Home >Documents >Sisteme RF Cap1

Sisteme RF Cap1

Date post:19-Jan-2016
Category:
View:35 times
Download:1 times
Share this document with a friend
Description:
Aa
Transcript:
  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    1

    1. Parametrii de sistem ai dispozitivelor de microunde

    1.1. Introducere

    Un sistem de RF i microunde este alctuit din diferite dispozitive conectate prin linii de transmisiune. n acest capitol vom discuta despre parametrii de sistem a diferite dispozitive. Acestea sunt reprezentate prin simbolurile din Tabelul 1.1 Tabelul 1.1

    Numele componentei

    Simbolul componentei

    Numele componentei

    Simbolul componentei

    Cuplor Direcional

    1xN Comutator

    1xN

    Hubrid de 90 Defazor

    Hubrid de 180

    Atenuator

    Divizor de putere

    Atenuator variabil

    Filtru trece band

    Varactor

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    2

    Numele componentei

    Simbolul componentei

    Numele componentei

    Simbolul componentei

    Filtru trece jos

    Multiplicator de frecven

    Filtru trece sus

    Divizor de frecven

    Izolator

    Oscilator

    Circulator

    Amplificator

    Mixer

    Comutator

    1.2. Cuploare direcionale, cuploare hibride, divizoare/sumatoare de putere

    Cuploarele direcionale i hibride sunt dispozitive utilizate pentru a suma sau diviza semnalele. Un cuplor direcional este un dispozitiv cu patru pori cu propietatea c o und incident n poarta 1 este cuplat la poarta 2 i 3, i izolat de poarta 4, figura 1.1.

    Fig.1.1. Cuplor direcional

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    3

    Cele patru pori sunt: de intrare, direct, de cuplaj i izolat. Dac 1P este puterea aplicat n poarta 1, care este adaptat la impedana generatorului, iar 2P , 3P i 4P sunt puterile disponibile la porile 2, 3 i 4, parametrii importanti n descrierea performanelor unui cuplor sunt:

    factorul de cuplaj (n dB): 3

    1PP

    log10C = (1.1)

    directivitatea (n dB): 4

    3PP

    log10D = (1.2) izolarea (n dB):

    DCPP

    log10PPlog10

    PP

    PPlog10

    PPlog10I

    4

    3

    3

    1

    4

    3

    3

    1

    4

    1 +=+=== (1.3)

    n general, performanele unui cuplor sunt ndicate prin factorul de cuplaj, directivitate i impedana de terminaie. Poarta izolat este de obicei terminat pe o sarcin adaptat. Pierderi de inserie mici i directivitate mare sunt alte caracteristici dorite ale cuplorului. Pentru creterea benzii se utilizeaz cuploare cu mai multe seciuni. Exemplu Un cuplor direcional de 10 dB are o directivitate de 40 dB. Dac puterea de intrare este 10P1 = mW, care este puterea la porile 2,3 i 4 ? Presupunem: a) cuplor fr pierderi, b) cuplor cu pierderi de inserie 0.5 dB. Soluie

    a) Pentru cazul fr pierderi: ( ) ( ) ( )dBmPdBmPPPlog10dB10)dB(C 3131 ===

    dBm10mW10P1 == mW1dBm0dB10dBm10CPP 13 ====

    ( ) ( ) ( )dBmPdBmPPP

    log10dB40dBD 434

    3 === ( ) ( ) mW0001.0dBm40dB40dBm0dBDdBmPP 34 ====

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    4

    mW9PPPP 4312 = sau 9.5 dBm

    b) Pentru cazul pierderilor de inserie de 0.5 dB, presupunem c acestea sunt aceleai pentru toate cele trei pori:

    Pierderi de inserie dB5.0IL L === mW89.0dBm5.0dB5.0dBm0P3 ===

    mW000089.0dBm5.40dB5.0dBm40P4 === mW9.7dBm9dB5.0dBm5.9P2 ===

    Cuploarele hibride se utilizeaz de obicei cu un factor de cuplaj de 3 dB, dar sunt posibile si alte cuplaje. n figura 1.2 este prezentat un cuplor hibrid de 90.

    Fig.1.2. Un cuplor hibrid de 90. Pentru un cuplaj de 3 dB, 2ZZ 0S = i

    0p ZZ =

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    5

    Pentru un cuplaj de 3 dB, semnalul de intrare de la poarta 1 este mprit egal ntre porile 2 i 3. Porile 1 i 4 sunt izolate una de alta. Cele dou semnale de iesire sunt defazate cu 90. Trebuie menionat c poarta 4 poate fi folosit si ca poart de intrare; n acest caz, poarta 1 devine poarta izolat, datorita simetriei circuitului. Semnalul de la poarta 4 este egal mprit ntre semnalele de ieire de la portile 2 i 3. Cuplorul hibrid de 180 are caracteristici similare cu cel de 90, doar c cele dou semnale de ieire sunt defazate ntre ele cu 180. n figura 1.3 se arat un cuplor n inel utilizat ca un cuplor hibrid de 180.

