RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A1000

Transkriptio

1 RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A Luento Oskillaattorit ja mikserit DI Juho Tyster Signaalilähteenä RFMW-lähettimissä ja vastaanottimissa, mittalaitteissa... Aktiivisen komponentin avulla tuotetaan DC-tehosta RF-tehoa ilman ulkoisen ohjauksen tarvetta Itsenäinen signaalilähde 1

2 Transistorioskillaattorit matalammille RFMW-taajuuksille Korkeilla taajuuksilla käytetään negatiivisen dynaamisen resistanssin omaavia diodeja ja transistoreja resonaattorirakenteen kanssa Perustaajuus 100 GHz:iin asti Taajuuskertojilla voidaan tuottaa korkeampia taajuuksia RF- ja mikroaaltoalueen oskillaattorin keskeisiä ominaisuuksia Viritysala, MHz/V (jänniteohjatut) Taajuusstabiilisuus lämpötilan suhteen, ppm/ C AM- ja FM-kohina Harmonisten taajuuksien voimakkuus 2

3 Värähtelevä systeemi Oskillaattorin toiminta voidaan ymmärtää lineaarisen takaisinkytkentäpiirin avulla A Vo( ω) = Vi( ω) 1 AH( ω) Mikäli nimittäjästä tulee nolla jollakin taajuudella, on mahdollista saada nollasta poikkeava lähtöjännite kun tulojännite on nolla => systeemi alkaa värähdellä Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Oskillaattori on epästabiili järjestelmä Oskillaattori suunnitellaan tietyllä taajuudella epästabiiliksi järjestelmäksi. Tämä on vastakohtana vahvistimen suunnittelulle, jossa pyritään mahdollisimman stabiiliin piirin. 3

4 RF-oskillaattoripiirejä voidaan toteuttaa kuten vahvistimiakin BJT- tai FET-transistoreilla erilaisissa kytkentäkonfiguraatioissa (yhteisemitteri, yhteiskanta, jne..) Näitä voidaan kuvata seuraavalla yleisellä sijaiskytkennällä Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 4

5 Kytkentään muodostaa kaksi värähtelypiiriä Resonanssipiirin rakenteesta riippuen näitä nimitetään Colpitts- tai Hartley-oskillaattoreiksi Seuraavassa kuvassa BJT-toteutukset, voidaan toteuttaa myös FETeillä ω 1 C + C 1 = L C = 0 3 C1C ω 2 ( L L ) 2 Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 5

6 Kideoskillaattorit Oskillaattorin stabiilisuus paranee, mitä suurempi virityspiirin Q- arvo on Kideoskillaattoreiden Q-arvo usein hyvin korkea Parempi taajuusstabiilisuus Kideoskillaattorilla voidaan korvata induktanssi esim. Colpittsoskillaattorissa Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 6

7 Mikroaalto-oskillaattorit Mikroaalto-oskillaattorit perustuvat usein negatiiviseen resistanssiin Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Esimerkki diodi-oskillaattorista Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 7

8 Transistorioskillaattorit Negatiivisen resistanssin omaava yksiportti saadaan aikaan kytkemällä transistoriin kuorma, joka ajaa tulon epästabiilille alueelle, usein positiivisen takaisinkytkennän kanssa Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 8

9 Dielektrisiin resonaattoreihin perustuvat oskillaattorit Oskillaattorin taajuusstabiilisuus paranee, mitä suurempi virityspiirin Q-arvo on (kapea resonanssipiikki) Tyypillisesti diskreeteillä, mikroliuskoilla tai stubeilla toteutettujen resonaattorin Q-arvot korkeintaan muutamia satoja Aaltojohtoihin perustuvien resonaattoreiden Q-arvot korkeita, mutta ne ovat suuria ja integroituvat huonosti pieniin mikroaaltopiireihin Lämpölaajenemisen seurauksena taajuusstabilisuus huono Dielektrisillä resonaattoreilla päästään lähes kaikista näistä huonoista puolista eroon Dielektrinen resonaattori helppo integroida osaksi piiriä Korkea Q-arvo, luokkaa useita tuhansia Mikroaalto- ja millimetriaaltoalueet kattava resonaattori 9

10 Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Mikserit Mikseri on kolmiporttinen komponentti, joka hyödyntää epälineaarista tai ajasta riippuvaa elementtiä taajuuden muunnokseen Ideaalinen mikseri tuottaa lähtösignaalin, joka koostuu tulosignaalin taajuuksien summista ja erotuksista 10

11 Käytännön RF- tai mikroaaltomikseri perustuu tyypillisesti joko diodin tai transistorin epälineaarisuuteen Epälineaarinen komponentti voi tuottaa suuren määrän tulotaajuuksien harmonisia ja muita tuotteita Mikroaaltojärjestelmissä tyypillisesti useita miksereitä ja filttereitä taajuuden muuntamiseksi kantataajuuden ja RF-kantoaaltotaajuuksien välillä Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 11

12 Taajuuden muunnos ylöspäin Käytännössä mikseri moduloi LO-signaalia IF-signaalilla summa- ja erotaajuudet kantoaaltotaajuuden sivukaistoja (ylempi sivukaista USB ja alempi sivukaista LSB) Double-sideband signaali sisältää molemmat sivukaistat Single-sideband signaali voidaan saada aikaan suodattamalla tai käyttämällä single-sideband mikseriä Taajuuden muunnos alaspäin RF- ja LO-taajuuden suhteellisen lähellä toisiaan, joten summataajuus n. 2 kertaa RF-taajuus, erotaajuus huomattavasti RF:ää pienempi erotaajuus on haluttu IF-taajuus, joka voidaan erottaa alipäästösuodattimella (IF=RF-LO) Käytännön mikserissä epälineaarisuuksista johtuvia taajuuskomponentteja huomattavasti enemmän poistetaan suodattamalla 12

