Диодные СВЧ-преобразователи частоты

В схемах, приведенных ранее, для связи диодов ПЧ с входом и выходом в качестве фазовращающих и развязывающих устройств применяются трансформаторы, в том числе с дифференциальной обмоткой. На радиочастотах (до 500…1000 МГц) используются трансформаторы с ферритовыми сердечниками. На СВЧ (более 1 ГГц) вместо таковых применяются МУ (микрополосковые или из сосредоточенных элементов), с помощью которых обеспечиваются 2 противофазных сигнала с равными амплитудами. Необходимо иметь в виду, что в трансформаторах на выводах дифференциальной обмотки противофазные сигналы появляются одновременно с подачей сигнала на первичную обмотку, в то время как в МУ противофазные сигналы формируются за счет разного времени прохождения сигналов в соответствующих ветвях. Чаще всего в качестве фазовращающих и развязывающих МУ СВЧ в балансных ПЧ используются кольцевые восьмиполюсники (гибридные кольца, в английской литературе – Hybreed, Ratrace), обеспечивающие 2 сигнала с половинными (по отношению к входному сигналу) мощностями, сдвинутыми по фазе на 180º. На частотах до 3…5 ГГц для уменьшения размеров ПЧ МУ выполняются на сосредоточенных элементах. Диоды подсоединяются к выходным портам входного МУ, другие их выводы подсоединяются к выходному МУ (или трансформатору с дифференциальной первичной обмоткой), которое необходимо для компенсации фазовых сдвигов, полученных в первом МУ. Так как эта компенсация реализуется уже на промежуточной частоте, то расчет второго МУ производится на частоте, равной промежуточной (при использовании трансформатора в этом нет необходимости). Так как МУ (как в микрополосковом исполнении, так и на сосредоточенных элементах) обладают фильтрующим действием на частотах выше промежуточной, то спектр выходного сигнала ПЧ получается более чистым, чем при использовании трансформатора, в особенности при использовании варианта на сосредоточенных элементах, являющегося по существу ФНЧ.

В качестве диодов в СВЧ ПЧ чаще всего используются диоды с барьером Шотки, обладающие небольшими потерями, малыми емкостями и индуктивностями выводов и малыми размерами. В качестве развязывающих (изолирующих по высокой частоте) индуктивностей и разделительных и блокирующих (замыкающих высокочастотный сигнал на «землю») конденсаторов используются «чиповые» элементы. Качество ПЧ определяется следующими характеристиками: потерями преобразования, коэффициентом шума, степенью подавления входного и опорного (гетеродинного) сигналов на выходе ПЧ. Потери преобразования , где ‒ мощность преобразуемого сигнала на входе; ‒мощность преобразованного сигнала на выходе ПЧ. Коэффициент шума (в первом приближении, без учета шумового вклада диодов) равен потерям преобразования. Степени подавления входного и опорного сигналов определяются как и , где ‒ мощность входного сигнала на выходе ПЧ; ‒ мощность опорного сигнала; ‒ мощность опорного сигнала на выходе ПЧ. Все эти характеристики определяются в ходе компьютерного моделирования ПЧ.

В соответствии с заданием разрабатывается один из трех видов ПЧ – балансный первого вида (эквивалентная схема на рис. 4.4, схема в формате MWO на рис. 4.7), балансный второго вида (эквивалентная схема на рис. 4.5, схема в формате MWO на рис. 4.8) и двухбалансный (эквивалентная схема на рис. 4.6, схема в формате MWO на рис. 4.9). Кро ме вида ПЧ задается диапазон частот, на которых должен работать ПЧ, средняя частота канала промежуточной частоты. Работа выполняется с помощью пакета программ Microwave Office 2004.

В качестве примера возьмем разработку балансного ПЧ первого вида (схемы на рис. 4.4 и 4.7) для средней частоты входного (преобразуемого) сигнала 450 МГц, промежуточной частоты 45 МГц. Рассчитанные значения (см. 3.2) элементов МУ ̶ С = 4.77 пФ, 23.84 нГн. Схема МУ как отдельного узла в формате MWO приведена на рис. 4.10. Номера узлов на рисунке соответствуют портам микрополоскового МУ, изображенного на рис. 4.7. В качестве диодов обычно выбирают диоды с барьером Шотки.

В таблице приведены основные данные некоторых смесительных диодов фирмы Infineon.

Для разрабатываемого в данном примере преобразователя выберем диоды BAT 103W фирмы Infineon, предназначенные для работы в метровом и

дециметровом диапазонах волн. SPICE-модель такого диода (собственно кристалла) находится в закладке Elements/Library/Nonlinear/Infineon/Sdiode, а емкости и индуктивности подводящих проводов и выводов корпуса находятся в :Library/Models/Nonlinear/Infineon/Sdiode/SOT23_1.txt (в оригинальной программе в директории Infineon этих данных нет, поэтому директория заменяется обновленной).