    Fig.1.3. Un cuplor hibrid de 180. Pentru un cuplaj de 3 dB, 2ZZ 0R =

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    6

    Pentru cuplorul de 3 dB, semnalul de intrare, aplicat la poarta 1 este imprit egal ntre porile 2 i 3, ntre care exist un defazaj de 180. Porile 1 i 4 sunt izolate. Similar, porile 2 i 3 sunt izolate. Dac semnalul de intrare se aplic la poarta 4, el va fi imprit egal intre porile 2 i 3, dar n faz. Un divizor Wilkinson este un divizor de putere cu dou ci. El ofer o band larg i semnale n faz la portile de ieire. n figura 1.4 se prezint un divizor Wilkinson cu o singura seciune, care const din dou linii de transmisiune.

    Fig. 1.4. Cuplor Wilkinson de 3-dB

    Pentru un divizor de 3 dB, semnalul de intrare de la poarta 1 este mprit egal n dou semnale la porile 2 i 3. Porile 2 i 3 sunt izolate. Un rezistor

    0Z2 este conectat ntre porile de ieire pentru a asigura izolarea. Pentru o funcionare de band larg, pot fi utilizate mai multe seciuni. mprirea inegal a puterilor poate fi realizat folosind impedane caracteristice diferite pentru liniile in sfert de lungime de und i pentru valoarea rezistorului.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    7

    Divizoarele pot fi cascadate pentru a crete numrul porilor de ieire. n figura 1.5 se prezint un divizor de putere 1/8, realizat pe trei nivele. n figura 1.6 este prezentat performana tipic a unui divizor Wilkinson de 3 dB, realizat n tehnic microstrip.

    Fig. 1.5. Divizor de putere 1 x 8

    Fig. 1.6. Performaa unui cuplor Wilkinson de 3 dB, n tehnologie microstrip

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    8

    n banda 1,8 2.25 GHz, cuplajul la portile 2 i 3 este de cca. 3.4 dB ( dB4.3SS 3121 n fig. 1.6). Pentru cazul fr pierderi,

    dB3SS 3121 == . Prin urmare pierderile de inserie sunt de 0.4 dB. Izolarea ntre porile 2 i 3 este peste 20 dB.

    1.3. Rezonatoare, Filtre i Multiplexoare

    Rezonatoarele sunt componente importante n realizarea filtrelor. Ele se utilizeaz i pentru controlul i stabilizarea frecvenei oscilatoarelor, n discriminatoarele de frecven sau n sistemele de msur. n figura 1.7 se prezint patru tipuri de combinaii L-C care modeleaz un rezonator.

    Fig. 1.7. Patru tipuri de circuite Rezonante Figura 1.8 prezint circuitele echivalente la rezonan: 0Z = , echivalent cu un scurtcircuit, i 0'Y = , echivalent cu un circuit deschis.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    9

    Fig. 1.8. Circuite echivalente la rezonan pentru cele patru circuite rezonante din fig. 1.7

    Frecvena de rezonanta este dat de:

    LC12

    0 = sau

    (1.4)

    LC21fr = (1.5)

    n realitate, exista pierderi (modelate prin R i G) asociate rezonatoarelor Figurile 1.7a i c sunt redesenate n figura 1.9 pentru a include i pierderile. Pentru a specifica selectivitatea n frecven i pierderile de energie, se folosete factorul de calitate Q. Factorul de calitate nencrcat, 0Q , este definit ca: ( )

    undasecpepierdutaenergiatainmagazinamedieenergia

    Q 00= (1.6a)

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    10

    Fig. 1.9. Rezonatoare cu elemente de pierderi R i G

    Pentru un rezonator paralel, avem:

    ( )( ) L

    RG

    C

    GVV21

    CVV21Q

    0

    000 =

    ==

    (1.6b)

    iar pentru un rezonator serie:

    ( )( ) CR

    1R

    L

    RII21

    LII21Q

    0

    000 =

    ==

    (1.6c)

    n aplicaii, rezonatoarele sunt n totdeauna cuplate la sarcini externe. Efectul de ncrcare va schimba rezistena net i n consecin factorul de calitate. Factorul de calitate ncrcat, LQ , este definit ca:

    ext0L Q1

    Q1

    Q1 += (1.7)

    n care extQ este factorul de calitate extern dat de efectele cuplajului extern. Factorul de calitate ncrcat poate fi calculat msurnd rspunsul n

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    11

    frecven al rezonatorului. n figura 1.10 se prezint rspunsul tipic al unui rezonator.