13 Peilitaajuus Vastaanottimessa RF-signaali saadaan tyypillisesti antennista, joka voi vastaanottaa signaaleja verrattain laajalla taajuuskaistalla RF-taajuus, joka muunnetaan IF-taajuudeksi on f = f + RF LO f IF Peilitaajuus Kuitenkin myös RF-tulotaajuus f IM = f LO f IF tuottaa alipäästösuodatuksen jälkeen taajuuden f IF Matemaattisesti tämä taajuus on identtinen taajuuden f IF kanssa, koska minkä tahansa reaalisen signaalin spektri on symmetrinen nollataajuuden suhteen 13

14 Peilitaajuus Tätä kutsutaan peilivasteeksi Peilitaajuus on tärkeä seikka RFvastaanotinta suunniteltaessa, koska sitä ei voida IF-asteella enää erottaa RFtaajuudesta, mikäli RF-asteella ei ole erotettu haluttua RF-kaistaa Muunnoshäviö (Conversion Loss) Mikserin suunnittelu vaatii impedanssien sovittamista kolmessa portissa Useita taajuuksia ja harmonisia Ideaalisesti kukin portti olisi sovitettu taajuudellaan (RF, LO tai IF) ja ei-halutut taajuudet absorboitaisiin resistiivisillä kuormilla tai heijastettaisiin reaktiivisilla kuormilla Resistiiviset päätöt lisäävät mikserin häviöitä ja reaktiiviset voivat olla hyvin taajuusherkkiä Ei-halutut harmoniset ja muut taajuuskomponentit lisäävät myös häviöitä 14

15 Muunnoshäviö Tärkeä tunnusluku mikserillä on muunnoshäviö (Conversion Loss) ja se määritellään L c available RF input power = 10 log 0 db available IF output power Muunnoshäviö ottaa huomioon sekä resistiiviset että taajuuden muunnoksessa tapahtuvat häviöt RF-portista IF-porttiin Muunnoshäviö pätee sekä ylös- että alasmuunnoksessa (äskeinen määritelmä alasmuunnokselle) Käytännön diodimiksereillä muunnoshäviö on luokkaa 4 7 db 1-10 GHz:n kaistalla Transistorimiksereillä pienempi häviö, voi olla jopa muutaman desibelin vahvistus Muunnoshäviö riippuu voimakkaasti LO-signaalin tasosta Minimihäviö yleensä LO-tehon tasoilla 0 10 dbm Teho oltava riittävä ajamaan mikseriä epälineaarisella alueella 15

16 Kohinaluku Diodissa tai transistorissa generoitu kohina riippuu resistiivisistä häviöistä Käytännössä luokkaa 1 5 db Riippuu myös onko signaali double side band vai single side band Ensimmäisen kohinateho kaksi kertaa suurempi, koska molemmilla on sama IF-taajuus Isolaatio RF- ja LO-porttien välillä riippuu kytkimestä (coupler) ja sisäisistä impedanssien epäsovituksista Aiheuttaa LO-tehon vuotamista antenniin Voidaan parantaa antennin ja mikserin välillä olevalla kaistanpäästösuodattimella ja RF-puskurivahvistimella Intermodulaatio Mikseri perustuu epälineaarisuuteen, joten lähdössä myös intermodulaatiotuotteita P3 tyypillisesti dbm 16

17 Diodimikseri (single-ended diode mixer) Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Single-ended FET-mixer Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 17

18 FET-mikserin sijaiskytkentä Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Balansoitu mikseri Täydelliset tulon impedanssisovit ukset Täydellinen RF- LO -isolaatio Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 18

19 RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A Luento Taajuuskertojat Mikroliuskajohtimet ja niiden ADSmallinnus, epäideaalisuudet passiivikomponenteissa DI Juho Tyster Taajuuskertojat Taajuuden lähestyessä millimetriaaltoaluetta ominaisuuksiltaan hyvän oskillaattorin tekeminen yhä vaikeampaa Teho, stabiilisuus, kohinaominaisuudet Vaihtoehtoinen lähestymistapa on generoida signaali matalamman taajuuden oskillaattorin harmonisena taajuuskertojan avulla 19

20 Epälineaarinen elementti voi generoida sinimuotoisen signaalin harmonisia Taajuuden moninkertaistuminen kaikissa diodeja ja transistoreja sisältävissä piireissä Hyvän taajuuskertojan suunnitteleminen voi olla hankalaa Epälineearinen analyysi, sovitusten hallinta useilla taajuuksilla, stabiilisuusanalyysi, lämpöstabiilisuus Helpottuu, jos kaistanleveysvaatimukset eivät ole suuria Taajuuskertojat Reaktiiviset diodikertojat Resistiiviset diodikertojat Transistorikertojat 20

21 Reaktiivinen diodikertoja Reaktiivinen diodikertoja perustuu varaktoridiodiin tai step-recovery diodiin, joka on biasoitu se. liitoskapasitanssi on epälineearinen diodeissa pienet häviöt, joten taajuusmuunnoksen hyötysuhde voi olla korkea (ideaalisesti 100%) varaktoridiodeilla toteutettu kertoja käyttökelpoisin pienillä taajuuskertoimilla (2...4), step-recovery -diodi korkeammilla kertoimilla Resistiivinen diodikertoja Resistiivinen diodikertoja perustuu myötäsuuntaan biasoidun Schottkydiodin epälineaariseen I-V käyrään resistiivisen taajuuskertojan muunnon hyötysuhde pienenee neliöllisesti harmonisen kertaluvun suhteen, joten käyttökelpoisia vain pienillä kertoimilla 21

