RF-tekniikan perusteet BL50A0300

Transkriptio

1 RF-tekniikan perusteet BL50A Luento Passiiviset RF-komponentit Lähetin- ja vastaanotinelektroniikkaa DI Juho Tyster Passiiviset RF-komponentit 1

2 Liittimet Radiotekniikassa käytetään useita erilaisia standardityyppisiä liittimiä esimerkiksi koaksiaalikaapelin ja laitteen välisessä rajapinnassa Televisio ja antennikaapeli Vahvistin ja antennikaapeli, antennikaapeli ja antenni Tärkeitä asioita valittaessa sopivaa liitintä Liittimelle soveltuva taajuusalue, fyysiset dimensiot Liittimen impedanssisovitus Seisovan aallon suhde Liittimen tehonkesto Liittimen rungon ja keskipinnin materiaalit ja pinnoitukset Liittimen eristemateriaali Liityntöjen toistettavuus, kytkentäkertojen määrä Ideaalinen liitin ei Vääristä Vaimenna Heijasta etenevää signaalia Liittimet Perusrakenne sama, koostuu rungosta, keskipinnistä ja eristemateriaalista Perusliittimet ja tarkkuusliittimet Valinnan määrää pääasiassa käyttötarkoitus Muutamia yleisiä liitintyyppejä BNC SMA 3,5 mm liitin N-liitin Useilla valmistajilla valikoimissaan erilaisia tarkkuusliittimiä suurta tarkkuutta vaativiin sovelluksiin Toleranssit erittäin tiukat Nimessä esiintyy tyypillisesti kirjainlyhenne PC, Precision Connector Liittimistä enemmän mittalaitetekniikan kurssilla 2

3 Liittimet BNC-liitin N-liitin SMA-liitin 3,5mm liitin Lähde: Suhner Coaxial Connectors General Catalogue, Edition 2003/2004. Huber+Suhner Tehonjakajat Tehonjakajan avulla voidaan yhdestä portista tuleva teho jakaa useampaan porttiin Vastaavasti useasta portista tuleva teho voidaan yhdistää yhteen porttiin Yleensä 3-porttinen komponentti Yksinkertaisimmillaan T-liitos Jakaa tyypillisesti tehon tasan portteihin, jolloin vaimennus 3 db (mikäli häviötön komponentti..) Voidaan toteuttaa myös mielivaltaisella jakosuhteella α Voidaan osoittaa, että 3-portti ei voi olla yhtä aikaa resiprookkinen, häviötön ja kaikki portit sovitettuja Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 3

4 Tehonjakajia Mini-Circuits merkkisen firman SMA-liittimillä varustetut viisi- ja yhdeksänporttiset tehonjakajat, jotka jakavat tehon neljään ja kahdeksaan porttiin Kiertoelimet Kiertoelin on komponentti, jonka porttiin 1 syötetty teho tulee ulos portista 2, porttiin 2 syötetty teho portista 3 ja porttiin 3 syötetty teho tulee portista 1 Yleensä 3-porttinen komponentti Kiertoelimen toiminta voi perustua joko Faradaykiertymiseen tai suunnasta riippuvaan vaiheensiirtoon Ferrimagneettinen materiaali on magneettikentässä epäisotrooppista Aallon polarisaatio kääntyy matkan funktiona etenemissuunnasta riippumatta Epäresiprookkinen ilmiö Kiertoelimen avulla voidaan esimerkiksi kytkeä vahvistimen teho antenniin ja antennista vastaanotettu teho vastaanottimeen Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 4

5 Isolaattori Isolaattori on komponentti, joka ideaalisesti päästää tehoa vain yhteen suuntaan Isolaattoria kutsutaan myös suuntavaimentimeksi Toteutettu usein ferriittimateriaalin avulla Ideaalisesti päästösuunnassa ei tapahdu tehohäviöitä, mutta estosuunnassa tehohäviö on ääretön Käytännössä 0,5 db päästösuuntaan ja 20 db estosuuntaan hyviä arvoja Isolaattoreita voidaan käyttää esim. sovituksessa syötetään vahvistimella kuormaa ja estetään takaisin heijastuvan osan pääsyvahvistimelle Generaattorin stabilointi, jotta kuorman muutos ei muuta taajuutta Kiertoelimestä saadaan isolaattori päättämällä yksi portti sovitetulla päätteellä Suuntakytkin Suuntakytkin on neliporttinen komponentti, joka kytkee porttiin 1 syötetyn tehon portteihin 2 ja 3, muttei (ideaalitapauksessa) porttiin 4 Vastaavasti porttiin 2 syötetty teho kytkeytyy portteihin 1 ja 4, muttei porttiin 3 Porttien 1 ja 4 ja 2 ja 3 välillä ei ole kytkentää Suuntakytkimellä voidaan erottaa eri suuntiin etenevät aallot Ideaalitapauksessa suuntakytkin on häviötön ja kaikki portit sovitettuja Jos kolme porttia sovitettu, neljänteen porttiin syötetty aalto ei heijastu takaisin Käytännössä ominaisuudet saavutettavissa vain likimääräisesti Voidaan osoittaa, että kaikki 4-porttiset komponentit jotka ovat resiprookkisia, häviöttömiä ja kaikista porteista sovitettuja ovat suuntakytkimiä (s Pozar) 5