    Fig. 1.10. Rspunsul n frecven al rezonatorului

    Factorul de calitate ncrcat se va calcula cu relaia:

    21

    0L ff

    fQ = (1.8) unde 0f este frecvena de rezonan i 21 ff este banda la 3 dB. Factorul de calitate nencrcat poate fi calculat cu ajutorul factorului de calitate ncrcat i a pierderilor de inserie IL (dB), msurate la frecvena de rezonana, cu ajutorul relaiei:

    10ILL

    0101

    QQ = (1.9) Cu ct factorul de calitate este mai mare, cu att este mai selectiv rspunsul in frecven al rezonatorului i mai mici sunt pierderile de inserie. Valori tipice pentru Q sunt: < 200 pentru un rezonator microstrip, citeva mii pentru

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    12

    o cavitate n ghid de und, cca. 1000 pentru un rezonator dielectric i >5000 pentru un rezonator cu cristal. Principala utilizare a rezonatoarelor este n construcia filtrelor. Exist patru tipuri de filtre: trece jos, trece band, trece sus i oprete band. Rspunsurile n frecven ale acestora sunt prezentate n figura 1.11.

    Fig. 1.11. Tipuri de filtre: (a) trece-jos, (b) trece-sus, (c) trece-band, (d) oprete band

    Un filtru ideal prezint adaptare perfect de impedan, pierderi de inserie zero n banda de trecere i rejecie (atenuare sau pierderi de inserie) infinit oriunde n alt parte. n realitate, exist pierderi de inserie n banda de trecere i o rejecie finit oriunde n alt parte. Exista dou configuraii tipice n ceea ce privete aliura caracteristicii n banda de trecere: maxim plat (Butterworth) i echi-riplu (Chebyshev), aa cum se arat n figura 1.12, unde A este atenuarea maxim permis n banda de trecere.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    13

    Fig. 1.12. Rspunsul filtrului: (a) trece-jos maxim plat; (b) trece-jos Chebyshev; (c) trece-band maxim plat; (d) trece-band Chebyshev.

    Circuitele prototip pentru filtre sunt prezentate n fig. 1.13. La frecvene joase aceste circuite pot fi realizate folosind bobine i condensatoare. La frecvene de microunde se pot folosi diferite tipuri de rezonatoare.

    Fig. 1.13. Circuite prototip pentru filtre

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    14

    n figura 1.14. se prezint cteva structuri tipice de filtre microstrip. Filtrul cu impedan n trepte are caracteristic de filtru trece-jos; toate celelalte au caracteristici trece-band. n figura 1.15 se prezint un filtru microstrip cu rezonatoare cuplate inductiv i performanele sale. Pierderile de inserie (IL) n banda de trecere, n jurul lui 5 GHz, sunt de cca. 2 dB, iar pierderile de ntoarcere (RL) mai mari de 20 dB. Rejecia la 4 GHz este peste 20 dB, iar la 3 GHz peste 35 dB. Simularea a fost fcut n ADS.Filtrul poate fi acordat electronic incorpornd diode varicap. n acest caz, banda de trecere este reglat prin modificarea tensiunii de polarizare a diodelor varicap, ceea ce conduce la modificarea capacitii acestora. Pot fi construite i filtre active, utilizind tranzistoare MESFET pentru domeniul microundelor i CMOS pentru domeniul RF. Aceste filtre active pot avea amplificare n loc de pierderi.Multiplexorul n frecven este un dispozitiv care separ sau combin semnalele n diferite benzi de frecven (fig. 1.16a).

    Fig. 1.16. Multiplexor i diplexor: (a) multiplexor utilizat pentru a separa diferite benzi de frecven; (b) diplexor utilizat pentru a separa semnalul de

    emisie de cel de recptie.

    El este utilizat n sistemele FDMA pentru a mpri o band de frecvene n mai multe canale/utilizatori. Pentru evitarea interferenelor, se folosesc benzi de gard introduse ntre canale adiacente. Un astfel de multiplexor se construiete pe baza unei bnci de filtre, legate n paralel. Un diplexor este un dispozitiv utilizat pentru a separa dou benzi de frecven. El este folosit, de obicei, n transceivere pentru a separa banda de emisie de banda de recepie (fig. 1.16b).

