Introducción: objetivo del diseño y contexto de uso
Qué se necesitaba medir y por qué hacía falta un atenuador RF
En este proyecto la necesidad de partida era bastante clara: poder medir señales de RF de hasta 50 W en laboratorio sin poner en riesgo el equipo de medida. Con esos niveles de potencia no es posible conectar directamente la señal a un osciloscopio o a un analizador de espectro, por lo que hace falta un atenuador RF que reduzca la potencia hasta un nivel seguro.
La idea no era solo “bajar señal”, sino hacerlo de una forma controlada, repetible y compatible con un uso real de laboratorio, teniendo en cuenta tanto el comportamiento eléctrico como la disipación térmica.
Alcance del diseño: uso en laboratorio y protección del equipo de medida
El diseño se plantea como un módulo para intercalar entre la fuente de señal y el equipo de medida, de manera que se puedan hacer ensayos o comprobaciones sin comprometer la integridad del instrumental. Además, no se buscaba una solución improvisada, sino un diseño limpio y con sentido como producto, válido tanto para uso propio como de cara a un posible cliente.
Enfoque del proyecto: PCB universal con distintas variantes de atenuación fija
El planteamiento de base fue partir de una PCB común y, a partir de ella, generar distintas variantes mediante cambios en la lista de materiales (Bill of Materials). De esta forma, un mismo diseño base permite obtener atenuaciones fijas en distintos escalones, desde 3 dB hasta 60 dB, simplificando el desarrollo y manteniendo una familia de atenuadores coherente.
Análisis de requisitos del atenuador RF
Antes de comenzar a diseñar nada, es conveniente dedicar mucho tiempo a pensar bien en las características que debe tener el producto; los requisitos. Tras pensarlo se encuentran los siguientes
Requisitos de usuario: medir señales de hasta 50 W sin dañar el equipo
A nivel de usuario, el requisito principal era poder medir señales de hasta 50 W, o 47 dBm, sin dañar el equipo de medida. Junto a esto, el diseño debía ser práctico para laboratorio, fácil de integrar y basado en una solución reproducible.
Requisitos funcionales: reducción de potencia y atenuaciones fijas entre 3 dB y 60 dB
Desde el punto de vista funcional, el atenuador debía reducir una entrada de hasta 47 dBm a un nivel seguro de salida, fijado en un máximo de 10 dBm. Además, el sistema debía cubrir una familia de atenuaciones fijas discretas entre 3 dB y 60 dB, sin pasos variables ni ajustes.
También se definió que la PCB base debía servir para varias configuraciones, de forma que cada variante tuviese una atenuación nominal fija y documentada.
Requisitos no funcionales: robustez, estabilidad térmica e impedancia de 50 Ω
Más allá de atenuar, el conjunto debía soportar picos de 47 dBm sin degradación permanente y mantener un comportamiento térmico razonable en servicio. A nivel eléctrico, se toma como referencia una impedancia de 50 Ω, por ser un estándar, y un VSWR (reflejada) inferior a 1,3:1 dentro del rango de frecuencias previsto, ya que en un diseño de RF no basta con que el circuito funcione: también debe hacerlo con calidad de señal aceptable.
Restricciones de diseño que condicionan la solución
Uso exclusivo de componentes comerciales (COTS)
Una de las restricciones del diseño es que el atenuador debe resolverse únicamente con componentes comerciales. Esto obliga a trabajar con valores normalizados y encapsulados de resistencias SMD habituales, sin recurrir a soluciones a medida.
Limitación de tamaño por la caja Hammond
La placa debe caber en una caja Hammond de aluminio, lo que fija unas dimensiones máximas y condiciona tanto la distribución de componentes como la forma de gestionar la disipación térmica.
Elección de conectores de laboratorio: BNC o TNC
También se impone el uso de conectores BNC, por ser formatos habituales en laboratorio y fáciles de integrar con instrumentación de medida. Esta elección afecta tanto al montaje mecánico como al propio diseño de la PCB.
Atenuación fija sin conmutadores ni relés
La solución debía ser un atenuador de valor fijo, sin conmutadores ni relés. Esto lleva a una red resistiva pura, en la que cada variante de montaje proporciona una atenuación nominal concreta.
Diseño sin ventilación activa y con disipación pasiva
Por último, toda la disipación debe resolverse por conducción y convección pasiva, apoyándose en la PCB, el plano de masa y la caja. Esta restricción tiene bastante peso en la elección de la topología y en el diseño físico del conjunto.
Arquitectura funcional del atenuador
Una sola etapa de atenuación para conseguir un módulo reversible
A nivel de arquitectura, el diseño se plantea como un atenuador de una sola etapa. Esta decisión se toma para facilitar que el módulo sea reversible. Es decir, que pueda conectarse en uno u otro sentido sin que eso comprometa su funcionamiento ni altere el reparto de disipación previsto en el diseño. Si esto no fuera así, se correría el riesgo de que, al conectar el atenuador con la fuente de señal en sentido inverso, el atenuador se pudiera quemar
Trabajar con una única etapa resistiva simplifica bastante el conjunto, tanto desde el punto de vista eléctrico como térmico. Además, evita introducir complejidad innecesaria en un producto pensado para uso de laboratorio.
PCB base común y variantes de montaje según la atenuación requerida
Elección de la topología resistiva: PI frente a T
Topología en PI: ventajas térmicas e inconvenientes a alta frecuencia
Para este diseño, una de las primeras decisiones importantes fue elegir la topología del atenuador. La opción de atenuador en PI tiene una ventaja clara desde el punto de vista térmico: en atenuaciones elevadas (por ejemplo 30 dB), buena parte de la disipación recae en las resistencias shunt, que van conectadas a masa, y eso facilita bastante la evacuación del calor si se dispone de un plano de mas en la PCB.