6 Suuntakytkin Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Suuntakytkin Suuntakytkimen ominaisuudet määritellään tyypillisesti seuraavien suureiden avulla Kytkentä, coupling [db] Kuinka suuri osuus syötetystä tehosta saadaan lähtöporttiin Suuntaavuus, directivity [db] Suuntakytkimen kyky erotella eri suuntiin etenevät aallot Isolaatio, isolation [db] Vaimennus porttien välillä, joiden välillä ei (ideaalitapauksessa) ole kytkentää Kytkentä mitoitetaan sovelluksesta riippuvaan arvoon, tyypillisesti 3-30 db Suuntaavuus yritetään saada mahdollisimman suureksi. Ideaalisesti ääretön, hyvällä suuntakytkimellä luokkaa db 6

7 Suuntakytkin Coupling Directivity Isolation C= D= I = P1 10log P3 P3 10log P4 P1 10log P 4 Päätöt Päättö on yksiporttinen komponentti, jonka avulla voidaan päättää joko jonkin komponentin portti tai aaltojohto Päättämisen avulla eliminoidaan portissa/aaltojohdon päässä syntyvä heijastus estetään säteily portista voidaan käyttää myös apuna mittauksen kalibroinnissa Erilaisia päättöjä oikosulku (heijastuskerroin -1) avoin pää (heijastuskerroin 1) sovitettu pääte (heijastuskerroin 0) säädettävä, halutun reaktanssin toteuttamiseen Sovitettu päättö absorboi kaiken etenevän tehon ja se vastaa johdon päättämistä ominaisimpedanssillaan Hyvän sovitetun päätön SWR alle 1,01 Esimerkkejä Aaltoputkeen asetettu häviöllisestä materiaalista tehty kiila, levy tai pyramidi Mikroliuskarakenteessa oikosulkuun päätetty ominaisimpedanssin suuruinen ohutkalvovastus Koaksiaalinen rakenne 7

8 Päätöt Koaksiaalisia päättöjä. Oikosulku, avoin pää ja sovitettu päättö APC- 3.5mm liittimillä varustettuna (Amphenol Precision Connector) Vaimennin Vaimennin on komponentti, joka absorboi osan etenevän aallon tehosta Vaimennus vakio tai säädettävä Ideaalisesti portit täysin sovitettu Koaksiaalinen vaimennin voi olla toteutettu resistiivisistä sarja- ja rinnakkaiselementeistä, aaltoputkivaimennin putkeen asetetun resistiivisen levyn avulla Käyttö esim. tehotason pienentämiseen, impedanssisovituksen parantamiseen ja tehosuhteen mittaukseen Koaksiaalisia vaimentimia Lähde: Rosenberger Digital Catalog Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH 8

9 Vaiheensiirtimet Vaiheensiirtimen avulla muutetaan aallon vaihekäyttäytymistä Ideaalitapauksessa vaiheensiirrin ei muuta aallon amplitudia Vaiheensiirrin voidaan toteuttaa vastaavalla periaatteella kuin aaltoputkivaimennin, kun resistiiviset levyt korvataan häviöttömillä dielektrisillä levyillä Sähköisesti säädettävä vaiheensiirrin toteutetaan puolijohdekomponenttien, esim. PIN-diodien tai FETtransistorien avulla Vaiheensiirtimiä käytetään esimerkiksi antenniryhmien eri elementtien vaiheistamiseen Resonaattorit Resonaattori on rakenne, jolla on luonnollinen värähtelytaajuus Esim. kela ja kondensaattori muodostavat resonanssipiirin, jossa energia siirtyy kelan ja kondensaattorin välillä edestakaisin Värähtelytaajuus riippuu induktanssin ja kapasitanssin arvosta Pienillä taajuuksilla voidaan toteuttaa diskreettien komponenttien avulla, suurilla taajuuksilla kapasitanssia ja induktanssia edustavien elementtien avulla Suurilla taajuuksilla yksi diskreetti komponentti, vaikkapa vastus, voi jo itsessään olla resonanssipiiri! Resonaattorilla voi esiintyä perustaajuuden kerrannaisia eli harmonisia Resonanssipiirin herättäminen eli resonaattoriin kytkeytyminen riippuu resonaattorin toteutuksesta, esim. Mikroliuskarakenne, kytkeytymisvälin avulla Onteloresonaattori, virta- proben avulla 9

