بخشی از مقاله
چکیده
میکسر وسیلهای سه پورتی است که از المان غیرخطی یا متغیر با زمان برای تبدیل فرکانس استفاده میکند . خروجی میکسر ایده آل شامل فرکانس حاصلجمع و تفاضل فرکانسهای سیگنال ورودی است. در این مقاله یک میکسر اکتیو باند X به منظور مجتمعسازی LNA و میکسر، جهت بهبود عدد نویز طراحی شده است. در ابتدا با استفاده از یک ترانزیستور MOSFET یک تقویت کننده کم نویز - LNA - با نویز کمتر از 0/6dB و گین 12dB طراحی گردید و سپس با اعمال همزمان سیگنال رادیویی - RF - و سیگنال محلی - LO - توسط کوپلر خط - شاخه به این ترانزیستور و بایاس کردن آن در ناحیهی غیرخطی عمل ترکیب دو سیگنال و تقویت سیگنال میانی - IF - همزمان انجام شد.
با تنظیم مدار تطبیق امپدانس خروجی، سیگنالIF مورد نظر با بیشترین گین ممکن در خروجی به دست آمد. مدار شبیه سازی شده دارای 13dB گین تبدیل، 13dB ایزولاسیون بین سیگنال IF-RF، 35/77dB ایزولاسیون بین سیگنال IF-LO و همچنین 28/26dB اختلاف سطح سیگنال با هارمونیک دوم سیگنال IF و 25/16dB اختلاف سطح سیگنال با هارمونیک سوم سیگنال IF است. انجام تحلیل ممان که بسیار به مدل واقعی قطعه نزدیک است، ریسک ساخت قطعه را کاهش می دهد . تحلیل ممان این میکسر نشان می دهد که نتایج عملی و تئوری بسیار به هم نزدیک بوده و این میکسر قابلیت ساخت را دارا می باشد.
-1 مقدمه
طبقات LNA و میکسر جزء لاینفک تمامی گیرندهها میباشند. وظیفه یک میکسر تبدیل سیگنال RF به سیگنال IF است. از آنجایی که سیگنال RF دریافت شده توسط آنتن داری سطح توان پایینی است لذا این سیگنال توسط یک LNA تقویت شده تا به سطح توان مورد نظر برسد. در سال های اخیر انواع مختلفی از میکسرهای اکتیو و پسیو با ویژگیهای متفاوتی طراحی شده اند.
میکسر به تنهایی نقش مهمی در تعیین خصوصیات بحرانی یک سیستم از قبیل گین تبدیل - - ، عدد نویز، خطیسازی و حذف تصویر دارد. تلاش های متعددی برای بهبود خطی سازی میکسر فعال [1]، ترکیب نمودن میکسر اکتیو و پسیو به منظور کاهش نویز فلیکر[2]1، استفاده از سلول های گیلبرت2 و استفاده از اثر پیش تقویت کننده3برای بهبود گین تبدیل، عدد نویز و پهنای باند [3]، طراحی میکسر اکتیو با IIP2 و IIP3 بالا [4] و حتی طراحی میکسر برای کاربردهای امواج میلیمتری [5]؛ صورت گرفته است.
با این حال وجود دو عنصر غیرخطی در طبقات میکسر و LNA که هر کدام عدد نویز خاص خود را دارند و همچنین کانکتورهایی که برای اتصال این دو بخش به یکدیگر می بایست استفاده شود و نیز تلفات تبدیل میکسر4؛ در نهایت موجب خواهد شد که عدد نویز قابل توجهی در ابتدای مدار گیرنده ایجاد شود که امری نامطلوب است. به علاوه استفاده از دو طبقه در یک مدار باعث بالا رفتن هزینه های ساخت و نگهداری نیز خواهد شد.
در این مقاله میکسر اکتیوی طراحی شده است که عنصر غیرخطی آن علاوه بر ترکیب دو سیگنال RF و LO و ایجاد سیگنال IF؛ همزمان عمل تقویت سیگنال IF را نیز انجام میدهد. رسیدن به پایینترین حد ممکن عدد نویز، در کنار داشتن گین مناسب از اهدافی است که در این طراحی در نظر گرفته شده است. در بخش دوم مقاله روش انجام تحقیق و در بخش سوم به طراحی یک LNA با حداقل عدد نویز، در کنار گین مناسب خواهیم پرداخت. در بخش چهارم استفاده از این LNA به عنوان یک میکسر تشریح شده و در بخش پنجم تحلیل ممان آن ارائه خواهد شد و در انتها به جمع بندی و نتیجهگیری می پردازیم.
-2 روش تحقیق
به منظور انجام طراحی، تحلیل شماتیک و تحلیل ممان مدار، از نرم افزار ADS5 استفاده شده است. همچنین جهت انجام تحلیل ممان، در پایان طراحی، مدار به بخشهای مجزا تقسیم شده است. سپس هر قسمت پس از انجام تحلیل ممان به عنوان یک قطعه6 واحد در محیط شماتیک وارد می شود. در پایان مدار با این عناصر، تحلیل خواهد شد.
-3 طراحی LNA
در ابتدا به کمک نرم افزار ADS، با استفاده از پارامترهای S یک ترانزیستور MOSFET یک تقویتکننده خطی طراحی کردیم. به منظور داشتن گین یکنواخت حدود 10 dB، عدد نویز کمتر از 0/8 dB و داشتن حداقل ضریب انعکاس - VSWR - در ورودی و خروجی؛ مدار تطبیق امپدانس ورودی و خروجی مطابق شکل 1 برای این ترانزیستور طراحی شد. از آنجایی که بیشتر دستگاههای ارتباطی در باند X در محدوده 9-10/5GHz کار میکنند، لذا طراحی را برای این محدوده انجام میدهیم.
استفاده از دو طبقه مدار تطبیق امپدانس با خطوط میکرواستریپ در ورودی و خروجی به منظور دستیابی به گین مد نظر-هرچند که کمی عدد نویز را تحت تاثیر قرار خواهد داد- ولی به پایداری مدار در کل باند فرکانسی و رسیدن به گین یکنواخت کمک خواهد نمود. همچنین مقاومت R1 در خروجی مدار به منظور تضمین پایداری مدار قرار داده شده است که در ادامه در مورد آن توضیح داده خواهد شد.
شکل :1 شماتیک LNA طراحی شده.
اکنون با تغییر دادن المان های مدار تطبیق امپدانس ورودی و خروجی، به عدد نویز مورد نظر - شکل - 2، بهره بالای 10 dB - شکل - 3 و کمترین VSWR در ورودی و خروجی - شکل - 4 با حفظ کوچک بودن مدار، دست پیدا کردیم. البته باید این نکته را در نظر داشت که همواره بین عدد نویز و گین یک مصالحهای برقرار بوده و هیچگاه کمترین عدد نویز و بیشترین گین همزمان حاصل نخواهند شد.
شکل :2 نمودار عدد نویز مدار
شکل :3 نمودار گین مدار LNA
