Левченко Лилия Владимировна

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

группа ТКС-07м

e-mail: malenkaya86@mail.ru

тема дипломной работы: "Исследование и разработка субгармониковых смесителей СВЧ трансиверов телекоммуникационных систем"

научный руководитель: профессор кафедры АТ Воронцов Александр Григорьевич

Автореферат по теме магистерской работы

• Введение
  • Актуальность и новизна
  • Планируемый практический результат
  • Прогнозируемый научный результат
• Основная часть
  • Обзор существующих решений на локальном уровне
  • Обзор существующих решений на национальном уровне
  • Обзор существующих решений на международном уровне
  • Обзорное решение задачи
  • Разработка модели субгармоникового смесителя
• Заключение
  • Перечень основных результатов
  • Выводы и перспективы исследования
  • Литература

Введение

Актуальность и новизна

В настоящее время частотный ресурс околоземного пространства в освоенных диапазонах истощается, поэтому наблюдаются тенденции к сдвигу несущих частот приемопередатчиков радиоканалов в миллиметровую область СВЧ-диапазона. Это дает практическую возможность построения широкополосных систем связи.
Таким образом, построение таких приемопередатчиков, а, следовательно, и смесителей, как их неотъемлемой составляющей – важная задача, и ее важность будет только возрастать со временем в соответствии с наблюдаемыми тенденциями развития телекоммуникаций.
При смещении несущей частоты в миллиметровую область усложняется решение следующих задач, характерных при построении смесительного узла[3]:

1. Реализация гетеродина с достаточно высокой стабильностью частоты сигнала
2. Обеспечение достаточного уровня мощности сигнала гетеродина
3. Минимизация уровня собственных шумов гетеродина

Кроме того, возрастает сложность реализации элементов смесителя с достаточной степенью точности, в частности, цепей развязки.
При использовании смесителей с субгармониковой накачкой, которые работают на четных гармониках сигнала гетеродина, задача построения смесительного узла упрощается, так как уменьшается частота сигнала гетеродина. Это в свою очередь приводит к упрощению достижения необходимого уровня мощности сигнала гетеродина, а также к увеличению линейных размеров смесителя, что облегчает достижение нужной точности при реализации смесителя.
Таким образом, цель работы заключается в расширении области применения субгармониковых смесителей в СВЧ приемопередатчиках радиоканалов телекоммуникационных систем.

Планируемый практический результат

Для конкретизации исследовательской работы поставлена задача проектирования и реализации смесителя для разрабатываемого приемопередатчика радиорелейной системы связи, работающей на частоте 47ГГц. После реализации смесителя будут проведены некоторые опыты, подтверждающие его работоспособность, а также сняты характеристики смесителя. На основании проведенных исследований будут даны рекомендации к построению смесителей такого типа.

Прогнозируемый научный результат

В работе предполагается составление алгоритма проектирования смесителя, работающего на второй гармонике сигнала гетеродина для миллиметрового диапазона частот, а также написание рекомендаций к разработке такого смесителя. Этот опыт может быть применен при построении смесителей более высоких частот, что позволит уменьшить затраты времени и средств на разработку смесителей. Также в работе планируется рассмотреть возможность разработки смесителя, работающего на четвертой и восьмой гармониках сигнала гетеродина. Это даст практическую возможность дальнейшего сдвига несущих частот приемопередатчиков радиоканалов в более высокочастотную область, так как значительно облегчится задача построения гетеродина с нужным уровнем мощности сигнала.

Основная часть

Обзор существующих решений на локальном уровне

Проблема смещения несущих частот в высокочастотную область СВЧ диапазона назревает последние несколько лет, поэтому важность задачи построения узлов приемопередатчиков миллиметрового диапазона возрастает. Мой научный руководитель профессор Воронцов Александр Григорьевич разработал структурную схему приемопередатчика радиорелейной системы связи, работающей на 47ГГц. В течении нескольких лет студенты разрабатывают узлы приемопередатчика, моя задача заключается в разработке смесителя. После аппаратной реализации всех узлов будут собраны два приемопередатчика и проведен сеанс связи между ними. Учитывая особенности этой системы, были уточнены требования к разрабатываемому смесителю

Обзор существующих решений на национальном уровне

В Украине сейчас достаточно интенсивно решаются задачи построения фильтров, смесителей, усилителей миллиметрового диапазона. Согласно материалам международной научно-технической конференции "Проблемы телекоммуникаций 2008", проведенной в Киеве 20-23 мая 2008г., существуют разработки балансных смесителей для частот 34-36ГГц с потерями преобразования от 9 до 12дБ в зависимости от мощности сигнала гетеродина. Это достаточно неплохие характеристики, однако балансный смеситель в случае частоты 47ГГц реализовать достаточно проблематично, так как нелегко обеспечить нужную мощность сигнала гетеродина на этой частоте. Поэтому, я считаю, нужно работать в направлении построения смесителей с субгармониковой накачкой.

