بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، هدف طراحی، شبیهسازی و ساخت یک ضربکننده فرکانسی توسط یک ترانزیستور MESFET و دوبانده کردن آن توسط مدارات تطبیق و خطوط انتقال CRLH است. برای طراحی ضربکننده، بعد از انتخاب نقطه کار مناسب، مدارات تطبیق ورودی و خروجی را با شرط داشتن بهره ثابت و اعمال شرایط پایداری طراحی میکنیم. برای دوبانده کردن این ضرب کننده از خطوط CRLH استفاده شده است.
با درنظرگرفتن مدارمعادل این خطوط و طراحی معادل مایکرواستریپی آن، ضربکننده را برای کار در دوباند فرکانسی مختلف طراحی میکنیم. برای تأیید نتایج شبیهسازی، ضربکننده مربوطه ساخته و تست شد و تطابق خوبی بین نتایج شبیهسازی و اندازهگیری برقرار است. این طرح علاوه بر اندازه مناسب و هزینه اندکاز، مزایای بهره تقریباً ثابت در تمام باند عبور خود و تضعیف مناسب در باند قطع برخوردار است.
-1 مقدمه
ضرب فرکانسی در سیستمهای مخابراتی، فرآیندی است که طی آن، مضرب صحیح بزرگتر از واحد یک فرکانس مرجع تولید شود. تمام ساختارهای ضربکننده مایکروویو، از مشخصه غیرخطی عناصر نیمههادی استفاده می کنند. بر همین اساس میتوان آنها را به دو دسته کلی غیرفعال - دیود ورکتور - و فعال - ترانزیستور - تقسیم کرد که هر یک دارای مزایا و معایب خود در محدودههای مشخص فرکانس کاری هستند .[1-4] ضربکنندههای غیرفعال دارای مشخصه نویز بهتری هستند.
در حالیکه تلف کم - و حتی بهره تبدیل - ، راندمان بالا و ایزولاسیون مناسب از مشخصههای ضرب کنندههای فعال است. در مدارات ضربکنندهی فرکانس بالا، از ترانزیستورهای اثرمیدان - FET - استفاده میشود کهمعمولاً دارای بهره توان واحد و یا بیش از آن و پهنای باند وسیع هستند .[5] برای طراحی مدار ضربکنندهی فعال، لازم است ترانزیستور با مشخصات بهره، نویز و پایداری مناسب در باند فرکانس کاری موردنظر انتخاب کنیم.
محاسبه دقیق نقطهی کار - بایاسینگ - و همچنین طراحی مناسب مدارات تطبیق ورودی و خروجی بهره و راندمان را افزایش میدهد. موادی را که هم و هم آنها مثبت هستند، مواد Right Handed - RH - و موادی را که هم و هم آنها منفی هستند، فرامواد Left Handed - LH - مینامند .[6] اگر در محیطی و به صورت همزمان منفی شوند، پدیده هایی در انتشار امواج مشاهده میشود - به طور مثال عکس قانون داپلر و عکس قانون اسنل - که در محیطهای معمول وجود ندارد. خطوط انتقال CRLH از ترکیب مواد RH و فرامواد LH ساخته میشوند - Composite Right-Left . - Handed این خط انتقال در بازه فرکانسی خاصی رفتار منحصربه فردی دارد که سبب میشود این خط انتقال در دسته فرامادهها قرار بگیرد
در این مقاله هدف طراحی یک دوبرابرکننده فرکانسی فعال دوبانده میباشد که دوباند فرکانسی 9.5~10.7GHz و 11.7~12.5GHz در ورودی را عبور دهد و پس از ضرب فرکانسی در خروجی دارای دوباند عبور باشد و باند فرکانسی قطع خود را 21.4~23.4GHz - در خروجی - به نسبت خوبی حذف کند. در ابتدا مراحل طراحی ضرب کننده و سپس دوبانده کردن آن توسط خطوط انتقال CRLH ارائه خواهد شد. در نهایت نتایج شبیه سازی و ساخت باهم مقایسه شده و مزایای طرح بررسی میشود.
-2 طراحی ضربکننده فرکانسی و مدارات تطبیق
برای انتخاب ترانزیستور باید توجه داشت که ترانزیستور انتخابی در باند فرکانسی ورودی دارای بهره مطلوب و در باند فرکانسی خروجی قابلیت کارکردن را دارا باشد و همچنین دارای نقطه اشباع مطلوبی باشد. با درنظرگرفتن شرایط بالا ترانزیستور NE32400 از کارخانه NEC انتخاب شد. مشخصه ID-VDS این ترانزیستور در شکل 1 نشان داده شده است. 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.