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    15

    Fig. 1.14. Structuri tipice de filtre de microunde n tehnologie microstrip[1]

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    16

    Fg. 1.15. Filtru microstrip trece-band: (a) circuitul layout; (b) simularea n ADS mpreun cu msurtori [ENSEA]

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    17

    1.4. Izolatoare i Circulatoare

    Izolatoarele i circulatoarele sunt dispozitive nereciproce. n multe cazuri, ele sunt fcute cu ferite. Propietile electrice nereciproce fac ca coeficienii de transmisie s nu fie aceeai pentru diferite direcii de propagare. ntr-un isolator, este permis transmisia aproape neatenuat de la o poart, s zicem 1, la cealalt poart, notat cu 2, ns exist o atenuare foarte mare n sens invers, de la poarta 2 la poarta 1, aa cum se arat n figura 1.17.

    Fig.1.17. Izolator i aplicaii ale sale: (a) izolatorul permite trecerea puterii doar ntr-un singur sens; (b) isolator utilizat pentru a proteja un oscillator.

    Izolatorul este de obicei utilizat pentru a cupla un semnal de microunde al unei surse (oscilator) la o sarcin extern. El permite ca puterea disponibil a oscilatorului s fie furnizat sarcinii, dar mpiedic ca reflexiile de la sarcin s ajung la surs. Prin urmare, sursa va vedea ntotdeauna o sarcin adaptat, iar efectele sarcinii asupra sursei (cum ar fi variaii ale puterii de ieire sau deplasri de frecven) sunt minimizate. Un izolator real va prezenta pierderi de inserie pentru puterea transmis de la poarta 1 spre poarta 2, i o izolare finit pentru puterea transmis de la poarta 2 spre poarta 1. Izolarea poate fi crescut cascadnd dou izolatoare, cu creterea corespunztoare a pierderilor de inserie.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    18

    Exemplu Izolatorul prezentat n figura 1.17a are pierderile de inserie L de 1 dB i o izolare I de 30 dB n banda de funcionare. (a) Care este puterea de ieire

    2P la poarta 2, dac puterea de intrare la poarta 1 este 10P1 = mW ? (b) Care este puterea de ieire 1P la poarta 1, dac puterea de intrare la poarta 2 este 10P2 = mW ? Soluie (a) mW94.7dBm9dB1dBm10PP L12 ==== (b) mW01.0dBm20dB30dBm10PP I21 ==== Un circulator este un dispozitiv multiport pentru direcionarea semnalului. n figura 1.18 este prezentat un circulator cu trei pori. Un semnal incident la poarta 1 este cuplat doar la poarta 2, un semnal incident la poarta 2 este cuplat doar la poarta 3, iar un semnal incident la poarta 3 este cuplat doar la poarta 1. Semnalul care circul n sens invers este un semnal nedorit, determinat de izolarea circulatorului.

    Fig.1.18. Circulator cu trei pori Circulatorul este o component util pentru directionarea semnalului sau pentru separarea lui, cteva dintre aplicaii fiind prezentate n figura 1.19. Un circulator terminat la o poart poate fi folosit ca izolator (fig.1.19a). Reflexia de la poarta 2 este disipat n terminaia de la poarta 3 i nu va fi cuplat spre poarta 1. Figura 1.19b prezint un circulator utilizat ca duplexor

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    19

    ntr-un transceiver, pentru a separa semnalele de emisie i recepie. Aceste semnale pot avea aceeai frecven sau frecvene diferite. Circuitul din figura 1.19c este un defazor fix sau variabil. Ajustnd lungimea liniei de transmisiune de la poarta 2, putem introduce un defazaj de l2 ntre semnalul de la poarta 1 i cel de la poarta 3. Lungimea liniei poate fi modificat folosind un scurtcircuit deplasabil. Un circulator poate fi folosit pentru a construi un amplificator, utiliznd un dispozitiv cu dou terminale, cum ar fi dioda IMPATT sau dioda GUNN. n acest caz, circulatorul este folosit pentru a separa porile de intrare i ieire (vezi fig.1.19d).

    Fig.1.19. Anumite aplicaii ale circulatorului: (a) ca izolator; (b) ca duplexor; (c) ca defazor; (d) ca circuit de amplificare

    1.5. Detectoare i mixere

    Un detector este un dispozitiv care convertete un semnal de RF sau microunde ntr-o tensiune de curent continuu, sau care demoduleaz un semnal de RF sau microunde modulat, pentru a recupera informaia de joas frecven.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    20

    Detecia este realizat utiliznd un dispozitiv cu caracteristic I-V neliniar. Un asemenea dispozitiv este o jonciune p-n clasic sau o jonciune Schottky, a crei caracteristic neliniar este prezentat n figura 1.20.

