Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz Jiří Raboch 2007 ČVUT - Fakulta elektrotechnická Katedra elektromagnetického pole

Obr. 1 Balanční zdvojovač frekvence v krabičce Cíl práce Cílem práce bylo vytvořit zdvojovač frekvence z 8,5 Ghz na 17 GHz s ohledem na velkou širokopásmovost a kladný konverzní zisk. Jako aktivní součástku použít pouzdřený unipolární tranzistor EPA 018A-70 typu HEMT firmy Excelics Semiconductors Násobič bude zhotoven na a mikropáskovém vedení na substrátu Arlon CuClad 233 s parametry r = 2,33, tg  = 0,0013, h = 0,508 mm, t = 50 m. Následně bude umístěn do kovové krabičky opatřené SMA konektory na vstupu a výstupu. Dále konektorem pro napájecí zdroj. Napájecí zdroj pro nastavení napětí pro gate a drain není předmětem prezentace. Pro návrh zdvojovače kmitočtu je použit program AWR Microwave Office, který umožňuje simulovat mikrovlnné obvody lineární i nelineární pomocí metody harmonické balance. Obr. 1 Balanční zdvojovač frekvence v krabičce Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 2 z XX

Princip činnosti násobiče Násobiče frekvence [2] jsou vysoce nelineární obvody. Na vstup je přiváděn relativně vysoký výkon úrovně jednotek dB (jednotky až desítky mW), jejich konverzní zisk bývá zpravidla nižší než 10dB. Harmonický signál je na nelineárním prvku (diodě, tranzistoru) deformován čímž na této součástce vzniká spektrum vyšších harmonických frekvencí. Obvody na výstupu tranzistoru mají v případě zdvojovače za úkol propustit druhou harmonickou frekvenci a zejména první a třetí harmonickou frekvenci odrazit ve vhodné fázi zpět k tranzistoru. Naopak obvody na vstupu tranzistoru propouští základní frekvenci a odráží sudé harmonické frekvence zpět k tranzistoru, opět ve vhodné fázi. Obr. 2 Topologie jednoduchého zdvojovače Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 3 z XX

Obr. 3 Curtisův kubický model tranzistoru Aktivní součástka Pro zdvojovač kmitočtu je použit heterogenní výkonový tranzistor EPA-018A firmy Excelics (http://www.excelics.com). Tranzistor je možné provozovat ve dvou režimech: třída B - pracovní bod je nastaven na prahové napětí. Záporná perioda vstupního signálu nechává tranzistor zavřený, kladná jej otevírá. Výstupní spektrum je bohaté na sudé harmonické. IDSS - tranzistor je saturován a záporná perioda vstupního signálu jej zavírá. Výhodou bývá konverzní zisk, nevýhodou vyšší spotřeba energie spojená s nižší účinností. Zdvojovač kmitočtu je navrhován v programu AWR Microwave Office, kde je použit velkosignálový nelineární Curtisův kubický model tranzistoru. Jeho parametry je možno získat na stránkách výrobce. Řešení je pak prováděno pomocí metody harmonické balance. Kompletní model tranzistoru obsahuje výše uvedený model a pasivní síť induktorů, kapacitorů a rezistorů zahrnujících vliv parazitních prvků pouzdra tranzistoru. Obr. 3 Curtisův kubický model tranzistoru Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 4 z XX

Širokopásmovost a balanční struktura Pro zajištění větší širokopásmovosti zdvojovače frekvence není vhodné používat obvody typicky rezonančního charakteru jako jsou paralelní pahýly (viz obr. 1). Snaha o velkou širokopásmovost vede k použití dvou totožných zdvojovačů frekvence zapojených v balanční struktuře, viz obr 3. Jednotlivé zdvojovače budou více optimalizovány na získání větší širokopásmovosti a konverzního zisku a méně na přizpůsobení obvodu, které bude vylepšeno pomocí Wilkinsonových děličů výkonu. Vzájemný posuv jednotlivých zdvojovačů frekvence na vstupu zajistí, že se odražená energie od obou zdvojovačů na vstupním děliči sečte v protifázi a tím se utlumí. Na výstupu je v jedné větvi úsek vedení o půlvlnné délce na základní frekvenci, což zajistí odečtení energie signálu na základní frekvenci a sečtení energie signálu na druhé harmonické frekvenci na výstupním výkonovém slučovači. Obr. 4 Balanční struktura zdvojovače frekvence Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 5 z XX