10 Resonaattorit Sarjaresonanssipiiri Muodostuu induktanssin, kapasitanssin ja resistanssin sarjaankytkennästä Resonanssissa impedanssin minimi eli jännitteen maksimi Rinnakkaisresonanssipiiri Induktanssin, kapasitanssin ja konduktanssin rinnankytkentä Resonanssissa impedanssin maksimi eli jännitteen minimi Resonaattorit Resonaattorin toteuttaminen radio- ja mikroaaltotaajuuksilla Planaarinen aaltojohto Koaksiaaliset resonaattorit Aaltoputkiresonaattorit Dielektriset resonaattorit Onteloresonaattorit Käyttötarkoituksia Materiaalimittaukset (anturi) Suodattimena Taajuusmittarina Vahvistimen tai oskillaattorin osana 10

11 Dielektriset resonaattorit Pienikokoisia Vähähäviöisiä Lämpötilan suhteen stabiileja Ulkomuodoltaan usein dielektrisestä materiaalista valmistettuja sylinterinmuotoisia nappeja Koko muutamia millimetrejä Asennetaan esimerkiksi piirilevyn johdinkuvion yhteyteen Onteloresonaattorit Käyttö pääasiassa mikroaaltoalueella Suljettu metalliontelo liityntäpisteitä lukuun ottamatta Tyypillisesti molemmista päistä oikosuljettu aaltoputki Resonanssitaajuus määräytyy ontelon mittojen mukaan 11

12 Onteloresonaattorit 7,7 GHz:n perusresonanssitaajuudelle suunniteltu ontelorengasresonaattori SMA-liittimillä Siirtolinjaresonaattorit Toteuttaminen avoimen tai oikosuljetun pään avulla Voidaan toteuttaa useilla eri siirtojohtotyypeillä Esim. mikroliuskarakenteinen rengasresonaattori Rakenne resonanssissa, kun renkaan pituus on aallonpituus tai sen monikerta sarjaresonanssipiiri 12

13 Mikroliuskarakenteisia resonaattoreita Mikroliuskarakenteena toteutetut SMA-liittimillä varustetut T- ja rengasresonaattorit Suodattimet Suodattimiin pätevät samat perusperiaatteet kuin analogiatekniikassa Tyyppejä alipäästö ylipäästö kaistanpäästö kaistanesto Kaksiporttinen komponentti, joka päästää halutut signaalikomponentit läpi ja vaimentaa muita signaalikomponentteja Merkittävin ero siinä, ettei toteutusta voida tehdä diskreettien komponenttien avulla Suunnittelu- ja toteutustapoja lukuisia Suodattimen taajuusvastetta muokattavuus voidaan toteuttaa aktiivisesti tai passiivisesti Säätöruuvit Varaktoridiodin avulla Säädettävyys voi tuhota edellytykset saavuttaa pienet häviöt tai suuri tehonkesto! 13

14 Suodattimet Koaksiaalirakenteinen kaistanpäästösuodatin, keskitaajuus 10,24 GHz Lähetin- ja vastaanotinelektroniikkaa 14

15 Sekoittimet Kolmiporttinen komponentti, toiselta nimeltään mikseri Tulot RF- ja LO-portit, lähtö IF-portti (LO, Local Oscillator, paikallisoskillaattori; IF, Intermediate frequency, välitaajuus) Sekoittimet perustuvat epälineaarisiin piirielementteihin Sekoittimen avulla signaali voidaan siirtää joko suuremmalle tai pienemmälle taajuudelle Lähettimissä sekoitinta käytetään modulaattorina, jolloin sekoitus tapahtuu ylöspäin, kantoaaltoon Vastaanottimissa sekoitus tapahtuu välitaajuudelle, eli yleensä alaspäin Sekoittimet Kapeiden taajuuskaistojen tai kanavien erottaminen vastaanotossa onnistuu helpommin välitaajuudella kuin kantoaaltotaajuudella Sekoitinta voidaan käyttää myös vaiheilmaisimena esim. vaihelukitussa silmukassa 15