آرایشی از مدار تطبیق ورودی و خروجی که می تواند هدف ما را برآورده کند، به ترتیب در شکلهای 2 و 3 نشان داده شده است.
شکل :2 آرایش مدار تطبیق ورودی انتخابی برای ضربکننده فرکانسی
شکل :1 مشخصه ID-VDS ترانزیستور انتخابی و انتخاب نقطه بایاس مناسب.
بعد از انتخاب نقطه بایاس ترانزیستور، ابتدا میبایست مدارهای تطبیق ورودی و خروجی طراحی شوند و سپس با استفاده از خطوط انتقال CRLH دوبانده شوند. طراحی مدار تطبیق ورودی در کل بازه فرکانسی 9.5~12.5GHz و مدار تطبیق خروجی در کل بازه فرکانسی 19~25GHz انجام میشود و هدف بدست آوردن بهره انتقالی ثابت و مطلوب 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 در روابط - 1 - تا - 4 - ارائه شده است
شکل :3 آرایش مدار تطبیق خروجی انتخابی برای ضربکننده فرکانسی
پارامترهای پراکندگی ترانزیستور NE32400 در محدوده فرکانس ورودی از دیتاشیت آن استخراج شده و در جدول 1 قابل مشاهده است.
جدول :1 پارامترهای پراکندگی ترانزیستور انتخابی در بازه فرکانسی ورودی.
به کمک این پارامترهای پراکندگی، مقادیر عددی موردنیاز عناصر مدار تطبیق ورودی را بدست میآوریم. با اجرای برنامه توسط نرم افزار و درنظرگرفتن خطای ماکزیمم 0,01، مقادیر به دست آمده از سعی و خطا برای عناصر ورودی محاسبه میشود. به همین روش و اعمال پارامترهای پراکندگی باند فرکانسی خروجی، مقدار عناصر مدار تطبیق خروجی نیز محاسبه میشود. جدول 2 این مقادیر را پس از بهینهسازی توسط نرمافزار نشان میدهد.
جدول :2 مقادیر عددی بدست آمده برای عناصر مدار تطبیق ورودی و خروجی.
در طراحی مدار مایکروویوی معادل برای مقادیر جدول 1 و 2 از روش دوایر بهره ثابت در نمودار اسمیت - Smith Chart - استفاده شده است. 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. به عنوان مثال در شکل 4 دایره بهرهثابت برای فرکانس ورودی 9GHz نشان داده شده است.
به همین روش دوایر بهره ثابت برای فرکانسهای خروجی نیز استخراج و ارائه میشوند. سپس توان فرکانسهای19~25GHz را با تغییر ولتاژ گیت کنترل میکنیم که در ادامه به آن اشاره میشود. این دوایر در همهی فرکانسها رسم شده است که در شکل 5 به عنوان نمونه برای فرکانس 22GHz آورده شده است. با به دست آمدن مقادیر مربوط به عناصر ورودی و خروجی، آنها را با خطوط انتقال مایکرواستریپ معادل، جایگزین کرده و با بهینهسازی به هدف مطلوب رسیدیم . توجه شود که طراحی خطوط انتقال برروی زیرلایه Rogers4003 با ضخامت 20mil انجام شده است.
-3 طراحی خط انتقال CRLH دوبانده
در شکل 6 مدارمعادل یک خط انتقال CRLH با تلفات نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود این مدل ترکیبی از یک خط انتقال معمول RH - سلف سری و خازن موازی - با یک خازن سری و سلف موازی میباشد که مدل CRLH را تشکیل میدهد. در خط انتقال دارای تلف، لازم است یک مقاومت سری و یک سوسپتانس موازی در واحد طول خط انتقال قرار دهیم تا تلفات را مدلسازی کنند.
شکل :6 مدار معادل برای یک خط انتقال CRLH با تلفات.
مدل خط انتقال CRLH خاصیت دوبانده شدن را داراست. چون میتواند همزمان در باند فرکانسی RH و در باند فرکانسی LH خود کار کند. اگر دوباند فرکانسی RH و LH یک خط انتقال CRLH با یکدیگر تداخل نداشته باشند، ناحیه بین این دو باند ناحیه قطع موردنظر را نتیجه میدهد. روابط - 5 - و - 6 - فرکانسهای کاری یک خط انتقال CRLH را بیان میکند
شکل :4 دایره بهرهثابت برای فرکانس ورودی
مدار تطبیق ارائه شده برای دوبانده کردن مدار، توسط خطوط انتقال CRLH به صورت شکل 7 میباشد. این مدل یک مدل کلی درجه یک است که میبایست با اضافه کردن درجات آن، به نتایج مطلوب برسیم.
شکل :5 دایره بهرهثابت برای فرکانس خروجی 22GHz