22 Taajuuskertojan huono puoli on, että kohina kasvaa kertoimen verran taajuuden kertominen samalla vaiheen kertomista, jolloin vaiheen variaatiot kertautuvat myös kohinataso kasvaa 20log n taajuuden tuplaajalla vähintään 6 db, triplaajalla vähintään 9,5 db reaktiiviset diodikertojat ei juuri itse lisää juurikaan kohinaa (hyvin pieni sarjaresistanssi), mutta resistiiviset taajuuskertojat voivat lisätä kohinaa merkittävästi Manley-Rowe:n tehonsäilymisperiaate P nm n= m= = 0 n= m= n= m= npnm = 0 nω1+ mω2 mpnm = 0 nω + mω 1 2 Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 22

23 Manley-Rowe:n tehonsäilymisperiaate Manley-Rowe ilmaisee tehon säilymisen missä tahansa häviöttömässä epälineaarisessa reaktanssissa Voidaan hyödyntää harmonisten generointiin, parametrisiin vahvistimiin ja taajuuden muunnoksiin RF-, mikroaalto ja optisilla taajuuksilla sekä arvioida maksimitehovahvistusta ja hyötysuhdetta Reaktiivinen diodikertoja Reaktiivinen diodikertoja erikoistapaus, koska vain yksi lähde, saadaan n= 1 n= 2 P P n 0 = 0 n 0 = P 10 missä n on harmonisen kertaluku ja P 10 lähteen teho 23

24 Reaktiivinen diodikertoja Mikäli kaikki muut harmoniset paitsi haluttu n:s on päätetty häviöttömään reaktiiviseen kuormaan, saadaan hyötysuhteeksi P n 0 = P 10 Käytännössä diodin ja sovitusten häviöt pienentävät hyötysuhdetta tästä 1 Reaktiivinen diodikertoja Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 24

25 Transistoritaajuuskertojat Diodikertojiin verrattuna transistorikertojilla on suurempi kaistanleveys ja mahdollisuus vahvistukseen, FET-kertojilla DC-tehontarve diodikertojia pienempi FETeissä useita epälineaarisuuksia, joita voidaan hyödyntää taajuuden kertomiseen transkonduktanssi lähellä Pinch-Offia, lähdön konduktanssi lähellä Pinch-Offia, Schottky-hilan tasasuuntausominaisuudet, hilan ja nielun varaktorimaiset kapasitanssit... Taajuuden tuplaamiseen näistä hyödyllisin on hilan tasasuuntausominaisuus FET biasoitu johtamaan vain tulosignaalin positiivinen puolisko Taajuuskertoja voidaan toteuttaa myös BJT:llä, kollektori-kanta -kapasitanssin epälineaarisuus 25

26 FETillä toteutettu taajuuskertoja generaattori sovitettu FET:iin kuorma mitoitettu siten, että muodostaa RLCrinnakkaisresonaattorin nielulähde-kapasitanssin kanssa halutulla harmonisella V gg < 0, V dd > 0 Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 26

27 Muunnoksen vahvistukselle voidaan johtaa G c = P n P avail Nieluvirran (I n ) maksimiarvo pienenee kertoimen funktiona, joten kytkennän hyödyntäminen rajoittuu yleensä taajuuden tuplaamiseen tai triplaamiseen Siirtolinjojen mekaaninen tarkastelu Vahvistimen piirilevytoteutus vaatii mikroliuskajohtimia ADS-ohjelmassa mikroliuskojen mallinnus ottaa huomioon piirilevymateriaalin sähköiset ominaisuudet Eristeen ε r ja häviöllisyys Dispersio Eristekerroksen paksuus Kuparikerrosten paksuus, resistanssi 27

28 Lopullisessa simulaatiomallissa ideaaliset siirtolinjat korvataan mikroliuskajohtimilla Mikroliuskojen mitoitus tapahtuu Agilent LineCalc-apuohjelmalla Löytyy ADS-asennuspaketista w ε r tan δ σ h d d 28

29 tan δ i(z,t) i(z + z, t) L z R z G z C z v(z, t) v(z + z, t) Väliaineen häviöllisyys saa aikaan häviökertoimen tan δ z tan δ... Esim. 1,2 mm paksulle FR-4 - piirilevymateriaalille voidaan käyttää häviökertoimeksi likimain arvoa 0,02 [1]. Riippuu materiaalista, pysyy melko vakiona laajallakin taajuusalueella Muille materiaaleille tarkalleen ottaen oma tan δ [1] Heinola, J.-M., Silventoinen, P., Latti, K., Kettunen, M., Strom, J.-P., Determination of dielectric constant and dissipation factor of a printed circuit board material using a microstrip ring resonator structure, IEEE International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications 2004, Vol. 1, pp , May

