Especificaciones clave
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Frecuencia central | 1 GHz |
| Sustrato | Rogers RT/duroid 5880LZ |
| Constante dieléctrica (εr) | 2.00 ± 0.04 |
| Espesor del dieléctrico | 1.27 mm (0.05 inch) |
| Espesor del cobre | 35 μm |
| Impedancia de línea (Z0) | 50 Ω |
| Impedancia de los brazos (Z) | √2·Z0 ≈ 70.7 Ω |
| Resistencia de aislamiento | 90 Ω (ideal 100 Ω) |
| Tecnología de fabricación | Fresado CNC (Wegstr) |
| Instrumento de medición | VNA Rohde & Schwarz ZNC3-2Port |
Diseño y simulación
El diseño comenzó con un esquemático en Keysight ADS donde se modelaron los transformadores de λ/4 y la resistencia de aislamiento. Se optó por un diseño balanceado (P2 = P3 = P1/2), lo que implica que ambas salidas deben presentar una atenuación de 3 dB respecto a la entrada.
Esquemático en ADS del divisor Wilkinson.
La simulación electromagnética mostró un comportamiento cercano al ideal en la banda de interés, aunque se observó un ligero desplazamiento en frecuencia atribuido a diferencias entre las propiedades del sustrato teórico y el real.
Parámetros S de red ideal.
Parámetros S de simulación EM.
Fabricación con router CNC
Para el layout físico se reemplazaron los tramos rectos por arcos de radio calculado, lo que permitió Maximizar el aislamiento entre las pistas y eliminar ángulos agudos que degradan el desempeño en RF
Simulación electromagnética del prototipo.
Los archivos Gerber generados a partir del layout se enviaron a una fresadora CNC Wegstr, capaz de una repetitividad de 0.02 mm. Para reducir el desgaste de la mecha, se añadió manualmente un "relleno" de cobre alrededor de las pistas, manteniendo una separación de aproximadamente dos anchos de pista entre las trazas y la masa.
El proceso de fresado fue limpio y preciso, resultando en pistas bien definidas y bordes nítidos. Posteriormente se soldaron conectores SMA en cada puerto, y se agregaron puntos de estaño para conectar la masa superior con la inferior, evitando así acoplamientos parásitos.
Router CNC fresando la placa Rogers.
Prototipo terminado
El dispositivo final es compacto, robusto y listo para medición. Los conectores SMA permiten una conexión directa al VNA mediante cables de calibración.
La resistencia de 90 Ω (visible en el centro) se obtuvo colocando dos resistencias SMD de 180 Ω en paralelo, siendo esta la combinación más cercana al valor ideal de 100 Ω disponible en el laboratorio. Soldar estos componentes miniatura a mano fue un desafío, pero funcionaron de manera muy satisfactoria. También se tuvo especial cuidado al soldar los conectores SMA para evitar cortocircuitar la tierra. Aun así, el aislamiento medido superó los -20 dB en la frecuencia central.
Divisor Wilkinson terminado, con conectores SMA soldados.
Resultados y validación
Las mediciones se realizaron con un analizador de redes vectoriales Rohde & Schwarz ZNC3. Los parámetros S obtenidos confirmaron el comportamiento esperado:
- S21 y S31: ≈ -3 dB a 1 GHz → división equilibrada.
- S11: mejor que -20 dB → excelente adaptación en el puerto de entrada.
- S23: mejor que -20 dB → alto aislamiento entre salidas.
Se observó cierto ripple en la respuesta en frecuencia, pero pruebas adicionales descartaron que fuera causado por el divisor; más bien se atribuyó a imperfecciones en los cables y conectores del sistema de medición.
Mediciónes del dispositivo terminado en VNA.
Vista del archivo Gerber (decorativo).
Análisis detallado con Python
Para un procesamiento más profundo de los datos, se desarrolló un Jupyter Notebook con scikit-rf y matplotlib que permite:
- Cargar archivos de parámetros S (.s2p) tanto de la simulación como del VNA.
- Comparar gráficamente respuestas ideales, simuladas y medidas.
- Aplicar correcciones (como la deadaptación de cables) y evaluar su efecto.
El análisis se pone a continuación. También se puede ver aquí: Analisis.ipynb
Conclusión
El divisor de Wilkinson fabricado demuestra un nivel profesional de implementación en RF, cumpliendo con todas las especificaciones críticas en la frecuencia objetivo de 1 GHz. El proyecto valida un flujo de trabajo integral que combina herramientas de alto nivel (ADS para simulación EM, VNA Rohde & Schwarz para caracterización) con materiales especializados (sustrato Rogers 5880LZ) y técnicas de fabricación precisas (fresado CNC).
Logros destacables:
- División balanceada (-3 dB) con aislamiento >20 dB.
- Adaptación excelente en todos los puertos (S11 < -20 dB).
- Fabricación limpia y repetible mediante CNC.
- Flujo de trabajo validado: ADS → Gerber → CNC → VNA → Python.
Aprendizaje:
La discrepancia entre la frecuencia simulada y la medida resalta la importancia de usar las propiedades reales del sustrato desde la etapa inicial del diseño. Para futuras iteraciones, una optimización EM iterativa permitiría corregir este desplazamiento y afinar aún más el ancho de banda.
Repositorio completo: https://github.com/SimonAulet/portfolio/blob/main/Wilkinson_power_divider/Analisis.ipynb
Herramientas: Keysight ADS, Wegstr CNC, Rohde & Schwarz ZNC3, Python (scikit-rf, matplotlib).