    Fig.1.20. Caracteristic I-V neliniar

    O asemenea caracteristic neliniar poate fi de forma:

    "+++= 33221 vavavai (1.10) Dac o und continu este incident la dioada detectoare, aa cum se arat n figura 1.21a, avem: ( )tcosAv RF= , sau ( )tsinAv RF= (1.11) Primii doi termeni vor fi:

    ( ) ( ) =+= tcosAatcosAai RF222RF1 ( ) ( )t2cosAa

    21Aa

    21tcosAa RF

    22

    22RF1 ++=

    (1.12)

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    21

    Fig.1.21. Detector utilizat pentru (a) conversia unui semnal RF n curent continuu, (b) demodularea unei purttoare de RF modulat n impuls, (c)

    demodularea unei purttoare de RF modulat cu un semnal analogic.

    La ieirea filtrului trece jos apare o component de curent continuu:

    222cc AAa2

    1i = (1.13) Detectorul funcioneaz n mod normal n regiunea ptratic a caracteristicii neliniare, unde componenta de curent continuu este proporional cu ptratul semnalului de RF incident. Performana unui detector este judecat prin sensibilitatea ridicat, un bun VSWR, gam dinamic larg, pierderi mici i band ct mai mare. Sensibilitate n curent a detectorului este definit prin:

    in

    CCi P

    i= (1.14) unde inP este puterea de RF incident, iar CCi este intensitatea curentul continuu de la ieirea detectorului. Deoarece banda semnalului modulator conine de obicei frecvene sub 1 MHz, detectorul este afectat de zgomotul n 1/f (flicker noise).

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    22

    Sensibilitatea unui receptor de RF/microunde poate fi mult nbuntit utiliznd principiul heterodinei, pentru a evita zgomotul n 1/f. n sistemele heterodin, banda iniial a semnalului este translatat n jurul unei frecvene mai mari, iar procesul este inversat la recepie. Conversia de frecven este realizat ntr-un dispozitiv numit mixer. n cazul unui mixer downconverter, figura 1.22, semnalul recepionat de RF este mixat cu semnalul unui oscilator local (OL) pentru a genera un semnal diferen, numit semnal de frecven intermediar (FI). Semnalul de FI poate fi amplificat i/sau detectat/demodulat. El mai poate suferi i o alt conversie nainte de a fi detectat sau demodulat. Mixerul upconverter, fig. 1.22, este utilizat pentru a genera un semnal de RF plecnd de la semnalul de joas frecven purttor al informaiei.

    Fig.1.22. Downconverter i Upconverter Tensiunea de intrare ntr-un downconverter este dat de: ( ) ( )tsinBtsinAv OLRF += (1.15) Substituind aceast relaie n (1.10), obinem: ( ) ( )( )++= tsinBtsinAai OLRF1 (1.16)

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    23

    ( ) ( ) ( ) ( )( )++++ tsinBtsintsinAB2tsinAa OL22OLRFRF222 ( ) ( ) ( )( +++ ttBAtAa OLRFRF sinsin3sin 22333

    ( ) ( ) ( )) "+++ tBttAB OlOLRF 3322 sinsinsin3 Deoarece termenul ( ) ( )tsintsinAB2 OLRF este chiar produsul celor dou semnale de intrare, mixerul este denumit de multe ori circuit de nmulire a celor dou semnale, ca n figura 1.23.

    Fig.1.23. Multiplicare celor dou semnale de intrare de ctre mixer

    Utiliznd identitile trigonometrice, rezult urmtoarele componente din (1.16):

    OLRF1 ,va OLOLRFRFva 2,,222

    OLRFOLRFOLOLRFRFva ,,3,2,2,333 n downconverter, este utilizat un filtru trece-jos pentru a extrage semnalul de FI ( OLRF sau RFOL ). Toate celelalte frecvene sunt captate. i eventual convertite n semnal de FI. fie sunt disipate. Pentru upconverter se folosete un filtru trece-band care las s treac frecvena OLFI + . Pierderile de conversie pentru un downconverter sunt definite prin:

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    24

    ( )FI

    RFc P

    Plog10dBL = (1.17) unde RFP este puterea semnalului de intrare n mixer, iar FIP este puterea semnalului de ieire din mixer. Un bun mixer trebuie s aib pierderi de conversie mici, factor de zgomot mic, VSWR mic la porile de RF, FI i OL, o bun izolare ntre oricare dou pori, gama dinamic mare, un punct de compresie la 1-dB ct mai mare, un punct de intercepie de ordinul trei ct mai mare i intermodulaii ct mai mici. Definiiile gamei dinamice, a punctului de compresie la 1-dB, a punctului de intercepie de ordinul trei si a intermodulaiilor vor fi date n capitolele urmtoare. Exemplu Pentru exemplificarea performanelor unui mixer, un bloc downconverter de la MITEQ, care funcioneaz ntre 4-40 GHz, are urmtoarele caracteristici: Intervalul de frecvene de RF 4-40 GHz Intervalul de frecvene de OL 4-42 GHz Intervalul de frecvene de FI 0.5-20 GHz VSWR la poarta RF 2.5 VSWR la poarta FI 2.5 VSWR la poarta OL 2.0 Izolarea OL-RF 20 dB Izolarea OL-FI 25 dB Izolarea RF-FI 30 dB Pierderi de conversie 10 dB Cifra de zgomot n banda lateral (la 25) 10.5 dB Puterea de intrare la 1-dB compresie +5 dBm Puterea de intrare la punctul de intercepie de ordinul 3 +15 dBm Puterea de OL necesar +10 ... +13 dBm De remarcat c, cifra de zgomot este aproximativ egal cu pierderile de conversie, ca la orice atenuator. Un mixer se realizeaz din unul sau mai multe elemente neliniare i din filtrele asociate. Filtrele se realizeaz utiliznd tehnologia microstrip sau ghid de und. Aceleai diode p-n sau Schottky utilizate n construcia