Обзор существующих решений на международном уровне

В США, западной Европе активно исследуется миллиметровый диапазон и возможность построения станций, работающих в этом диапазоне. К примеру, компания Nokia FlexiHopper выпускает радиорелейные станции различных диапазонов, в том числе и 38ГГц (волна длиной 8мм). Такие станции работают сейчас в Украине в качестве средств связи между контроллерами базовых станций мобильной связи. Но все разработки этой компании закрыты для исследования, и не представляется возможным изучить особенности реализации усилительно-преобразовательного блока.
Однако, существуют открытые разработки смесителей для работы на частоте 47ГГц, так как станции этого диапазона еще не поставлены в массовое производство. К примеру, интерес представляет смеситель, работающий на второй гармонике сигнала гетеродина. Автор изобретения не приводит принципиальную схему смесителя, однако предоставляет фотографию смесителя, на которой видны цепи развязки и согласования сигналов в смесителе. Изобретение послужило мне неплохим примером для изучения процессов, происходящих в смесителе. Также следует отметить сборник примеров в программном пакете Microwave Office, здесь представлены различные типы смесителей для частот сантиметрового диапазона. В примерах приводятся принципиальные и структурные схемы, графики основных характеристик, также предоставляется возможность изменения каких-либо параметров элементов смесителей, добавление новых характеристик и т.д.

Обзорное решение задачи

Реализация смесителя миллиметрового диапазона - достаточно сложная задача и не может быть решена в существующих лабораторных условиях университета, поэтому необходимо будет обращаться к специалистам для конечной реализации смесителя. При этом будет невозможно провести оптимизацию структуры смесителя при исследовании его характеристик. Поэтому поставленную задачу предлагается решить следующим способом: построить модель смесителя для более низкой частоты сигнала, исследовать характеристики, оптимизировать их, выявить некоторые закономерности. Далее реализовать смеситель, провести практические исследования, в частности, исследование развязки и согласования цепей сигналов смесителя, исследование S-параметров смесителя. С учетом сопоставления полученных результатов теоретических и практических опытов, составить рекомендации к построению смесителя для работы на частоте 47ГГц. Реализовать модель смесителя, получить с учетом рекомендаций принципиальную схему, реализовать смеситель аппаратно.

Разработка модели субгармоникового смесителя

На данный момент были выполнены следующие исследования:

1. Постановка требований к характеристикам смесителя

Используя теорию четырехполюсников и анализируя работу приемопередатчика радиоканала, были установлены следующие положения [4]:

• Для минимизации коэффициента шума приемника необходимо обеспечить максимизацию коэффициента передачи и минимизацию коэффициента шума смесителя
• Для повышения уровня мощности сигнала передатчика необходимо максимизировать коэффициент передачи

Таким образом, учитывая то обстоятельство, что для пассивного смесителя его потери преобразования приблизительно равны коэффициенту шума, основной критерий при проектировании смесителя – максимизация коэффициента передачи.

2. Выбор элементной базы

В результате обзора существующих топологий смесителей и технологий был осуществлен выбор элементной базы [1]. Была выбрана диодная топология смесителей, в качестве нелинейного элемента был выбран диод с барьером Шоттки, так как этот диод имеет лучшую вольтамперную характеристику и наименьшее сопротивление потерь среди диодов, применяющихся при изготовлении СВЧ смесителей [2]. В качестве элементов согласования и развязки сигналов в соответствии с современными технологиями и требованиями к удешевлению продукции были выбраны микрополосковые линии.

3. Разработка принципиальной схемы смесителя

В результате анализа процессов развязки и согласования цепей сигналов в смесителе была предложена наиболее простая топология смесителя, работающего на второй гармонике сигнала гетеродина (рисунок 1).

