بخشی از مقاله
خلاصه
در دنیای امروز مخابرات مایکروویو، نوسانسازها نقش بسیار مهمی را به عنوان منبع تولید سیگنالهای مخابراتی ایفا می کنند به نحوی که طراحی یک نوسانساز با پارامترهای مناسب میتواند تاثیر بسزایی در عملکرد نهایی یک سیستم مخابراتی داشته باشد. بدین منظور روشهای مختلفی در طراحی نوسانسازهای مایکروویو پیشنهاد میشود که در میان آنها به کارگیری فیلترهای بیضوی به همراه عناصر فعال - ترانزیستورها - گزینه مناسبی به حساب می آید.
در این مقاله یک فیلتر پسیو با محاسبه ماتریس تزویج و ضرایب Kij و ضریب کیفیت - Q - در باند X و حول فرکانس مرکزی 8.05GHz مورد طراحی قرار گرفت و توسط نرم افزار CST راستی آزمایی شد. قسمتهای مختلف مدار نوسانساز هم توسط نرم افزار ADS مورد شبیه سازی واقع گردید.
.1 مقدمه
طراحی نوسانسازهای مایکروویو با چالش های بسیاری در فرکانس های موج میلی متری و مایکروویوی روبه رواست. عامل اصلی محدود کننده در طراحی نوسانسازهای مایکروویو در این فرکانس ها، ضریب کیفیت پایین رزوناتورها بدلیل هدایت بالا و تلفات دی الکتریک است. بنابراین در این سیستم های موج میلی متری و مایکروویوی، نوسانسازهای رزوناتور دی الکتریک - - DROs به طور گسترده ای به کار می روند . رزوناتورهای دی الکتریک ضریب کیفیت غیر بار شده بالایی را فراهم می کنند هر چند که DROs دارای چندین مشکل مهم هستند.
عیب رزوناتور دی الکتریک - - DRs ، اندازه ی بزرگ آنها که قابل مقایسه با بقیه مدار نوسانساز است. علاوه بر آن DRs قابلیت مجتمع سازی ندارند و بدلیل ساختار سه بعدی و نیاز به یک تنظیم خوب قبل از ساخت، مناسب تولید انبوه نیستند.>1@ البته برای برطرف کردن این مشکل ساختارهایی به صورت فیدبک سری انجام شده است که می توان رزوناتور حلقه ای - >2@ - Ring resonator، رزوناتور شانه ای - [3] - Hair-pin resonator، رزوناتور فعال - [4] - Active resonator و رزوناتور مارپیچ - - Spiral resonator [5] را نام برد.
نوسانسازهای امروزی به دلیل داشتن ساختار رزوناتوری پیچیده تر، محدودیت ضریب کیفیت نوسانسازهای اولیه را ندارند همچنین می توان با روش های جدید به طراحی در ابعاد کوچک در فرکانس های موج میلی متری و مایکروویوی رسید. یکی از این روش ها استفاده از فیلتر های بیضوی به صورت ساختار فیدبک موازی می باشد که در طراحی نوسانسازهای مایکروویو به کار می رود. با بهره گیری از ضریب کیفیت بالای ایجاد شده از لبه های باند عبور فیلتر بیضوی، مایکروویو حاصل می شود همچنین رزوناتورهای فعال به کار برده شده در طراحی فیلتر های بیضوی باعث جبران تلفات و افزایش ضریب کیفیت می شوند.
در مقاله پیش رو به طراحی و شبیه سازی قسمتهای مختلف یک نوسانساز با نویز فاز اندک در باند ایکس پرداخته ایم.