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    25

    detectoarelor pot fi folosite i n mixere. Utilizarea tranzistoarelor (MESFET sau HEMT) ca elemente neliniare are avantajul c mixerul va avea n loc de pierderi de conversie, un ctig de conversie.

    1.6. Comutatoare, defazoare i atenuatoare

    Comutatoarele, defazoarele i atenuatoarele sunt dispozitive care permit controlul fazei i amplitudinii semnalelor de RF/microunde. Aceste dispozitive pot fi construite pe baz de ferit sau de semiconductoare (diode PIN sau TEC-uri). Defazarea sau comutarea cu ferit folosete modificarea permiabiliti magnetice sub aciunea unui cmp magnetic polarizator. Dispozitivele pe ferit sunt greoaie, lente i scumpe. Ele au avantajul c pot manipula puteri mari i c au pierderi mici. n tabelul 1.2 sunt prezentate comparativ, dispozitivele controlate prin ferit i prin diode PIN. Tabelul 1.2 Parametru Ferit p-i-n Vitez mic (msec) mare (sec) Pierderi mici (0.2 dB) mari (0.5 dB/decad) Cost mare mic Greutate mare mic Comand complicat simpl Dimensiune mare mic Puterea manipulat mare mic Comutatoarele sunt utilizate pe larg n sistemele de comunicaii pentru multiplexarea n timp, acces multiplu cu divizare n timp, modulaie n impuls, comutare de canale, comutarea emitor/receptor ntr-un transceiver, etc.. n figura 1.24 sunt ilustrate aceste exemple. Un comutator poate fi clasificat astfel: cu un singur pol i o singur cale (SPST single pole sigle throw), cu un singur pol i dou ci (SPDT), cu un singur pol i trei ci (SP3T), etc., aa cum se arat n figura 1.25. Ideal, dac comutatorul este nchis, semnalul trece fr atenuare. Cnd comutatorul este deschis, semnalul va fi complet atenuat. n realitate, exist anumite pierderi de insertie atunci cnd comutatorul este nchis i anumite scpri atunci cind comutatorul este deschis.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    26

    Fig.1.24. Aplicaii ale comutatoarelor: (a) comutarea canalelor sau multiplexarea n timp; (b) duplexor; (c) modulator n impuls.

    Fig.1.25. Diferite tipuri de comutatoare

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    27

    Referindu-ne la figura 1.26, pierderile de inserie i izolarea pot fi definite astfel. Cnd comutatorul este nchis:

    Pierderi de inserie ies

    inL P

    Plog10== (1.18)

    Fig.1.26. Comutator n poziiile nchis (sus) i deschis (jos)

    Cnd comutatorul este deschis:

    Izolarea ies

    inI P

    Plog10== (1.19) Un bun comutator va avea pierderi de inserie mici i izolare mare. Alte performane ale comutatorului depind de aplicaie, cum ar fi: vitez de comutare mare, curent de comand mic, capabilitate mare n putere, dimensiuni mici, cost mic. O aplicaie major a comutatoarelor este construcia defazoarelor. n figura 1.27 se prezint un defazor cu comutare de linii i realizarea sa practic folosind diode PIN. Cnd polarizarea este pozitiv, semnalul curge prin linia de sus, care are o lungime 1l . Dac polarizarea este negativ, semnalul curge prin linia de jos, care are o lungime 2l . Diferena de faz este:

    ( )21g

    ll2 = (1.20)

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    28

    Acest defazor ofer dou stari de faz prin urmare este un defazor de 1 bit. Pentru a obine mai multe stri, putem cascada doua sau mai multe defazoare de 1-bit. n figura 1.28 se prezint un exemplu de defazor de doi bii. Prin comutarea celor patru comutatoare SPDT, rezult patru stri de faz. Acestea sunt : 0 (referin), 22.5, 45 i 67.5. Una din aplicaiile majore ale defazoarelor este domeniul antenelor fazate.