Рисунок 1 – Принципиальная схема субгармоникового смесителя на антипараллельных диодах. Рисунок анимирован (5 кадров, 7 циклов анимации)

Цепи сигналов гетеродина, промежуточной частоты и входной сигнал должны быть развязаны. Для развязки цепей сигнала гетеродина и входного сигнала необходимо, чтобы эти сигналы попадали в смесительную камеру разными путями – то есть по разным микрополосковым линиям. Однако этого недостаточно, так как микрополосковые линии, в отличие от волноводов, не имеют предельной частоты. Так, сигнал гетеродина не должен попадать в цепь входного сигнала, это требование должна обеспечивать линия l₁. Аналогично, входной сигнал не должен попадать в цепь сигнала гетеродина, и это должно обеспечиваться линией l₂(рисунок 1). Для выполнения этих требований нужно правильно подобрать длины линий. Линия l₂ замкнута на землю и ее длина такова, что для сигнала, принимаемого антенной, она имеет нулевое сопротивление, тогда при параллельно соединенных линии l₂ и гетеродина, входной сигнал пойдет в линию и замкнется на землю. При этом линия l₂ резонирует на частоте сигнала гетеродина, чтобы сигнал передавался максимально на диоды. Линия l₁ разомкнута для сигнала гетеродина (является конденсатором большой емкости), и этот сигнал не попадает в линию l₁, в то же время эта линия максимально передает входной СВЧ сигнал на диоды.
Цепь сигнала промежуточной частоты может быть подсоединена и к линии l₁, и к линии l₂, так как длина волны сигнала промежуточной частоты намного превышает длины волн входного сигнала и сигнала гетеродина, и поэтому обе линии не будут существенно влиять на характеристики сигнала промежуточной частоты. Из рисунка 1 видно, что сигнал промежуточной частоты отбирается от линии входного сигнала l₁. В связи с этим необходима цепь развязки между сигналами промежуточной частоты и входным сигналом. Для того, чтобы входной СВЧ сигнал не попадал в цепь сигнала промежуточной частоты, последняя подсоединяется к линии l₁ в той точке, в которой амплитуда радиосигнала минимальна. Сигнал промежуточной частоты с выхода линии l₁ попадает в цепь согласования, которая представлена колебательным контуром L₂C₂. Этот контур осуществляет согласование выходного тракта с выходом микрополосковой линии. Аналогично и для сигнала радиочастоты – колебательный контур L₁C₁ осуществляет согласование антенного тракта с входом микрополосковой линии. Оба колебательных контура осуществляют также функции развязки сигнала промежуточной частоты и входного СВЧ сигнала.

4. Разработка модели смесителя для нижней части СВЧ диапазона

Модель, представленная на рисунке 1, разработана в программном пакете Microwave Office для частоты входного сигнала 1296МГц, частоты сигнала гетеродина 576МГц и промежуточной частоты 144МГц. Построение смесителя осуществлялось модульно, то есть разрабатывался и исследовался каждый функциональный блок смесителя.

• Разработка цепи согласования антенного тракта с входом микрополосковой линии. Цепь согласования представлена колебательным контуром L₁C₁ (рисунок 2). Резистор R₁ на схеме играет роль сопротивления потерь диода, которое через микрополосковую линию замыкается на землю. Значение сопротивления потерь было принято 10Ом в соответсвии со справочными данными.

  

  Рисунок 2 – Схема исследования резонансного контура цепи входного сигнала

  Были определены параметры элементов контура, при которых коэффициент передачи сигнала из порта 1 в порт 2 (от антенны к микрополосковой линии) максимален: S₂₁=-8,1дБ, L₁=3нГн, C₁=5пФ

• Разработка цепи согласования выходного тракта цепи сигнала промежуточной частоты с выходом микрополосковой линии. Цепь согласования представлена колебательным контуром L₂C₂ (рисунок 3). Резистор R₁ также выполняет функции сопротивления потерь диода.

  

  Рисунок 3 – Схема исследования резонансного контура цепи сигнала промежуточной частоты

  Были определены параметры элементов контура, при которых коэффициент передачи сигнала из порта 1 в порт 2 (от микрополосковой линии к выходному тракту) максимален: S₂₁=-7,96дБ, L₂=22,5нГн, C₂=50пФ

• Разработка и исследование микрополосковой линии l₂. Из предыдущего анализа ясно, что линия должна быть короткозамкнутой для входного СВЧ сигнала частотой 1296МГц, для этого ее длина должна быть:

  

  С другой стороны, эта линия должна быть резонансной для сигнала гетеродина, в этом случае ее длина равна:

  

  Для определения необходимой длины линии были проведены исследования (рисунок 4). Порт 2 имитирует подключение к микрополосковой линии сигнала гетеродина, через порт 1 сигнал поступает на диоды.