30 ADS LineCalc LineCalc-sovellus auttaa mikroliuskan mitoittamisessa Saadaan leveys tunnetun impedanssin linjalle, kun sähköiset parametrit syötetään ohjelmaan Vaihtoehtoisesti tietyn levyisen linjan impedanssia voidaan analysoida Tutustutaan harjoituksissa Joitakin piirilevymateriaaleja [2], [3] Nimi Kemiallinen kaava, rakenne ε r tan δ Alumiinioksidi Al 2 O 3 9,5-10 0,0003 Kovia Berylliumoksidi BeO 6,4 0,0003 Galliumarsenidi GaAs 13 0,006 Taipuisia FR-4 PTFE (Teflon) lasikuitu/epoksi PTFE 4,8 2,1 0,022 0,0004 [2] Heinola, J.-M., Silventoinen, P., Latti, K., Kettunen, M., Strom, J.-P., Determination of dielectric constant and dissipation factor of a printed circuit board material using a microstrip ring resonator structure, IEEE International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications 2004, Vol. 1, pp , May [3] Pozar, D., Microwave Engineering, 3rd Edition 2005, 700 pages, ISBN , Hoboken, NJ,

31 Kuparoinnit, kuparin johtavuus Kuparin resistanssi aiheuttaa resistiivistä häviötä Kuparoinnin paksuun yhdessä kuparin johtavuuden kanssa määrittelee liuskan resistanssin Myös pinnankarheus vaikuttaa johtimen aalto-ominaisuuksiin (ei välttämättä resistanssiin) Pienemmillä RFMW-taajuuksilla melko merkityksetön Kuparoinnin paksuudelle voidaan käyttää esim. 35 µm, joka on normaali paksuus yleisimmissä FR-4 - piirilevyissä Tämän kurssin puitteissa johdinkerrosten paksuutta saa melko vapaasti varioida, samoin kuin eristekerroksen paksuutta Materiaaliominaisuuksien pitää sen sijaan olla perusteltuja Piirilevymateriaalien valmistajilta löytyy tietoa materiaaleista Tieteelliset artikkelit olisivat hyviä, muut lähteet 31

32 Mikroliuskan luonti ADSohjelmassa Mikroliuskamalli luodaan ADS-ohjelmaan MSUB-susbraattilohkon avulla MSUB-lohko osoittaa mikroliuskalle (MSTRIP) materiaaliominaisuudet Kaikille mikroliuskoille voidaan käyttää yhteistä susbtraattilohkoa Linjojen pituudet poikkeavat ideaalisilla siirtolinjoilla ja mikroliuskoilla Pituuksien määrityksessä käytetään LineCalc-ohjelmaa Neljännesaaltokuristimet, stubisovitteet, biasjohtimet yms. MALLINNETAAN MIKROLIUSKOILLA 32

33 Passiivikomponenttien epäideaalisuudet Mallinnettavaksi epäideaalisuudeksi riittää kytkentäkondensaattoreiden ESL eli sarjainduktanssi Karkeana arviona 1 mm pituisella pintaliitoskondensaattorilla on n. 1 nh sarjainduktanssia Tätä yleistystä voidaan käyttää tämän kurssin harjoitustyössä Muita passiivikomponenttien epäideaalisuuksia ei tarvitse mallintaa harjoitustyössä Kytkentäkondensaattoreiden sarjaresonanssi Kytkentäkondensaattorit (DC-erotus) mitoitetaan sarjaresonanssiin vahvistimen mitoitustaajuudelle (pistetaajuus) 33

34 RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A Luento Laajakaistavahvistimet ja tehovahvistimet DI Juho Tyster Laajakaistaisen vahvistimen suunnittelu Ideaalisella mikroaaltovahvistimella vakiovahvistus sekä hyvät sovitukset halutulla taajuuskaistalla Konjugaattisella sovituksella saavutetaan maksimivahvistus verrattain kapealla taajuuskaistalla Pienemmällä vahvistuksella kaistanleveys kasvaa, mutta tulon ja lähdön sovitukset huonommat 34

35 Nämä ongelmat johtuvat pääasiassa Mikroaaltotransistorit tyypillisesti eivät ole hyvin sovitettuja 50 Ω:iin Suuret impedanssiepäsovitukset määräytyvät Bode-Fano gainbandwidth criterionin mukaisesti (Pozar 5.9) S 21 laskee taajuuden funktiona 6 db/oktaavi, S 12 kasvaa taajuuden funktiona vastaavasti Kohinaluku ja VSWR huononevat tyypillisesti joillakin taajuuksilla laajakaistaisessa vahvistimessa Laajakaistaisen vahvistimen suunnittelu vaatii monien rajoituksien huomioon ottamista Muutamia tyypillisiä lähestymistapoja laajakaistaisen vahvistimen suunnitteluun; kaistanleveyden kasvattaminen tapahtuu muiden ominaisuuksien, esim. vahvistuksen, kompleksisuuden tms. kustannuksella 35

36 Kompensoidut sovitukset Tulon ja lähdön sovitukset suunnitellaan kompensoimaan S 21 :n laskua taajuuden funktiona Tulon ja lähdön sovitukset huononevat Resistiiviset sovitukset Hyvät tulon ja lähdön sovitukset Vahvistus pienenee, kohinaominaisuudet huononevat (=kohina kasvaa) Negatiivinen takaisinkytkentä Negatiivisen takaisinkytkennän avulla voidaan tasoittaa transistorin vahvistusvastetta, parantaa sovituksia sekä stabiilisuutta Yli dekadin taajuuskaista mahdollinen, vahvistuksen ja kohinan kustannuksella Balansoidut vahvistimet Kahdella vahvistimella, jotka on kytketty 90 asteen hybrideillä, voidaan saavuttaa hyvät sovitukset yli oktaavin taajuuskaistalla Vahvistus yhden vahvistimen vahvistus Vaatii kaksi transistoria ja kaksinkertaisen DC-tehon Jakautuneet vahvistimet (Distributed amplifiers) Useita transistoreita sarjassa siirtolinjalla Hyvä vahvistus, sovitukset, kohinaluku laajalla taajuuskaistalla Suuri kytkentä, ja vahvistus pienempi kuin vastaavalla määrällä sarjaan kytkettyjä vahvistinasteita 36

