad esempio un Balun RF) .

Si ricava quindi lo schema circuitale del dispositivo usato a RF:

Figura 3-8 Schema del ponte direzionale realizzato.

Si osserva che (figura 3-6):

1. il ponte direzionale realizzato presenta un cavo coassiale tra i terminali d’ingresso (IN) e di uscita (OUT), una parte della calza esterna di tale cavo è stata eliminata per poter prelevare una porzione del segnale d’ingresso attraverso un ulteriore terminale (ERR);

2. Z_X rappresenta l’impedenza che si vuole misurare ovvero quella vista ai terminali di un generico DUT (ZX =ZDUT );

3. ipotizzando di poter variare il valore di Z_DUT, variano anche le perdite tra i terminali IN ed ERR del dispositivo.

3.2.1 Simulazioni effettuate con il software ADS

L’ADS (Advanced Design System) è un software che ha riscosso grande successo a livello industriale, utilizzato per la progettazione di:

• dispositivi elettronici RF; • dispositivi a microonde;

• applicazioni digitali ad alta velocità.

Si consideri nuovamente lo schema del ponte direzionale.

Figura 3-9 Ponte riflettometrico con bocche numerate.

Si ipotizza di poter considerare il ponte riflettometrico come una giunzione a microonde composto da tre bocche (figura 3-9). Si suppone inoltre di poter misurare la tensione che insiste sui terminali single-ended connessi a tali bocche. Si osserva che:

• se è soddisfatta la condizione di equilibrio del ponte, le bocche uno e tre risultano fra di loro isolate;

• in caso contrario, la potenza del segnale in ingresso in bocca uno si ripartisce tra le bocche due e tre.

Di seguito si riporta il grafico che mostra i risultati ottenuti dall’analisi del ponte direzionale in ambiente ADS:

Figura 3-10 Grafico della tensione d’ingresso e della tensione misurata sulla bocca tre del ponte direzionale, nel caso in cui sia soddisfatta la condizione di

bilanciamento dello stesso.

Il precedente grafico (figura 3-10) è stato ottenuto attraverso la simulazione effettuata su un ponte direzionale, che:

•presenta in ingresso un generatore di tensione alternata (di ampiezza picco-picco pari a 2V e frequenza pari a 1MHz);

•opera in condizione di equilibrio.

Si dimostra che se la condizione di bilanciamento del ponte riflettometrico è soddisfatta, la tensione misurata, ai terminali single-ended del carico resistivo collegato con la bocca tre del dispositivo, risulta nulla.

Nel seguito si presentano invece i risultati ottenuti in ambiente ADS, attraverso le simulazioni effettuate su un ponte direzionale che non opera in condizione di equilibrio.

Si osserva che la tensione ai capi del terminale single-ended connesso alla bocca tre non è nulla.

Figura 3-11 Grafico della tensione d’ingresso e della tensione sulla bocca tre del ponte direzionale, nel caso in cui non sia soddisfatta la sua condizione di

equilibrio.

Infine si riportano le immagini dei risultati, ottenuti in ambiente ADS, relativi alle perdite associate al ponte direzionale, tra la bocca uno e la bocca tre dello stesso, in un range di frequenze compreso tra 0 e 50 MHz, rispettivamente nei seguenti casi:

1. è soddisfatta la condizione di bilanciamento del ponte direzionale (figura 3-12); 2. è assente il carico sulla bocca due del dispositivo considerato (figura 3-13).

Figura 3-12 Isolamento tra le bocche tre ed uno del ponte direzionale tra 0MHz e 50MHz.

Figura 3-13 Perdite associate al ponte riflettometrico, tra le bocche uno e tre dello stesso, valutate in assenza di carico sulla bocca due del dispositivo.

Si osserva che:

•i risultati ottenuti attraverso le simulazioni, in ambiente ADS, sono in accordo con quanto è stato ricavato attraverso l’analisi teorica del dispositivo considerato;

•la misura d’impedenza, ottenuta attraverso l’uso del ponte riflettometrico, è tanto più precisa, quanto più risultano isolate (condizione di bilanciamento soddisfatta) le bocche uno e tre dello stesso.

In conclusione, ponendo in ingresso al ponte direzionale un segnale di test dalle caratteristiche note, nell’ipotesi che la condizione di bilanciamento del dispositivo considerato non sia soddisfatta, risulta possibile ottenere una misura dell’impedenza del carico sulla bocca due del ponte, attraverso l’elaborazione del segnale in uscita dalla bocca tre dello stesso.

3.2.2 Realizzazione del ponte direzionale e test effettuati

Per la realizzazione del balun utilizzato all’interno del ponte riflettometrico, sono stati usati:

• un toroide di ferrite con alta permeabilità magnetica iniziale (in questo modo il balun opera in maniera ottimale anche alle basse frequenze).

Figura 3-14 Balun realizzato attraverso un toride di ferrite.