    Fig.1.27. Defazor cu linii comutate: (a) schema de principiu; (b) realizarea folosind diode p-i-n.

    Dac n loc s folosim doar dou stri, nchis i deschis, vom modifica polarizarea diodelor n mod continuu, atunci impedana dispozitivelor se va modifica continuu i, prin urmare, i pierderile de inserie (atenuarea). Componenta devine un atenuator variabil. Una din aplicaiile atenuatorului variabil este controlul automat al ctigului, utilizat n multe receptoare.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    29

    Fig.1.28. Defazor de doi bii

    1.7. Oscilatoare i amplificatoare

    Oscilatoarele i amplificatoarele sunt dispozitive active. Ele conin un dispozitiv semiconductor (tranzistor, IMPATT, Gunn) care genereaz o rezisten negativ cnd sunt polarizate corespunztor n curent continuu. O rezisten pozitiv disip putere de RF i astfel introduce pierderi. Prin contrast, o rezisten negativ genereaz putere de RF din puterea de curent continuu furnizat de alimentare dispozitivului activ semiconductor. n figura 1.29 se prezint circuitul general al unui oscilator, n care DZ este impedana dispozitivului activ semiconductor i CZ este impedana vzut la terminalele dispozitivului.

    Fig.1.29. Circuitul general al unui oscilator

    Circuitul de transformare a impedanei include capsula dispozitivului i circuitul din jurul elementului activ. Impedana vzut de dispozitiv este: ( ) ( ) ( )fjXfRfZ CCC += (1.21) Pentru ca oscilaiile s aib loc, trebuie ndeplinite condiiile:

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    30

    ( ) ( )CD ZmZm = (1.22) ( ) ( )CD ZeZe (1.23)

    Partea real a lui DZ este negativ. Impedana circuitului este o funcie doar de frecven, n timp ce impedana dispozitivului este n general o funcie de frecven, polarizare, curent de RF i temperatur. Astfel, la frecvena de oscilaie 0f , avem: ( ) ( )T,I,I,fRfR RF00D0C (1.24)

    ( ) ( ) 0T,I,I,fXfX RF00D0C =+ (1.25) Ecauia (1.24) statuteaz c mrimea rezistenei negative a dispozitivului activ este mai mare decit rezistena circuitului. Prin urmare, exist o rezisten net negativ pe ansamblul circuitului. Ecuaia (1.25) arat c frecvena de oscilaie este frecvena de rezonan a circuitului, fiindc reactana total devine zero la rezonan. Pentru un tranzistor, DZ este nlocuit cu tranzistorul i o terminaie, ca n figura 1.30.

    Fig.1.30. Oscilator cu tranzistor

    Oscilatoarele sunt utilizate ca surse de semnal n emitoare i ca oscilatoare locale n mixere. Parametrii sistemici de interes sunt puterea de ieire, eficiena conversiei CC-RF, zgomotul, stabilitatea, ntervalul de acord a frecvenei, semnalele parazite, frequency pulling i frequency pushing. Aceti parametri vor fi detaliai ntr-un alt capitol.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    31

    Un amplificator este o component a sistemului care furnizeaz ctig de putere semnalului de la intrare. Aa cum se arat n figura 1.31, inP este puterea de intrare i iesP este puterea de ieire, iar ctigul n putere este:

    in

    iesPP

    G = (1.26) sau

    ( )in

    iesPP

    log10dBG = (1.27)

    Fig.1.31. Amplificator cu ctigul de putere G

    Amplificatoarele pot fi cascadate pentru a obine ctiguri mai mari. De exemplu, pentru dou amplificatoare n cascad, cu ctigul 1G i 2G , ctigul total va fi 21GG . Amplificatorul utilizat n ultimul etaj al unui emitor furnizeaz putere mare la ieire i este numit, de regul, amplificator de putere. Amplificatorul folosit ntr-un receptor are, de obicei, o cifr de zgomot mic i, din acest motiv, este numit amplificator de zgomot mic. Parametrii sistemici importani la un amplificator sunt: ctigul, zgomotul, banda de lucru, stabilitatea i configuraia de polarizare n curent continuu. Pentru un amplificator de putere, parametrii dorii sunt: putere de ieire mare, punct de compresie la 1-dB mare, punct de intercepie de ordinul trei mare, intermodulaii mici, liniaritate bun. Cei mai muli din aceti parametri i vom discuta n capitolele urmtoare. Pentru sistemele alimentate de la baterii, eficiena de a aduga putere (PAE Power Added Efficiency) este un alt parametru important. El se definete prin relaia:

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    32

    %100P

    PPPAE

    CC

    inies = (1.28) unde CCP este puterea de curent continuu consumat de la surse. Un PAE >50% este curent n amplificatoarele cu tranzistoare. n tabelul 1.3 se dau parametrii tipici ai unui amplificator MITEQ. Tabelul 1.3 Frecvena de funcionare 1-2 GHz Ctig minim 27 dB Constana ctigului maxim 5.1 dB Cifra de zgomot maxim 1.5 dB VSWR maxim 2.0 Puterea la ieire n punctul de compresie la 1-dB +28 dBm Puterea la ieire n punctul de intercepie de ordinul trei +40 dBm Exemplu n sistemul din figura 1.32, calculai puterea de ieire n mW, cnd (a) comutatorul este nchis i (b) comutatorul este deschis. Comutatorul are pierderile de inserie de 1 dB i izolarea de 30 dB.

    Fig.1.32. Sistem receptor Soluie

    dBm30mW001.0Pin == Pentru comutator dB1L = , dB30I = :

    (a) Cnd comutatorul este nchis:

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    33

    =++= 21Lcinies GGLLPP

    mW51.2dBm4dB30dB10dB1dB4dB1dBm30 =+=++= (b) Cnd comutatorul este deschis:

    =++= 21Icinies GGLLPP

    mW00316.0dBm25dB30dB10dB30dB4dB1dBm30 ==++=

    1.8. Multiplicatoare i divizoare de frecven

    Un multiplicator de frecven este utilizat pentru a genera un semnal cu o frecven care este multiplul frecvenei unui semnal de intrare, ca n figura 1.33.

    Fig.1.33. Multiplicatoare de frecven

    Dac frecvena de intrare este 0f , frecvena de ieire este 0nf , unde n poate fi 2, 3, 4,.... Cnd 2=n avem un multiplicator 2 , sau dublor. Cnd 3=n avem un multiplicator 3 , sau triplor. Multiplicatorul const dintr-un filtru trece-jos, un dispozitiv neliniar (diod step recovery sau diod varactor) i circuite de adaptare la intrare i ieire. n figura 1.34 este prezentat schema bloc a unui multiplicator.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    34

    Fig.1.34. Schema bloc a unui multiplicator: =0Z impedana de sarcin sau impedana caracteristic a liniei; C(V), =SR capacitatea variabila i

    rezistea serie a varactorului.

    Filtrul trece-jos, amplasat la intrare, las s treac semnalul fundamental i rejecteaz toate armonicele superioare. Varactorul este elementul neliniar care produce armonici. Filtrul trece-band sau trece-sus de la ieire las s treac armonica dorit i rejecteaz toate celelalte semnale. Eficiena conversiei () i pierderile de conversie ( )cL sunt definite prin:

    %100=in

    iesPP

    (1.29)

    ( )ies

    inc P

    PdBL log10= (1.30)

    unde inP este puterea de intrare pe frecvena fundamental, iar iesP este puterea de ieire pe armonica dorit. Multiplicatoarele de frecven se construiesc pna n domeniul undelor milimetrice si sub-milimetrice. Divizoarele de frecven se folosesc, de obicei, n buclele PLL i sintetizoarele de frecven. Un divizor de frecven genereaz un semnal cu o frecven egal cu 1/N din frecvena unui semnal de intrare, unde N = 2, 3, 4... n figura 1.35 se arat simbolul unui divizor de frecven.

  • Proiectarea sistemic i electromagnetic

    35

    Fig.1.35. Divizor de frecven

    Divizarea de frecven poate fi obinut prin diverse metode. Un exemplu este utilizarea metodei mixerului cu reacie, prezentata n figura 1.36. Acest divizor se mai numete i divizor regenerativ.

    Fig.1.36. Divizor de frecven regenerativ

    Frecvena de ieire a mixerului este:

    Nf

    NNff 000

    1 =

    (1.31) Valoarea maxim a raportului de divizare depinde de selectivitatea filtrului trece-band care urmeaz dup mixer. Amplificatoarele din figura 1.36 au rolul de a aduce semnalul la nivele corespunztoare.

of 35/35
Proiectarea sistemică şi electromagnetică 1 1. Parametrii de sistem ai dispozitivelor de microunde 1.1. Introducere Un sistem de RF şi microunde este alcătuit din diferite dispozitive conectate prin linii de transmisiune. În acest capitol vom discuta despre parametrii de sistem a diferite dispozitive. Acestea sunt reprezentate prin simbolurile din Tabelul 1.1 Tabelul 1.1 Numele componentei Simbolul componentei Numele componentei Simbolul componentei Cuplor Direcţional 1xN Comutator 1xN Hubrid de 90° Defazor Hubrid de 180° Atenuator Divizor de putere Atenuator variabil Filtru trece bandă Varactor
Embed Size (px)
Recommended