37 Kompensoidut sovitukset Korjataan sovitteiden taajuusvasteella transistorin taajuusvaste Sovite (joko tulossa tai lähdössä, mahdollisesti myös molemmissa) saa aikaan heijastuskertoimen, joka sijaitsee vakiovahvistusympyrällä kullakin taajuudella f = f 1 f = f 2 f= f 3 37

38 Balansoidut vahvistimet Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Balansoidut vahvistimet Kahdella 90 asteen hybridillä kumotaan kahden identtisen vahvistimen tulon ja lähdön heijastukset Ensimmäinen suuntakytkin jakaa signaalin kahdelle vahvistimelle, siten että nämä signaalit ovat 90 asteen vaihesiirrossa Toinen suuntakytkin yhdistää jälleen signaalit Vaihesiirroista johtuen heijastukset sekä tulossa että lähdössä kumoutuvat, jolloin impedanssisovitukset paranevat 38

39 Balansoidut vahvistimet Vahvistus on saman kuin yhden vahvistimen vahvistus Yksiasteista vahvistinta monimutkaisempi kytkentä: kaksi vahvistinta, kaksi suuntakytkintä Seuraavat edut: Yksittäiset vahvistinasteet voidaan optimoida joko vahvistuksen tasaisuudelle tai kohinaluvulle ottamatta huomioon tulon ja lähdön sovituksia Heijastukset absorboituvat kytkimien terminoinneissa parantaen tulon ja lähdön sovituksia sekä stabiilisuutta Toisen vahvistinasteen hajotessa vahvistus tippuu -6 db Kaistanleveys oktaavin tai yli riippuen suuntakytkimen kaistanleveydestä Balansoidut vahvistimet Balansoiduissa MMIC-vahvistimissa tyypillisesti käytetään Lange-suuntakytkimiä Laajakaistainen Kompakti Neljännesaaltohybridejä sekä Wilkinsonin tehonjakajia voidaan myös käyttää 39

40 Distributed amplifiers Yli dekadin kaistanleveydet mahdollisia, tulon ja lähdön sovitukset hyvät Erittäin suuret vahvistukset, pienet kohinaluvut mahdollisia Kuitenkin suurempia ja monimutkaisempia kuin vastaavat kapeakaistaisemman vahvistimet Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 40

41 N identtistä FETtiä kytketty sarjaan Hilat ja nielut kytketty siirtolinjoihin Tulosignaali etenee hilalinjaa, jokainen FET ottaa osan tehosta Vahvistimien lähdöt muodostavat nielulinjalle etenevän aallon Etenemisvakiot ja linjojen pituudet valitaan siten, että lähtösignaalin summautuvat Päätöt absorboivat heijastuneet aallot Hila- ja nielukapasitanssit tulevat osaksi siirtolinjaa, hila- ja nieluresistanssit aiheuttavat häviöitä siirtolinjoille Tehovahvistimet Tehovahvistin viimeinen vahvistinaste tutkissa tai radiolähettimissä Saadaan aikaan riittävä säteilyteho Sadoista milliwateista useisiin satoihin watteihin Kännykät, mobiili ääni/data, tutkat, kiinteät radiolinkit, RF- ja MW tehovahvistimella tärkeitä ominaisuuksia ovat Hyötysuhde Vahvistus Intermodulaatiosärö Lämpövaikutukset 41

42 UHF-taajuuksilla yksittäisellä transistorilla saavutettavissa W teho, suuremmilla taajuuksilla alle watin Useilla transistoreilla saavutettavissa suuremmat tehot Tähän asti käsitelty piensignaalivahvistimia Vahvistimen oletetaan operoivat lineaarisella alueella S-parametrit eivät riipu tulotehosta eivätkä kuorman impedanssista Epälineaarisella alueella toimittaessa transistorilta näkyvät impedanssit riippuvat tuosignaalin tehosta Monimutkaistaa tehovahvistimen suunnittelua huomattavasti 42

43 Tehovahvistin yksi eniten tehoa kuluttavista osista kannettavissa langattomissa laitteissa Vahvistimen hyötysuhde tärkeä suure Vahvistimen hyötysuhde voidaan määritellä otetun DC-tehon ja ulostulevan RF-tehon suhteena η = P P out DC Edellinen määritelmä ei ota huomioon vahvistimeen syötettyä RF-tehoa Usein tehovahvistimilla varsin pieni vahvistus Määritelmä liioittelee hyötysuhdetta Parempi määritelmä hyötysuhteelle on power added efficiency, PAE, joka ottaa myös vahvistimeen syötetyn tehon huomioon Pout Pin 1 P η = out 1 PAE = PAE= 1 = 1 η P G P G DC DC 43

