بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله با ارائه نحوه طراحی ضربکنندههای فرکانس مایکروویو، مراحل طراحی و ساخت یک مدار دو برابرکننده فرکانس، تشریح شده است. هدف در این مقاله، طراحی یک دوبرابرکننده فرکانسی با توان خروجی بالا و ثابت در کل باند فرکانسی میباشد.
در طراحی این ضربکننده از روش دوایر بهره ثابت استفاده و مدارات تطبیق ورودی و خروجی محاسبه شده است. چون فرکانس کاری خروجی در باند KU میباشد، مدارمعادل خط مایکرواستریپ آن محاسبه شده است و طراحی براساس مدارات تطبیق مایکرواستریپ ارائه شده است. بعد از ساخت مدار طراحیشده، نتایج شبیهسازی و اندازهگیری باهم مقایسه شده که تطابق خوبی باهم دارند.
-1 مقدمه
ضرب کنندههای فرکانس مایکروویو برای تولید و تأمین فرکانسهای پایدار و مشخص از یک منبع فرکانسی، همواره به عنوان بخش حائز اهمیتی در سیستمهای مخابراتی مطرح میباشند. ضربکننده فرکانسی در سیستمهای مخابراتی، فرایندی است که طی آن، مضرب صحیح بزرگتر از واحد یک فرکانس مرجع تولید شود. تمام ساختارهای ضربکننده مایکروویو، از مشخصه غیرخطی عناصر نیمههادی استفاده میکنند
بر همین اساس می توان آنها را به دودسته کلی غیرفعال - دیود ورکتور - و فعال - ترانزیستور - تقسیم کرد که هریک دارای مزایا و معایب خود در محدودههای مشخص فرکانس کاری هستند .[4] تلف کم و حتی بهره تبدیل، راندمان بالا و ایزولاسیون مناسب از مشخصات ضرب کنندههای فعال است .[5] معیار اصلی انتخاب یک ساختار مشخص در یک سیستم، توجه به مزایا و معایب کاربردی و عملی، ملاحظات ساخت و همچنین مناسببودن مشخصات برای فرکانس کاری موردنظر است. در مدارات ضربکننده فرکانس بالا، از ترانزیستور های اثر میدان - FET - استفاده میشود. این ویژگی به دلیل ساختار فیزیکی این المان و همچنین مشخصات الکتریکی آن است
از مهمترین ویژگیهای یک طراحی خوب، انتخاب درست عناصر و تعیین مناسب مشخصات مدار برای کاربرد موردنظر است. بنابراین برای طراحی مدار ضرب کننده فعال، لازم است ترانزیستور با مشخصات بهره، نویز و پایداری مناسب در باند فرکانس کاری موردنظر انتخاب کنیم. محاسبه دقیق نقطه کار بایاسینگ و همچنین طراحی مناسب مدارات تطبیق ورودی و خروجی بهره و راندمان را افزایش میدهد. هرچند در طرح تقریبی اولیهمعمولاً عناصر به صورت ایدهآل در نظر گرفته میشوند، اما برای شبیه سازی و آنالیز نهایی، لازم است مدل غیرخطی دقیق ترانزیستور به کار رود.
در این طرح هدف داشتن توان خروجی ثابت است. ابتدا ترانزیستور موردنظر انتخاب شده و با استفاده از دوایر بهرهثابت مدارات تطبیق ورودی و خروجی طراحی میشود. سپس نتایج طراحی، شبیهسازی و اندازه گیری شده و مزایای این طرح بررسی میشود.
-2 انتخاب و طراحی ترانزیستور برای داشتن بهره ثابت
در این روش از یک ترانزیستور اثرمیدان - FET - برای عمل ضرب فرکانسی استفاده میشود . ترانزیستور موردنظر در ورودی و خروجی برای باند مطلوب و داشتن تغییرات بهره اندک تطبیق شده و مدار بایاس مناسب نیز طراحی میشود. در این روش انواع شبیهسازیهای لازم انجام شده و نتایج آن به همراه محصول ساخته شده ارائه میشوند.
-1-2 انتخاب ترانزیستور و نقطه کار مناسب
ترانزیستور انتخابی میبایست در باندفرکانسی ورودی دارای بهره مطلوب و در باند فرکانسی خروجی قابلیت کارکردن را دارا باشد. همچنین ترانزیستور دارای نقطه اشباع مطلوبی باشد و بتواند با توان ورودی موردنظر کار کند. بعد از اعمال شرایط بالا چندین ترانزیستور انتخاب شد، که کار برروی ترانزیستور NE32400 از کارخانه NEC انجام شد. این ترانزیستور دارای مشخصه ID-VDS به صورت شکل 1 میباشد. چون هدف طراحی یک دوبرابرکننده فرکانسی میباشد و حالت غیرخطی ترانزیستور مدنظر است، نقطه بایاس ترانزیستور در حالت نشانداده شده در شکل 1 انتخاب گردید.
شکل :2 مشخصه ID-VDS ترانزیستور انتخابی - NE32400 -
بعد از انتخاب نقطه بایاس ترانزیستور، میبایست مدارهای تطبیق ورودی و خروجی طراحی شوند. طراحی مدارات تطبیق ورودی و خروجی با توجه به شرط داشتن بهره ثابت و شرایط پایداری مشخص شده است. لازم به ذکر است که بهینهسازی مدارهای ورودی و خروجی توسط نرم افزار MATLAB انجام شده است.
محاسبات مربوط به بهره یک ترانزیستور و شرایط پایداری آن به صورت روابط - 1 - تا - 4 - خلاصه شده است
آرایشی از مدار تطبیق ورودی و خروجی که حدس می زنیم می تواند هدف ما را برآورده کند، به ترتیب در شکلهای 2 و 3 نشان داده شده است.
شکل :2 آرایش انتخابی از مدار تطبیق ورودی
شکل :3 آرایش انتخابی از مدار تطبیق خروجی
پارامترهای پراکندگی ترانزیستور NE32400 در محدوده فرکانس ورودی در جدول 1 خلاصه شده است.
جدول :1 پارامترهای پراکندگی - S - ترانزیستور NE32400
جدول :2 محاسبه مقادیر عددی مدار تطبیق ورودی به کمک پارامترهای پراکندگی - S - ترانزیستور
-2-2 رسم دوایر بهره ثابت - 11dB - ورودی و خروجی
روش دوایر بهره ثابت در نمودار اسمیت - Smith Chart - استفاده بزرگنمایی دایره جهت مشاهده اثر مدار تطبیق ورودی میکنیم . زیرا با این روش به مداری خواهیم رسید که در باند ورودی و خروجی دارای بهره ثابت و یا به عبارتی ریپل حداقل خواهیم بود. با استفاده از نرم افزار MATLAB دوایر بهره ثابت را رسم نمودیم. با رسم این دوایر و انتخاب نقطه تطبیق داخل دایره، علاوه بر تطبیق مدار میتوان به یک بهره ثابت در خروجی دست یافت و تغییرات بهره را حداقل ساخت. در شکل 4 به عنوان نمونه دایره بهرهثابت در فرکانس ورودی 6GHz نشان داده شده است - قسمت - الف - شکل، دایره اصلی و قسمت - ب - با بزرگنمایی نمایش داده شده است - .
به همین روش دوایر بهره ثابت برای فرکانسهای خروجی 12- - - 16GHz نیز استخراج و ارائه میشوند. به عنوان نمونه، در شکل - الف - 5 دایره بهره ثابت در فرکانس خروجی 16GHz رسم شده است.