Di seguito si riportano le immagini relative ai test effettuati sul ponte direzionale. Si osserva che, in accordo con quanto ricavato attraverso l’uso del software ADS, il dispositivo considerato, nel caso in cui è soddisfatta la condizione di equilibrio, presenta un isolamento, tra le bocche uno e tre dello stesso, inferiore a -40dB, per un range di frequenze pari a 0.3÷200MHz (figura 3-15).

Si osserva inoltre che la perdita tra la bocca uno e la bocca tre del ponte riflettometrico, nel caso di assenza di carico sulla bocca due dello stesso, risulta pari a -16 dB nell’intervallo di frequenze 0.3÷200MHz (figura 3-16).

3.3

Oscillatore Numerico e misura del modulo e della fase di un

segnale

Di seguito si riporta la descrizione della parte dell’hardware, relativo all’AMS, adibito: alla generazione del segnale di test (ingresso del ponte direzionale) ed alla misura di una grandezza complessa, legata all’impedenza del DUT considerato. 3.3.1 Oscillatore Numerico

Per generare un segnale, da porre in ingresso al ponte riflettometrico, al fine di testare l’impedenza ai capi di un DUT, si adopera un oscillatore numerico, in quanto quest’ultimo presenta le seguenti caratteristiche:

• è programmabile;

• è caratterizzato da un phase-noise migliore rispetto ad un oscillatore analogico. Si ricorda che lo svantaggio principale dovuto all’utilizzo dell’oscillatore numerico consiste nel fatto che la frequenza del segnale d’uscita è molto più bassa di quella del clock.

Di seguito si riporta lo schema a blocchi generico di un oscillatore numerico.

Figura 3-17 Blocchi logici dell’oscillatore numerico.

Il dispositivo (figura 3-17) è composto da:

• un clock di riferimento la cui frequenza è legata alla frequenza del segnale d’uscita;

• un accumulatore di fase che opera un incremento di fase (∆ϕ) ad ogni ciclo di clock;

• Un convertitore Fase/Ampiezza che converte l’informazione in uscita dall’accumulatore di fase in un valore di ampiezza (tale conversione avviene per mezzo di una look-up table);

• un convertitore D/A.

• un filtro passa basso che elimina le repliche dello spettro del segnale campionato.

Si ricorda che la frequenza del segnale sinusoidale, in uscita dall’oscillatore numerico, si imposta via software attraverso una parola di controllo composta da N bit, che si ricava attraverso la seguente espressione:

N CLK DEC

OUT W f

f =( ⋅ )/2 .

Si osserva che nella precedente formula: f_OUT rappresenta la frequenza del segnale generato, WDEC è il valore decimale della parola di controllo ed fCLK è la frequenza

del clock di riferimento.

3.3.2 Sistema di misura del Modulo e della Fase di un segnale

Per la misura del modulo e della fase del segnale in uscita dal ponte direzionale si adopera l’integrato AD8302.

Figura 3-18 Rivelazione del modulo e della fase del segnale in uscita dal ponte direzionale.

L’AD8302 ha due ingressi (INPA, INPB). Tale integrato infatti opera una misura del guadagno (o dell’attenuazione) e della fase, di un segnale (ingresso INPA) rispetto ad un altro (INPB).

Si osserva quindi che l’AMS, attraverso la struttura considerata (figura 3-18):

•effettua una misura dell’attenuazione e della fase del segnale in uscita dal ponte riflettometrico rispetto al segnale generato dall’oscillatore numerico;

•elabora i valori misurati al fine di ricavare l’impedenza ai terminali del DUT d’interesse.

L’elaborazione delle informazioni ottenute attraverso l’utilizzo dell’AD8302, è effettuata dal PIC18F8722.

Per un approfondimento sull’integrato considerato si rimanda al datasheet dell’AD8302 in Appendice D.

3.4

Unità centrale di controllo

L’Automatic Matching System, come esposto all’inizio di questo capitolo, contiene una CPU che assolve le seguenti funzioni:

• opera una configurazione iniziale di tutto il sistema AMS;

• ascolta le richieste, di misura dell’impedenza, da parte dell’utente attraverso un’opportuna interfaccia di comunicazione;

• ricava il valore dell’impedenza d’interesse;

• comunica tale valore ad un ATU attraverso un bus e regola quest’ultimo per il valore migliore.

Si vuole evidenziare che l’utente esterno e la rete di matching, comunicano con la CPU attraverso un unico bus di tipo I2C.

Il PIC18F8722 è il dispositivo usato per realizzare l’unità centrale di controllo. Tale PIC presenta le seguenti caratteristiche:

1. utilizza l’architettura RISC;

2. è composto da periferiche di comunicazione seriale (I2C e SPI); 3. contiene un convertitore A/D da dieci bit;

4. consente l’uso di diverse sorgenti di clock.

Si evidenzia che il PIC18F8722 possiede sedici pin configurabili come ingressi per il convertitore A/D da dieci bit.

Soltanto due di questi ingressi sono adoperati per elaborare le informazioni, relative al modulo ed alla fase del segnale legato all’impedenza di interesse, che consentono quindi di operare una misura della stessa.