44 Piitransistoripohjaisten vahvistimien hyötysuhde (PAE) esim. kännyköissä taajuuskaistalla MHz on tyypillisesti noin 80% Laskee kuitenkin nopeasti taajuuden funktiona Toinen hyödyllinen suure on kompressoitu vahvistus, compressed gain, G 1, joka määritellään vahvistuksena 1 db:n kompressiopisteessä ( ) = G ( db) 1 G1 db 0 Epälineaarisuudet voivat aiheuttaa intermodulaatiosäröä ja ylimääräisiä taajuuskomponentteja Tärkeä asia langattomia lähettimiä suunniteltaessa, eritoten useita kantoaaltoja sisältävissä järjestelmissä Lineaarisuus tärkeätä myös joidenkin modulaatioiden toteuttamisessa 44

45 A-luokan vahvistimet Toimivat lineaarisella alueella, biasoitu se. johtaa koko tulosignaalin jakson ajan Maksimihyötysuhde 50% Useimmat piensignaali- ja LNA-vahvistimet B-luokan vahvistimet Biasoitu siten, että yksittäinen transistori johtaa tulosignaalin puolijakson ajan Tyypillisesti kaksi transistoria Teoreettinen hyötysuhdemaksimi 78% C-luokan vahvistimet Transistori lähellä cutoffia yli puolet tulosignaalin jaksosta Lähtöasteessa resonanssipiiri perustaajuuden palauttamiseksi Teoreettinen hyötysuhde 100% voidaan käyttää vain modulaatioiden kanssa, joilla jatkuva verhokäyrä 45

46 D-, E-, F- ja S-luokan vahvistimet Transistoria käytetään kytkimenä, jolla ajetaan lähtöasteen resonanssipiiriä Hyvin suuret taajuudet mahdollisia Suurin osa lähettimistä (UHF-alueella) joko A, AB tai B-luokan vahvistimia särövaatimusten vuoksi Transistori käyttäytyy lineaarisesti alle 1 db:n kompressiopisteen tehotasoilla Piensignaali- S-parametrit eivät tulosignaalin tehosta tai kuormaimpedanssista Suurimmilla tehotasoilla S-parametrit riippuvat taajuuden, biasoinnin ja lämpötilan lisäksi myös tulotehosta sekä kuormaimpedanssista Suursignaali- S-parametrit eivät ole lineaarisia, eikä niitä voida käyttää piensignaali- S-parametrien sijaan 46

47 Hyödyllisempi tapa karakterisoida transistori tehosovelluksissa on mitata vahvistin ja lähtöteho lähde- ja kuormaimpedanssien funktiona Määrittämällä suursignaaliheijastuskertoimet kuormalle ja lähteelle, jotka maksimoivat vahvistuksen jollakin tietyllä lähtöteholla (yleensä P1:llä) Toinen tapa karakterisoida transistorin suursignaalikäyttäymistä on piirtää vakiovahvistuskäyriä Smithin kartalle kuorman heijastuskertoimen funktiona Toimintaa voidaan tarkastella myös epälineaaristen sijaiskytkentöjen avulla Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 47

48 RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A Luento Demoluento, vahvistinlaskuja DI Juho Tyster RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A Luento Siirtolinjarakenteita, siirtolinjakomponentit DI Juho Tyster 48

49 Muita siirtolinjarakenteita Piirilevytoteutuksessa mikroliuska on luonteva valinta Koaksiaalikaapeli esim. laitteiden välillä, myös asennuskaapelina Käytössä on kuitenkin muitakin siirtolinjarakenteita, sovelluksesta riippuen Kerrataan siirtolinjarakenteisiin liittyvää tietoa ottaen mukaan uusia rakenteita Muita siirtolinjarakenteita Rinnakkaisista tasoista koostuva kaksijohtiminen siirtolinja Aaltoputki Eristeestä koostuva dielektrinen siirtolinja Liuskajohdin Harjaputki Urajohdin 49

50 Ensiksi: TEM, TE ja TM Aallon etenemismuodot nimetään aallon kulkusuuntaan nähden kohtisuorassa olevan kentän mukaan TEM - transverse electromagnetic - molemmat aaltorintamat kohtisuorassa TE - transverse electric - sähkökenttä kohtisuorassa, kulkusuunnassa magneettikenttä TM - transverse magnetic - magneettikenttä kohtisuorassa, kulkusuunnassa on sähkökenttä TE ja TM Näiden etenemismuotojen nimessä on myös aallon moodi, joka kertoo aallon kertaluvun siirtolinjalla (TE mn, TM mn ) Esim. TE 10, TE 1 Toistaiseksi riittää tieto, että numerot osoittavat kentän jakautumisen siirtolinjalle. Moodinumeroihin palataan myöhemmin. 50

51 Etenemismuodot... Yleisesti kaksijohtimellisella siirtolinjalla voi edetä mikä vain muoto, joista tosin TEM on käytetyin ja haluttu TE ja TM voivat edetä, ja näitä muotoja voidaan saada aikaiseksi esimerkiksi koaksiaalikaapeliin riittävän suurella taajuudella Yksijohtimelliset siirtolinjat kuljettavat vain TE- ja/tai TM-muotoja Esimerkiksi suorakaideaaltoputkessa TE 10 on hallitsevin Vapaassa tilassa etenevä aalto:vertailukohta Vapaassa tilassa etenevä aalto on TEM, ja aaltoimpedanssi η riippuu vain ja ainoastaan väliaineesta lausekkeella Aaltoluku on η = Z TEM = µ ε β = ω µε = k 51

52 Kaksijohtiminen tasomainen siirtolinja ε, µ d w TEM-muoto Hallitseva aaltomuoto on TEM, jolloin impedanssi riippuu johtimen dimensioista Z 0 d = η w Muuten aalto-ominaisuudet kuten vapaalla aallolla 52