16 Sekoittimet Toteutustapoja Bipolaarisella transistorilla päästään maksimissaan muutamien satojen megahertsien taajuuksiin Mikroaaltoalueella käytetään Schottky-diodeja ja MESFETtransistoreja (MESFET kuten MOSFET mutta ilman oksidia) Schottky-diodin virta riippuu eksponentiaalisesti jännitteestä MESFET:n nieluvirta on hilajännitteen epälineaarinen funktio Yksinkertaisimmallaan sekoittimessa on yksi diodi tai transistori Sekoittimet Sekoittumisilmiötä tapahtuu kaikista epälineaarisissa piireissä Lineaarisen piirin lähtötaajuus on sama kuin tulotaajuus Epälineaarisen piirin lähtösignaalissa on muitakin taajuuksia Käytännössä kaikki lineaarisetkin piirit ovat riittävän suurella tehotasolla epälineaarisia, joten eitoivottua sekoittumista voi tapahtua esim. liittimissä, vahvistimissa, suodattimissa 16

17 Sekoittimet Sekoittumisilmiö Mitä epälineaarisempi sekoittavan piirin vastefunktio on, sitä tehokkaampaa on sekoittuminen Epälineaarisen piirin vastefunktio voidaan esittää potenssisarjana Jos tulosignaali aiheuttaa vain pienen muutoksen toimintapisteen ympärillä, on piiri tulosignaalin kannalta lineaarinen Mitä suurempi tulosignaalin amplitudi on sitä useampia termejä potenssisarjasta on otettava huomioon V o = AVi + BVi + CVi + DVi +... Sekoittimet Sekoitusyhtälö f I = ± nf ± mf, n, m N RF LO 17

18 Sekoittimet Rajoituksia ja epäideaalisuuksia Eräissä mittalaitteissa tulevan spektrin leveys aiheuttaa ongelmia sekoitusasteen toiminnassa Tarkka analyysi vaikeaa, koska toimintaan vaikuttavat epälineaarisen elementin ominaisuuksien lisäksi sekoitinta kuormittavat impedanssit Radiovastaanottimissa sekoittimet läpäisevät kohtalaisen pienellä vaimennuksella myös sekoittumattoman RFsignaalin Ilmaisimista Ilmaisemisella tarkoitetaan signaalin muuttamista havaittavaan, käyttökelpoiseen muotoon Diodi-ilmaisin Suuritaajuinen signaali muunnetaan tehoon verrannolliseksi jännitteeksi Tehon mittaus, automaattiset tasonsäätöpiirit (AGC), AMdemodulaatio Hyödynnetään diodin epälineaarisuutta Biasoidaan, vaste on neliöllinen, jolloin saadaan tehoon verrannollinen lähtöjännite 18

19 Taajuuskertojasta Perustuu puolijohdekomponentin epälineaarisuuteen Signaalin taajuuden moninkertaistaminen jollakin halutulla kertoimella Toteutus esim. muodostamalla perustaajuuden kerrannaisia ja poimimalla niistä haluttu alkuperäisen taajuuden kerrannainen Esim. diodilla Modulaatio ja demodulaatio Moduloinnissa signaali sekoitetaan kantatoaaltoon Modulaatio voi olla analoginen tai digitaalinen Demoduloinnissa informaation sisältävä moduloiva signaali erotetaan kantoaallosta Käyttö Siirtämään signaali helpommin siirrettävälle taajuusalueelle Häiriöttömämmälle taajuusalueelle Laajentamaan siirtotien kapasiteettia Signaalin salaamiseen 19

20 Modulaatio ja demodulaatio Modulointitekniikoita AM, amplitudimodulaatio FM, taajuusmodulaatio ϕm, vaihemodulaatio PM, pulssimodulaatio PAM, pulssiamplitudimodulaatio PWM, pulssinleveysmodulaatio PPM, pulssin vaihemodulaatio PCM, pulssikoodimodulaatio DM, deltamodulaatio SSB, yksikaistamodulaatio Digitaaliset modulaatiot ASK, FSK, PSK, QPSK, Modulaatio ja demodulaatio AM Signaalin amplitudi muuttuu moduloivan signaalin, kantataajuuden tahdissa Yleisradiotoiminta LF-, MF- ja HF-alueilla Keskeinen modulaatiota kuvaava suure amplitudisyvyys Toteutus vahvistimella, pin-diodilla tai sekoittimella Sekoittimessa moduloiva signaali IF-tuloon ja kantoaalto LO-tuloon, RF-lähdöstä saadaan AM-signaali Ilmaisu Yksinkertaisin tapa verhokäyräilmaisu Sekoittimen avulla 20