Далее рассчитаем МУ для фазирования сигналов промежуточной частоты. Частота среза равна промежуточной частоте (45 МГц). Воспользуемся теми же выражениями, что и для расчета входного МУ, и получаем нГн, пФ.

Для начала работы в меню File выберем New Project, затем в меню Project/ Add Schematic/ New Schematic. В появившемся окошке присвоим схеме название, например Mixer1, после чего откроется большое окно для построения схемы. Прежде всего построим схему МУ, для чего в закладке Elements щелкнем по строке Lumped Element (сосредоточенный элемент), затем по строке Capacitor и из выпавшего списка перетащим мышью 6 емкостей CAP, а щелкнув по строке Inductor‒ 4 индуктивности (назначение каждого из них в соответствии с рис. 4.10) и присоединим «землю» (Gnd), взяв ее из верхней строки инструментов. Далее откроем файл в директории AWR 2004/Library/Models/Nonlinear/Infineon/Sdiode/SOT23_1.txt и возьмем оттуда схему подсоединения к диоду «паразитных» индуктивностей и емкостей, показанную ниже:

* CAC

* (10) | | (20)

* +------------| |------------+

* | | | |

* LAO | | LCO

* A---LLL--+ +--LLL---C

* (100) | | (200)

* | LAI |

* +--LLL---A' CHIP C'--------+

* (1) (2)

*

BLK

IND 1 10 L=0.67nH ; LAI

CAP 10 20 C=140fF ; CAC

IND 10 100 L=0.63nH ; LAO

IND 20 200 L=0.51nH ; LCO

PACK: 4POR 1 20 100 200

* A' C' A C

END

***************************************************************

* PACK = NAME OF PACKAGE BLOCK

* 1 = ANODE OF CHIP

* 2 = CATHODE OF CHIP

* 100 = ANODE OF COMPLETE DIODE IN PACKAGE

* 200 = CATHODE OF COMPLETE DIODE IN PACKAGE

*

* Add Spice model or discrete equivalent circuit for chip

* between terminals (1) and (2)

Под схемой записан ее так называемый net-list, ниже ‒ разъяснения относительно включения этой схемы. К символу диода подключаются дополнительно соответствующие индуктивности и емкости, и полученная схема присоединяется к МУ. Щелкнем по Element/Library/Nonlinear/Infineon/Sdiode и из выпавшего списка выберем диод D188_v7 (так назван файл с данными диода BAT 17), поместим его символ на поле схемы, присоединим к нему индуктивности и емкости в соответствии с файлом SOT23_1, подключим к МУ, после чего введем их номиналы (щелкнув по их символам). Далее необходимо подсоединить индуктивности для закорачивания на «землю» постоянной составляющей тока диодов и разделительные емкости для пропускания токов промежуточной частоты. Сопротивление индуктивностей на средней частоте 472 МГц должно быть больше входного сопротивления канала этой частоты, равного 50 Ом, в 100…200 раз. Выбрав его значение 10 000 Ом, найдем значение индуктивности . Выберем номинал в 4 мкГн. Сопротивление емкости должно быть меньше 50 Ом тоже в 100…200 раз. Выбрав его значение в 0.1 Ом, найдем значение емкости Ф. Выберем ее номинал в 4 нФ и подключим обе индуктивности и емкости к схеме. В соответствии с рис. 4.7 концы емкостей должны быть подсоединены к плечам МУ для промежуточной частоты, по структуре точно такого, как первое МУ. Строим на схеме еще одно МУ частота среза которого определяется значением промежуточной частоты (рассчитывается также как первое). К портам 1 и 4 подсоединяем концы емкостей в соответствии с рис. 4.7, а к узлу 2 ‒ 50-омный порт (его нужно взять из правой части панелей инструментов). Далее необходимо подсоединить к первому МУ (порт 1) порт входного (преобразуемого) сигнала с частотой 450 МГц и мощностью 0 дБм (ее можно изменять в окне, которое появляется после щелчка по порту) и порт опорного (гетеродинного) сигнала с частотой 495 МГц и регулируемой мощностью от 0 до 20 дБм (порт 4). Щелкнув по строке Elements\Ports\Harmonic Balance выбираем PORTF для входного сигнала и PORTFNS для опорного. PORTFNS подсоединяем к узлу 4 МУ, PORTF ‒ к узлу 1. Затем, щелкнув по порту PORTF, устанавливаем частоту Freq 450 MHz (0.45 GHz) и уровень мощности Pwr ‒ 0 дБм. Далее щелкаем по порту PORTFNS и устанавливаем: Freq ‒ 495 МГц (0.495 GHz), PStart ‒ 0 дБм, PStop ‒ 20 дБм, PStep ‒ 2 дБм, Tone ‒ 1. Следует обратить внимание на то, чтобы везде, где это необходимо, был присоединен символ «земли». Таким образом, схема виртуального макета ПЧ, изображенная на рис. 4.11, собрана и готова для моделирования. Иконку, изображенную внизу, добавим позже, при измерении коэффициента шума ПЧ. Прежде всего сделаем установки в меню Options/Project Options. В появившемся окне в закладке Global Units зададим единицу измерения МГц (вместо ГГц), затем в закладке Frequencies зададим Start ‒ 400 MHz, Stop ‒ 2000 MHz, Step ‒ 20 MHz, Linear, затем нажмем кнопки Apply и ОК. Теперь измерим зависимость потерь преобразования ПЧ от уровня мощности опорного сигнала. Для этого в меню Project выберем Add Graph и в появившемся окне выберем форму графика Rectangular (прямоугольный) и имя Graph 1. Далее в меню Project выберем Add Measurements и в появившемся окне установим следующие опции:

Meas. Type ‒ Nonlinear/Power, Measurement ‒ LSSnm, Data Source Name ‒ Mixer1, Port (To) – Port_1, Port (From) ‒ Port_2, Harmonic Index (45 MHz) – в левой части –1, в правой 1, Harmonic Index (450 MHz) – в левой части 0, в правой 1, Sweep Freq (F_SPEC)‒ Freq = 495 MHz, Port 3 – Use for x-axis и поставим «птичку» в окошке dB. Затем нажмем кнопку ОК и кнопку с изображением желтой молнии на панели инструментов для запуска расчета. После окончания расчета на экране появляется график, изображенный на рис. 4.12. Теперь измерим спектр сигнала на выходе канала промежуточной частоты (порт Р1). Для этого создадим следующий график с помощью уже известной процедуры: Graph 2, затем опять Project/Add Measurements и в окне выберем Type ‒ Nonlinear/Power, Measurements ‒ Pharm, Data Source Name ‒ Mixer 1, Measuremen Component ‒ Port_1 (порт промежуточной частоты), Sweep Frec(F_Spec) ‒ Frec = 495 MHz, Port_3 ‒ use for x-axis и выберем значение мощности, при котором потери преобразования невелики (10 дБ), затем ОК и щелкнем по кнопке запуска моделирования (желтая молния).

После окончания расчета появится график (рис. 4.13). На этом графике показан модуль спектра сигнала на выходе канала промежуточной частоты. Крайняя левая спектральная линия – составляющая сигнала промежуточной частоты 45 МГц. Щелкнем правой клавишей мыши по полю графика и выберем в появившемся окне Add Marker, после чего на конце курсора Windows появится крестик. Совместим центр крестика с концом спектральной линии 45 МГц и нажмем на левую клавишу мыши, после чего появится окошко с указанием мощности сигнала в дБм (дБ относительно 1 мВт) и его частоты. Проделаем эти измерения вплоть до частоты 2000 МГц и занесем измеренные значения в таблицу. На рис. 4.13 измерены составляющие на частотах 45, 450 и 495 МГц. Мощности сигналов на двух последних частотах сильно ослаблены вследствие фильтрующего действия МУ для промежуточ- ной частоты. Если бы вместо него использовался трансформатор, то уровни спектральных составляющих на частотах выше промежуточной были бы гораздо больше. Далее измерим зависимость коэффициента шума NF от мощ ности источника опорного сигнала. Для этого, прежде всего, необходимо поместить на поле схемы ПЧ иконку измерения нелинейных шумов. Откроем Elem/MeasDevice/Controls и из выпавшего окна перетянем на схему иконку NLNOISE. Затем щелкнем по иконке и в открывшемся окне установим: Port To ‒ 1, Port From ‒ 2, NF Start ‒ 44 MHz, NF Stop ‒ 46 MHz, NF Step ‒ 5, Swp Type ‒ Linear, LS Tone ‒ 1, NS Tone ‒ 2. Схема с установленной иконкой изображена на рис. 4.11. Далее добавим следующий график Graph 3 и затем Add Measurements, в окне которого установим: Nonlinear Noise, NF SSBO, Data Sourse ‒ Mixer 1, Output Large Signal. Судя по графику на рис. 4.14, полученного после расчета, минимальный коэффициент шума лежит на интервале мощности опорного сигнала от 8 до 20 дБм при среднем значении порядка 1.5 дБ. Для оценки реального отношения сигнал/шум на входе усилителя промежуточной частоты необходимо учесть потери преобразования (рис. 4.12), которые равны ‒5 дБ при мощности опорного сигнала порядка 18 дБм. Уменьшение уровня сигнала снижает отношение сигнал/шум, что эквивалентно увеличению уровня шума на те же 5 дБ. В связи с этим реальный коэффициент шума ПЧ равен сумме абсолютного значения потерь преобразования ( в децибелах) и измеренного значения коэффициента шума, т. е. примерно 6.5 дБ. Таким образом, с точки зрения минимальных потерь преобразования и минимального коэффициента шума оптимальная мощность опорного сигнала равна 18 дБм. Теперь определим входные проводимости ПЧ по входам преобразуемого сигнала (порт 2) и опорного сигнала (порт 3).