53 Taajuuden kasvaessa suhteessa johtimen poikkileikkaukseen aalto voi saada TE- tai TMmuodon Näille muodoille on oma aaltoluku k c: k c nπ =, n= 0,1,2,3... d β = k 2 k 2 c n on aallon moodi, joka on siis sidoksissa aaltolukuun ja johtimen poikkileikkauksen mittoihin Koska siirtolinjassa ei nyt ole sivuseiniä, eivät kaksiulotteiset moodit ole mahdollisia Korkeammat moodit ovat kiinni johdintasoissa, ja johdintaso on nyt yksisuuntainen 53

54 TE- ja TM-muotojen moodien rajataajuus n f c = 2d µε TE- ja TM-muotojen impedanssit ovat vastaavasti Z Z k = η β TE, TM β = η k Johtopäätös Yleisesti voidaan todeta, että taajuuden kasvaessa etenemismuoto saattaa muuttua myös kaksijohtimellisella siirtolinjalla Näillä etenemismuodoilla on erilainen kulkunopeus ja impedanssi Sekamuotoisia aaltoja on vältettävä, jotta mm. siirtolinjan sovitukset pitävät paikkansa 54

55 Suorakaideaaltoputki Suorakaideaaltoputki saadaan oikosulkemalla edellä kuvatun tasosiirtolinjan sivut ε, µ b a Yleisen merkintätavan mukaan a > b Aaltoputken käyttö Aaltoputket olivat ensimmäisiä suurtaajuisia siirtolinjoja Käytettiin ja käytetään edelleen mikroaaltoalueella mm. tehosovelluksissa ja näiden rajapinnoissa 55

56 Etenevät muodot TEM aalto ei voi edetä aaltoputkessa, koska putken sivut oikosulkevat kohtisuoran magneettikentän Hallitsevin muoto on TE 10 Moodien rajataajuuden lauseke on f c = 1 2π µε 2 π a m + 2 nπ b Matalataajuisin moodi on TE 10, joka on siis hallitsevin ja pääsääntöisesti käytetty TE 10, m = 1, n = 0 k c 56

57 Moodien aaltoimpedanssit ovat samat kuin tasojohdolla... Z Z k = η β TE, TM β = η k Esimerkki: ilmatäytteisen WR-90 -aaltoputken (a = 0,9 in, b = 0,4 in) TE 10 -moodin rajataajuus 57

58 TE 10 -moodin kenttäkuvaaja +z +z Aaltoputkiliitokset ja komponentit Suora laippa vs. kuristinlaippa Kaarteet, T-liitokset, yhteet... Kaarre voidaan tehdä E- tai H-kentän suunnassa Aaltoputki voi olla myös pyöreä 58

59 Aaltoputken läpilyöntilujuus: suurin sallittu aaltoteho Esimerkki: oletetaan ilmatäytteinen WR-90 - aaltoputki, ja kuivan ilman läpilyöntilujuudelle rajaksi Ê = 3 MV / m Kentänvoimakkuuden huippu on vaakasuunnassa puolessa välissä poikkileikkausta Oletetaan aallon etenemismuodoksi TE 10 ja taajuudeksi 10 GHz P max = abe 4 2 Z TE Koaksiaalikaapelin moodit Myös koaksiaalikaapelissa voi edetä TE- ja TM - muotoja Jos sisäjohtimen säde on a ja sisäsäde b, saadaan raja-aaltoluvulle approksimaatio k = 2 c a+ b Ensimmäisen korkeamman asteen moodin TE 11 :n rajataajuus on f c ckc = 2π ε r 59

60 Dielektrinen siirtolinja Pelkästään eristeestä valmistettu siirtolinja, joka on maatason päällä Etenemismuotona TM ja TE Liuskajohdin ε, µ w d 60

61 Pääsääntöisesti käytetään TEM-muodossa Aaltoimpedanssille kirjallisuudessa approksimaatioita, mutta yleisesti impedanssi käyttäytyy kuten rinnakkaisista tasoista koostuvan kaksijohtimellisen siirtolinjan impedanssi Liuskan leventäminen pienentää impedanssia, eristekerroksen paksuuden kasvattaminen suurentaa impedanssia Muita siirtolinjarakenteita Harjaputki Häviöllinen eriste Urajohdin eriste 61

62 Aaltoputken liittäminen muihin siirtolinjoihin Liuskajohtimen tapauksessa aaltoputken ja maatason väliin tehdään avaus Kaksi päällekkäistä aaltoputkea voidaan myös liittää seinämän avauksella Koaksiaalikaapeli: avaus esimerkiksi a- seinämälle, ¼ λ etäisyydelle oikosulkulaipasta Kytkeytyminen joko sähkö- tai magneettikenttään, antennit vastaavasti n. ¼ λ monopoli tai silmukka-antenni. RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A Luento Koaksiaalikaapelin ja mikroliuskajohtimen ratkaisu DI Juho Tyster 62

63 Koaksiaalikaapeli ja mikroliuskajohdin voidaan ratkaista käsinlaskentamenetelmillä Koaksiaalikaapelissa aallon etenemismuoto TEM, ratkaisu on tarkka Mikroliuskajohtimessa aalto on sekamuotoinen, vale-tem Ratkaisu on approksimaatio Koaksiaalikaapelin ratkaisu on kohtuullisen triviaali Koaksiaalikaapeli Häviöttömän kaapelin siirtolinjaparametreille pätee µ b L= ln 2π a 2πε C= ln b a Josta edelleen impedanssille ja aaltoluvulle Z 0 = β = ω µ ln b a ε 2π LC a b 63