21 Modulaatio ja demodulaatio FM Kulmamodulaatio Yleisradiotoiminta, analogisen tv-lähetyksen monoääni Taajuusmoduloidun signaalin amplitudi vakio Taajuus muuttuu moduloivan signaalin tahdissa Toteutus esim. jänniteohjatun oskillaattorin avulla Keskeinen modulaatiota kuvaava suure maksimitaajuuspoikkeama f eli deviaatio f( t) = f0+ fsin2πf t Sisältää kantoaallon lisäksi äärettömän monta sivukaistaa, joiden väli moduloivan signaalin taajuuden suuruinen Tarvittava kaista AM:ää suurempi, mutta kohinan ja häiriöiden sietokyky parempi Teoriassa vaadittava kaista on ääretön, hyväksymällä tietty vääristymä signaalissa voidaan kaistaa rajoittaa Demodulaatio esim. vaihelukitun silmukan avulla m Modulaatio ja demodulaatio Vaihemodulaatio Kulmamodulaatio Moduloivan signaalin informaatio sisällytetään kantoaallon vaiheeseen 21

22 Modulaatio ja demodulaatio ASK Kantoaallon amplitudia muutellaan (yleensä digitaalisen) tulosignaalin tahdissa Ykköstä vastaa maksimiamplitudi ja nollaa minimiamplitudi Häiriösietoisuutta saadaan lisää muuttamalla amplitudipulssin leveyttä, PWM Pitkä kantoaaltopulssi vastaa ykköstä ja lyhyt nollaa FSK Käytetään kahta kantoaaltotaajuutta, joista toinen on ykkönen ja toinen nolla PSK Ykköstä ja nollaa vastaavien signaalien välillä 180 asteen vaihe-ero Voidaan myös vertailla kahden peräkkäisen jakson vaihetta, jolloin kyseessä DPSK QPSK Binäärisellä modulaatiolla voidaan siirtää yksi bitti yhden bittijakson aikana Lisäämällä tilojen lukumäärää voidaan bittejä siirtää enemmän QPSK:ssa vaiheella on neljä tilaa, kukin vastaa kahta bittiä Vastaanotinrakenteista Hyvin suunnitelluilta vastaanotinrakenteilta vaaditaan mm. seuraavia asioita Suuri vahvistus Signaalin taso vahvistettava lähetettyä signaalia vastaavalle tasolle Hyvä taajuusselektiivisyys Kyky tunnistaa vastaanotettu hyötysignaali Analoginen tai digitaalinen 22

23 Vastaanotinrakenteista Viritetty vastaanotin, TRF (Tuned radio frequency receiver) Sisältää demodulaattorin, useita RF-vahvistinasteita sekä viritettäviä kapeakaistaisia suodattimia, jotta saavutettaisiin suuri vahvistus ja hyvä taajuusselektiivisyys Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Vastaanotinrakenteista Matalilla taajuuksilla toimivia radiovastaanottimia on toteutettu säädettävillä keloilla ja kondensaattoreilla Säätäminen kuitenkin hankalaa, koska useita asteita pitää säätää yhtä aikaa 23

24 Vastaanotinrakenteista Suoramuunnosvastaanottimet (Direct conversion receivers) Suoramuunnosvastaanottimessa ei ole välitaajuusastetta (IF-stage) vastaanotettu signaali sekoitetaan suoraan nollataajuudelle Rakenne yksinkertainen ongelmia voi tulla paikallisoskillaattorin tehon summautumisesta hyötysignaaliin Käytetään usein esim. Doppler-tutkissa Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. Vastaanotinrakenteista Superheterodynaamiset vastaanottimet (Superheterodyne receivers) Rakenne on vastaava kuin suoramuunnosvastaanottimilla Vastaanotettu signaali sekoitetaan nollataajuuden sijaan jollekin välitaajuudelle, joka on valitta RF- ja kantataajuuksien väliltä Superheterodynaamisia vastaanottimia käytetään hyvin monissa sovelluksissa Mikro- ja millimetriaaltoalueilla vaaditaan usein kaksi alassekoitusta kantoaaltotaajuudelta Paikallisoskillaattoreita, IF-suodattimia ja IF-vahvistimia tarvitaan kaksi kappeletta Saavutetaan riittävä paikallisoskillaattorin stabiilisuus Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M John Wiley & Sons, Inc. 24

25 Tutkatekniikkaa Jos tutkatekniikka kiinnostaa, niin katso 20List%20of%20Lectures%20.html Kattava 17-osainen opintopaketti tutkatekniikasta ja RF-tekniikasta yleensäkin 25