Návrh jednoduchého zdvojovače frekvence Na použitém substrátu Arlon Cuclad 233 je vlnová délka 25,11 mm na 8,5 GHz a 12,48 mm na 17 GHz. Pracovní bot tranzistoru ve třídě B: UGS = -1 V, UDS = 4,5 V, IDS = 5,7 mA Obr. 5 Kompletní model tranzistoru Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 6 z XX

Vysokofrekvenční přizpůsobení Obvody na vstupu a výstupu tranzistoru obsahují úsek vedení, který díky své vhodné délce umožní odraz energie ve vhodné fázi zpět k tranzistoru. Následuje paralelní čtvrtvlnný pahýl zakončený na prázdno reprezentující připojení nulové impedance, který odráží druhou harmonickou frekvenci na vstupu a základní frekvenci na výstupu. Pro impedanční přizpůsobení je použit čtvrtvlnný transformátor. Obr. 6 Schéma jednoduchého zdvojovače Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 7 z XX

Obr. 7 Schéma napájecího obvodu a jeho s-parametry Napájecí filtry Pro nastavení pracovního bodu tranzistoru je nutno přivést stejnosměrné napětí. Provede se to připojením vysokoimpedančního vedení co nejblíže k tranzistoru. Vedení má čtvrtvlnnou délku a je zakončeno nízkoimpedančním pahýlem, které v místě spojení realizuje virtuální vysokofrekvenční zkrat, který je výše uvedeným vysokoimpedančním vedením transformován na nekonečnou impedanci v místě připojení k tranzistoru. K pahýlu se připojí další vedení a pájecí ploška pro připojení vodiče. Zde je umístěn i blokovací kondensátor uzemňující vysokofrekvenční napětí. Někdy se do této cesty do série přidává SMD rezistor o nízké hodnotě odporu pro vyšší stabilizaci obvodu s tranzistorem. Obr. 7 Schéma napájecího obvodu a jeho s-parametry Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 8 z XX

Stejnosměrné oddělení Celý zdvojovač by měl být na svém vstupu a výstupu stejnosměrně oddělen kvůli napájení dalších připojených zařízení. Nejjednodušší možností je použití SMD kondensátorů. Tyto součástky však mají na frekvencích řádu gigahertzů nevhodné vlastnosti a často odráží značnou část energie. Vertikální pahýl [3] je po obou stranách metalizovaný hranol ze substrátu s obvykle vyšší relativní permitivitou. Na frekvencích pod svou sériovou rezonancí vykazuje velmi malé odrazné ztráty. Pro frekvence 8,5 GHz (17 GHz) je jeho výška zhruba 2 mm (3 mm). Obr. 8 Model vertikálního pahýlu a jeho s-parametry Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 9 z XX

Layout jednoduchého zdvojovače frekvence Výsledný jednoduchý zdvojovač frekvence vypadá následovně. Obr. 9 Layout jednoduchého zdvojovače Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 10 z XX

Problém s pracovním bodem Jednoduchý zdvojovač frekvence byl změřen v navrženém pracovním bodě ve třídě B. Naměřené výkonové výstupní spektrum však neodpovídalo simulovanému. Z toho důvodu byl změněn pracovní bod měřeného zdvojovače do oblasti IDSS. Výstupní výkonové spektrum pak vykazuje konverzní zisk. Nadále proto bude pracovní bod tranzistoru v oblasti IDSS. Obr. 10 Simulované výkonové spektrum, třída B Obr. 11 Změřené výkonové spektrum, třída B Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 11 z XX

Wilkinsonův dělič výkonu Pro rozdělení a sloučení výkonu do dvou větví balančního zdvojovače kmitočtu je použit Wilkinsonův dělič výkonu. Vzhledem k požadavku širokopásmovosti je zvolen kompenzovaný Wilkinsonův dělič výkonu. Obr. 12 Přenos děliče Obr. 13 Topologie děliče Obr. 14 Schéma děliče Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 12 z XX