64 Tehokapasiteetti Eristeen läpilyöntilujuuden E d ollessa raja-arvona, suurin sallittu jännite johtimien välillä on V Eda ln max = Suurin mahdollinen aaltoteho on siten V P max = 2Z 2 max 0 b a Tyypillisiä eristemateriaaleja Polyeteeni (PE), ε r = 2,25, tan δ = 0,0004 (10 GHz) PTFE, ε r = 2,08, tan δ = 0,0004 Ilma Muovivaahdot (ilma-) (10 GHz) 64

65 Esimerkki RG-58:n sisäjohtimen halkaisija on 0,813 mm ja sisähalkaisija 2,95 mm. Eristemateriaali on PE. Laske ominaisimpedanssi ja suurin mahdollinen teho olettaen eristeen läpilyöntilujuudeksi 20 kv/mm RG-59:n sisäjohtimen halkaisija on 0,584 mm ja sisähalkaisija 3,71 mm. Eristemateriaali on PE. Laske ominaisimpedanssi. Tehokapasiteetin kasvattaminen Jos eristemateriaali on vakio, täytyy sisäjohtimen halkaisijaa kasvattaa jotta läpilyöntijännite ei ylity Halkaisijoiden suhde oltava sama, jotta impedanssi säilyy vakiona Korkeamman asteen etenemismuodot kuitenkin rajana, kaapeliin voi syntyä uusia moodeja Tehokapasiteetin ratkaisu on taajuuden funktiona, kun eriste on vakio. 65

66 Mikroliuskajohtimen käsinlaskenta Mikroliuskajohtimessa etenemismuoto ei ole täysin TEM, vaan koostuu TE- ja TMmoodien sekoituksesta Riittävän pienillä eristepaksuuksilla ominaisimpedanssi ja dispersio ovat kohtuullisen yksinkertaisesti ratkaistavissa Efektiivistä permittiivisyyttä käytetään ε r :n sijaan, ε e ε r+ = 2 ε r d w w h 66

67 67 Lauseke geometrialle, kun Z 0 tunnetaan: r r r r r r r r A A Z B Z A d w B B B d w e e d w ε ε ε ε ε ε ε ε π π 0,11 0, jossa 2 kun, 0,61 0,39 1) ln( 2 1 1) ln( kun, 2 8 = = > + + < = Vertailu: ADS LineCalc vs. lauseke Alumiinioksidille, d = 0,5 mm ja ε r = 10, 50 Ω mikroliuskajohdin FR-4, d = 1,5 mm ja ε r = 4,3, 50 Ω FR-4, d = 0,8 mm ja ε r = 4,3, 50 Ω

68 RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A luento Tyhjiöputket DI Juho Tyster Tyhjiöputket RF-teholähteinä Tyhjiöputkia käytetään puolijohteiden ohella tehosovelluksissa Erityisesti suuritehoiset (>10 kw) pääteasteet ja oskillaattorit ovat usein tyhjiöputkilla toteutettuja 68

69 Tetrodivahvistin Magnetroni (oskillaattori) Klystroni (vahvistin) Kulkuaaltoputki (vahvistin) RF-tetrodivahvistin Anodibias RFC RF-lähtö RF-tulo Suojahilan bias 69

70 Periaate Kuten signaalivahvistin transistorilla, mutta tetrodilla toteutettu Kytkentä vaihtelee, periaatteet kuten transistorivahvistimella Voidaan tehdä C-luokkaan, jolloin saadaan parempi hyötysuhde RF-tetrodeja tarjolla jopa satojen kilowattien lähtötehoille, taajuudet max. 500 MHz Matalataajuinen, käyttö lähinnä radiolähettimien pääteasteena Yksittäisellä tetrodilla n. 20 db vahvistus Anodijännitteet tyypillisesti 2000 V (100 W) 20 kv (100 kw) 70

71 Magnetroni RF ulos Anodi Katodi Resonaattorit Elektronisuihku Ensimmäinen laite, jolla oli mahdollista tuottaa suuria tehoja mikroaaltotaajuuksilla (yli 1 GHz) Englannissa 1930, myöhemmin mahdollisti tutkan toisessa maailmansodassa Oskillaattori, ei toimi vahvistimena 71

72 Lähtöteho useita kilowatteja Hyvä hyötysuhde Vaihekohinaominaisuudet huonot Klystroni Katodi Kohdistusmagneetit Elektronisuihku Anodi, kollektori Tulokammio Lähtökammio RF sisään Välikammiot RF ulos 72

73 Vahvistus n. 20 db / kammio, n. 80 db maksimi Hyötysuhde DC/RF n. 30%-50%, lähtötehot jopa megawatteja Kapeakaistainen, klystroni on viritettävä Hyvä vaihekohinaominaisuudet Kulkuaaltoputki (TWT) Elektronisuihku Kohdistusmagneetit Anodi, Katodi kollektori Tulokammio Lähtökammio RF sisään RF ulos 73

74 Klystroniin lisätty johdinkierukka Kierukan RF-signaali saa aikaan putkessa kulkevan aallon kulkuaalto kytkeytyy tehokkaasti elektronisuikuun laajakaistaisempi kuin klystroni, laajakaistaisin tehovahvistinputkista, kaistanleveys jopa yli oktaavin Lähtötehot yleensä satoja watteja, kilowattien TWT mahdollinen Huono hyötysuhde, kuten klystronilla 74