  

  Рисунок 4 – Схема исследования микрополосковой линии l₂

  Получено такую длину линии, при которой параметр S₁₂ (коэффициент передачи сигнала из порта 2 в порт 1 – сигнала гетеродина на диоды) максимальный на частоте 576МГц. Параметр S₂₁ – коэффициент передачи сигнала радиочастоты (сигнал приходит с диодов, то есть в случае данного эксперимента – с порта 1) в цепь сигнала гетеродина (порт 2) на частоте 1296МГц – должен быть минимальным. Так как схема рисунка 4 полностью симметрична, можно рассмотреть в качестве S₂₁ параметр S₁₂. Таким образом, был получен график зависимости коэффициента S₁₂ от частоты (рисунок 5) при оптимальной длине линии.

  

  Рисунок 5 – График зависимости коэффициента передачи линии l₂ от частоты сигнала

  S_12max=-0,03дБ на частоте 576МГц, S₂₁=-71,7дБ на частоте 1296МГц. Длина микрополосковой линии L_2опт=12,6см.

• Исследование микрополосковой линии l₁. В этом случае необходимо исследовать линию вместе с резонансными контурами, которые к ней подключены, так как линия также является резонансным контуром, и на частоте 1296МГц линия и контур L₁C₁ будут влиять друг на друга. Аналогично и для промежуточной частоты. Таким образом, схема для исследования имеет следующий вид (рисунок 6):

  

  Рисунок 6 – Схема исследования микрополосковой линии l₁ и подключенных к ней резонансных контуров

  В этом пункте были оценены и оптимизированы следующие характеристики (рисунок 7):

  • Коэффициент передачи входного сигнала на диоды (S₂₁) – максимальный на частоте сигнала 1296МГц: S₂₁=-8,07дБ
  • Коэффициент отражения сигнала гетеродина (S₂₂) – максимальный на частоте гетеродина 576МГц: S₂₂=-0,02дБ
  • Коэффициент передачи сигнала промежуточной частоты в цепь входного сигнала S₁₃=-46,28дБ на частоте 144МГц
  • Коэффициент передачи сигнала промежуточной частоты с диодов в цепь сигнала промежуточной частоты
    S₃₂=-8,12дБ на частоте 144МГц
  Оптимальная длина линии: L_1опт=11,8см.

  

  Рисунок 7 – S-параметры в схеме исследования линии l₁

• Построение смесителя и оптимизация его характеристик. Были объединены все исследованные модули, в структуру смесителя введены диоды (рисунок 8).

  

  Рисунок 8 – Схема исследования смесителя

При оптимизации коэффициента передачи смесителя параметры колебательных контуров и линий изменились, так как при объединении структур l₁ и l₂, последние влияют друг на друга: L_2опт=12,2см, L₂=28нГн, С₂=40пФ. При мощности гетеродина Р_гет=5дБм коэффициент передачи смесителя максимальный: К_см=-11,36дБ.

Заключение

Перечень основных результатов

Выполненные исследования позволили установить, что субгармониковый смеситель, реализованный по простейшей топологии, позволяет достичь вполне удовлетворительных характеристик:

• Потери преобразования: не хуже 11,5дБ
• Развязка вход – гетеродин: не хуже -36дБ
• Развязка гетеродин – вход: не хуже -43дБ
• Развязка вход – промежуточная частота: не хуже -95дБ
• Развязка промежуточная частота – вход: не хуже -46дБ
• Развязка гетеродин – промежуточная частота: не хуже -43дБ
• Развязка промежуточная частота – гетеродина: не хуже -25дБ

Эти характеристики могут быть улучшены за счет оптимизации цепей согласования, уровня сигнала гетеродина.

Выводы и перспективы исследования

Результаты исследований, проведенных на относительно низких частотах, позволили установить некоторые особенности смесителей данного типа, подтвердить целесообразность использованных методов экспериментально. Полученный опыт может быть применен при проектировании СВЧ смесителя К-диапазона.
На данный момент был реализован разработанный смеситель и сейчас проводятся практические исследования его характеристик с помощью анализатора цепей. Далее предполагается сравнить теоретические и практические результаты и сделать выводы о степени их согласованности. После этого будет создана модель смесителя, работающего на частоте 47ГГц.

Литература

1. Дж. Хелзайн. Пассивные и активные цепи СВЧ. Пер. с англ./ Под ред. Галкина А.С. – М.: Радио и связь, 1981 – 200с.
2. Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г.И. Веселова. – М.: Высшая школа, 1988. – 280с.
3. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А П. Сиверса: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Советское радио, 1976г.
4. Айбиндер И.М. Шумы радиоприемников. – М.: Радио и связь, 1980г.