Obr. 16 Náhradní obvod SMD rezistoru nebo kondensátoru SMD součástky Použijeme-li při návrhu SMD rezistor nebo kondensátor, je nutné znát jeho s-parametry. Pro přesný návrh jsou nejlepší změřené s-parametry pomocí vektorového analyzátoru. Tyto s-parametry však mají referenční rovinu umístěnou uprostřed součástky. K návrhu jsou potřeba na hraně součástky. Provede se proto jednoduchý deembedding pomocí dvou úseků použitého mikropáskového vedení, každé o délce poloviny délky součástky. Obr. 15 Princip deembeddingu V jednodušším případě lze použít náhradní schéma SMD součástky. Hodnoty jednotlivých součástek lze najít v tabulkách, např. [1]. Obr. 16 Náhradní obvod SMD rezistoru nebo kondensátoru Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 13 z XX

Balanční zdvojovač Balanční zdvojovač frekvence je tvořen dvěmi výše uvedenými a drobně modifikovanými zdvojovači. Problémem při návrhu je tentokrát určení přesné délky úseku vedení, který zajistí součet výkonu druhé harmonické frekvence na výstupu obvodu. Pro zajištění dobré stability obvodu byla zvolena vhodná poloha připojení napájecích obvodů a použití sériového rezistoru v napájecím obvodu drainu o hodnotě 9,1. Obr. 17 Layout balančního zdvojovače frekvence Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 14 z XX

Porovnání simulované a změřené frekvenční charakteristiky Napájení zdvojovače frekvence UDS = 3,7 V, UGS = -0,05 V, IDS = 49 mA, PIN = +9 dBm Je patrné, že šířka pásma použitelnosti zdvojovače frekvence je u realizovaného zařízení menší než u simulací, přesto se jedná o poměrně dobrou šířku. Obr. 18 Simulovaný frekvenční průběh výstupního spektra Obr. 19 Změřený frekvenční průběh výstupního spektra Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 15 z XX

Závěr Teoretické znalosti, které jsou k návrhu takovýchto mikrovlnných obvodů nutné, je možné získat v následujících předmětech nabízených katedrou elektromagnetického pole FEL ČVUT v Praze: X17PME – Planární mikrovlnná technika zabývá se různými typy mikrovlnných vedení, strukturami a návrhem pasivních planárních prvků (např. Wilkinsonovy děliče výkonu, hybridní členy, odbočnice, filtry…) X17AMO – Aktivní mikrovlnné obvody zabývá se problematikou impedančního přizpůsobování a návrhem aktivních mikrovlnných obvodů, jako jsou zesilovače, směšovače a násobiče X17CAM – CAD pro mikrovlnnou techniku základy práce v profesionálním návrhovém CAD softwaru AWR Microwave Office X17MMS – Mikrovlnné měřicí systémy zabývá se měřením mikrovlnných komponent a systémů, skalárními i přesnými vektorovými měřeními (např. měření s-parametrů tranzistoru) X17LTM – Laboratoř mikrovln, antén a optických komunikací návrh a praktická realizace mikrovlnných nebo optických komponent – projekt řeší skupina studentů (např. realizace planárního mikrovlnného děliče výkonu, optické vláknové odbočnice) Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 16 z XX

Reference [1] HOFFMANN, K. Planární mikrovlnné obvody. skriptum Praha, ČVUT FEL, 2003 [2] HOFFMANN, K.; HUDEC, P.; SOKOL, V. Aktivní mikrovlnné obvody, skriptum Praha : ČVUT FEL, 2004 [3] SOKOL, V. 3-D součástky v mikrovlnných planárních obvodech. Praha, 2004. Disertační práce. ČVUT FEL. Katedra elektromagnetického pole. Vedoucí práce prof. Ing. Karel Hoffmann, CSc. Další literatura: RABOCH, J. Tranzistorový zdvojovač kmitočtu 8.5 – 17 GHz. Praha, 2006. Semestrální práce. ČVUT FEL. Katedra elektromagnetického pole. Vedoucí práce prof. Ing. Karel Hoffmann, CSc. další prezentace v této kategorii Raboch, J.: Frekvenční zdvojovač 8,5 – 17 GHz strana 17 z XX