Como contrapartida, la topología en PI puede comportarse peor a alta frecuencia cuando la atenuación es muy grande. En esos casos, la resistencia serie central aumenta y aparece con más facilidad un acoplamiento capacitivo parásito entre entrada y salida, que reduce parcialmente la efectividad de la atenuación. Por eso, si se opta por esta solución, el layout tiene bastante importancia.
Topología en T: limitaciones desde el punto de vista térmico
La alternativa en T también es válida desde el punto de vista funcional, pero en este caso presenta peor comportamiento térmico. Aquí las resistencias serie son las que más disipan, y al no estar directamente referidas al plano de masa resulta más difícil disipar el calor de forma eficiente.
Criterios de diseño para minimizar capacidades parásitas y mejorar la disipación
Una vez elegida la topología, hay varios detalles de diseño que pasan a ser importantes. En las resistencias shunt interesa minimizar la inductancia del retorno a masa, con conexiones muy cortas al plano y vías colocadas lo más cerca posible del pad. Si además se ponen varias resistencias en paralelo para repartir potencia, conviene que estén agrupadas y dispuestas de forma simétrica, funcionando como un bloque compacto.
Eso sí, hay que tener presente que poner varias resistencias shunt en paralelo también incrementa la capacidad parásita asociada a pads y conexiones. En RF, estos pequeños detalles terminan influyendo bastante, así que la elección de topología no se puede separar del diseño físico de la PCB.
[Placeholder imagen: esquema comparativo de topología PI y topología T]
Selección de tipo de elemento resistivo
Resistencias SMD de película metálica
Una primera opción son las resistencias SMD de película metálica en encapsulados grandes. Son componentes económicos y fáciles de encontrar, lo que encaja bien con la filosofía COTS del diseño. Sin embargo, su principal limitación es la potencia que pueden disipar, que en muchos casos se queda corta para este tipo de aplicación. Estas resistencias, en su formato mas grande, el 2518 son capaces de disipar hasta 1 W
Desde el punto de vista de RF funcionan razonablemente bien, con un ancho de banda elevado ya que al ser SMD no tienen pines, pero en un atenuador de potencia el factor limitante suele ser térmico más que eléctrico.
Resistencias SMD thick film con capacidades anti-surge
Estas son muy similares a las de película metálcia normales, pero en las que el material resistivo está dispuesto en una capa más gruesa, lo que reduce la aparición de hot-spots. Esto las hace aptas para soportar picos de potencia y transitorios. Son una alternativa interesante cuando se busca mayor robustez.
En comparación con las resistencias estándar, pueden ofrecer ratings de potencia mucho más elevados en el mismo formato, lo que las hace bastante adecuadas en el escenario de uso de un atenuador. Como contrapartida, su comportamiento en alta frecuencia suele ser algo peor, aunque en este caso sigue siendo compatible con el rango de trabajo planteado.
Resistencias SMD con sustrato de nitruro de aluminio (AlN)
Una tercera opción son las resistencias SMD con sustrato de nitruro de aluminio (AlN). Tienen una construcción similar a las resistencias vistas anteriormente, pero en lugar de usar un sustrato de alúmina usan nitruro de Aluminio. Su principal ventaja es la conductividad térmica, significativamente mayor que la de la alúmina convencional, lo que permite evacuar mejor el calor y trabajar con mayor potencia.
Además, suelen tener muy buen comportamiento en alta frecuencia. El inconveniente es su precio, más elevado que el de otras alternativas.
Por qué se descartaron otras alternativas
Otras opciones, como resistencias through-hole o de hilo bobinado (wire-wound), se descartan directamente. Aunque pueden manejar potencia, no son adecuadas para RF debido a la inductancia de su construcción.
En este caso, la decisión final no depende solo de un criterio, sino del compromiso entre comportamiento en RF, capacidad de disipación y coste. El objetivo es encontrar una solución que funcione bien en conjunto, no solo en un aspecto concreto.
[Placeholder imagen: comparación de tecnologías de resistencias para RF]
Dimensionado preliminar de la red resistiva
Relación entre resistencias shunt y resistencia central
Casos extremos del diseño: 3 dB y 60 dB de atenuación
Consideraciones de disipación de potencia en las resistencias
[Placeholder imagen: esquema de cálculo o reparto de potencia en la red resistiva]
Diseño esquemático del atenuador en Altium
Creación del proyecto y configuración inicial en Altium
Definición del esquemático: conectores BNC y red de resistencias
Anotación de componentes y preparación para el PCB layout
[Placeholder imagen: captura de la configuración inicial del proyecto en Altium]
Diseño de la PCB y stackup de la placa
Configuración de una PCB de 2 capas sobre FR4 de 1,6 mm
Capa superior para señal y componentes, capa inferior como plano de masa
Criterios de diseño pensando en RF y en disipación térmica
[Placeholder imagen: stackup de la PCB en Altium]
Cálculo de la impedancia característica de la línea
Por qué la pista debe tratarse como línea de transmisión
Variables que intervienen en la impedancia característica de un microstrip
Resultado del cálculo y elección de una pista de 3 mm
[Placeholder imagen: esquema de microstrip o fórmula de impedancia característica]
Placement y ruteado del atenuador RF
Disposición de los componentes siguiendo el flujo de la señal
Pistas cortas, geometría simple y retorno a masa cuidado
Ubicación de las resistencias de shunt y del conector de salida
[Placeholder imagen: layout de la PCB del atenuador RF]