Для этого вызовем Project/Add Graph и назовем новый график Graph 4. Затем вызовем Project/Add Measurement и в открывшемся окне выберем Nonlinear/Parameter, Ycomb, Data Source Name – Mixer1, Measurement Component – Port_2, Harmonic Index (450 MHz) – 0, 1 (частоту выберем из списка после нажатия на кнопку справа), Sweep Freq (F_SPEC) – Plot all traces, Port_3 – Use for x-axis, далее поставим точку в кружочке Real (выводится вещественная часть входной проводимости). Далее снова вызовем Project/Add Measurement и закажем подобный график для порта 3. Меняется следующее: Measurement Component – Port 3, Harmonic Index – (495 MHz) 1, 0 (частота опять выбирается из списка), далее все так же. Таким образом, Graph 4 определяет зави симости вещественных частей входных проводимостей от мощности опорного сигнала. Интерес представляет конкретное значение этой мощности – 18 дБм как оптималь ной в соответствии с предыдущими результатами (для этого в нижнем правом окошке выделяем мощность 18 дБм). Щелкнув по кнопке с желтой молнией, получаем график (рис. 4.15). Вещественная часть проводимостей портов 2 и 3 при мощности опорного сигнала в 18 дБм мало отличается от 0.02 (сопротивление 50 Ом). Закажем Graph 5 – для реактивных частей проводимости портов. В окне Modify Measurement все делается, как и раньше, но точка ставится в кружке Image. Щелкнув по кнопке с молнией, выводим график, показанный на рис. 4.16. Реактивные проводимости портов имеют индуктивный характер. При мощности опорного сигнала 18 дБм для порта 2 – 0.0065, для порта 3 – 0.015. С помощью полученных данных могут быть рассчитаны согласующие цепи для портов. Необходимо отметить, что порт 2 в первом приближении согласован, в отличие от порта 3. Достаточно хорошее согласование может быть получено с помощью емкостей, присоединенных параллельно портам для компенсации индуктивных проводимостей.

В результате проектирования ПЧ получены данные, хорошо согласующиеся с теорией и параметрами реальных устройств. Разработанная схема может служить основой для построения топологии реального ПЧ при использовании модуля топологического анализа Layout, имеющегося в пакете MWO. При этом используются модели элементов схемы, учитывающие их конструкцию, в том числе реальные размеры.

4.2.1. О выборе элементной базы СВЧ-преобразователей частоты

Схема ПЧ включает в себя МУ, смесительные диоды и сосредоточенные элементы (конденсаторы и индуктивности). На частотах до 5 ГГц необходимо применять МУ на сосредоточенных элементах, расчет которых приведен ранее. На более высоких частотах можно использовать гибридные МУ на основе микрополосковой линии, имеющиеся как отдельные элементы в закладке Elements/Microstrip/PwrDivider/MRRCoup. После помещения знака MRRCoup в окне схемы надо щелкнуть по нему и в появившемся окне ввести все необходимые размеры. Для их расчета необходимо воспользоваться калькулятором TXline (Tools/TXline). Далее в закладке Elements/Substrate выбирается иконка MSUB и помещается в окне схемы рядом с MRRСoup. Щелкнув по MSUB, в открывшемся окне записываются все данные о подложке для МУ. С целью уменьшения размера надо выбрать подложку с максимальной диэлектрической проницаемостью (например, поликор (Alumina) с относительной диэлектрической проницаемостью 9.8) толщиной в 1 мм. Все данные для занесения в MSUB содержатся в окне калькулятора TXline после окончания расчета размеров MRRCoup. Далее выбираются диоды. Предпочтение надо отдать диодам с барьером Шотки. Для диапазона метровых и дециметровых волн (частоты до 3 ГГц) выбираются диоды BAT 17, для более высоких частот – BAT 15. Для этого в закладке Elements/Library/Nonlinear/Infineon/Sdiodes выбираем D188_v7 (BAT 17) или D315_v7 (BAT 15). Вопросы выбора емкостей и индуктивностей обсуждались ранее.