.2 طراحی و شبیه سازی بایاس ترانزیستور
به منظور طراحی نوسانساز ابتدا می بایست که ترانزیستور مایکروویو انتخاب شود. بدین منظور با توجه به پارامترهایی که در ادامه آمده است ترانزیستور ATF33143 مدل Statz از شرکت Avago انتخاب گردید. عواملی که در انتخاب ترانزیستور تاثیرگذار بوده است عبارتند از: ساختار پکیج ترانزیستور و با آرایش سورس مشترک، P1dB که برابر با 22 dBm می باشد، بهره تقویت کننده که 15 dB است، قابلیت کارکرد در باندX و داشتن شرط ذاتا ناپایدار بودن
شبیه سازی مدار بایاس ترانزیستورATF33143، به کمک نرم افزار ADS انجام شده است. بدین منظور از بستر RT/Duroid 5880 با ثابت دی الکتریک 2.2 و ضخامت 31mil استفاده شده است. نتایج و مقادیر حاصل از شبیه سازی بایاس ترانزیستور ATF33143 در فرکانس نوسان 8.05GHz در شکل 1، آورده شده است.
الف - پارامتر S11 ب - پارامتر مینیمم عدد نویز ج - پارامتر ماکزیمم توان د - پارامتر S21 ه - پارامتر S12
و - پارامتر S22
شکل-1 نتایج حاصل از شبیه سازی بایاس ترانزیستور ATF33143 در فرکانس نوسان 8.05GHz
.3 طراحی و شبیه سازی شبکه تطبیق ورودی و خروجی
در طراحی نوسانسازهای مایکروویو یکی از مهمترین و اساسی ترین عوامل، طراحی شبکه تطبیق ورودی و خروجی می باشد - تقویت کننده - . بنابراین، پارامترهای نویز فیگر و P1dB به گونه ای طراحی شده اند که مینیمم مقدار نویز فیگر و ماکزیمم مقدار P1dB حاصل شده است. شبکه تطبیق ورودی برای رسیدن به مینیمم مقدار نویز فیگر و شبکه تطبیق خروجی به منظور ماکزیمم مقدار P1dB، طراحی شده اند. نتایج و مقادیر حاصل از شبیه سازی شبکه تطبیق ورودی و خروجی در شکل2، نشان داده شده است.
الف - S11 و S22 ب - مقایسه ی عدد نویز و عدد نویز ج - مقایسه ی ماکزیمم بهره و S21 مینیمم
شکل-2 نتایج حاصل از شبیه سازی شبکه تطبیق ورودی و خروجی در فرکانس نوسان 8.05 GHz
.4 طراحی و شبیه سازی فیلتر شبه بیضوی
فیلترهای مایکرواستریپ همواره یکی از ضروری ترین بخشهای سیستمهای مایکروویو بوده و نقش بسیارمهمی را درسیستمهای مخابراتی دارند و به راحتی میتوان آنها را با مدارات الکترونیکی یکپارچه نمود. هدف طراحان مدار علاوه بر کوچک سازی ساختارها، نزدیک شدن به پاسخ فرکانسی به حالت ایده آل است. فیلترهای بیضوی به دلیل حضور صفرانتقال در پاسخ فرکانسی باعث افزایش سطح انتخابگری فیلتر شده و به عبارتی پاسخ فرکانسی فیلتر را به حالت ایده آل نزدیکتر می نمایند .
فیلترهای بیضوی به دلیل حضور صفرانتقال در پاسخ فرکانسی در مقایسه با دیگر فیلترها تاخیر گروه بیشتری دارند که این خود باعث افزایش ضریب کیفیت در این نوع پاسخ ها شده است که برخی از محققان از این نقطه جهت طراحی نوسانسازهای با حداقل نویز فاز استفاده نموده اند.[7] در این مقاله فیلتر میان گذر با استفاده از تشدیدکننده حلقه ای شکاف دار مایکرواستریپی با ساختار مربعی توسط سنتز ماتریس کوپلینگ در فرکانس 8.05 GHz با دو صفر انتقال، به کمک نرم افزار CST شبیه سازی شده است.
در صورتی که دو رزوناتور کنار یکدیگر قرار گیرند و دو فرکانس رزونانس متوالی این ساختار را با f1 و f2 نشان دهیم، ضرایب کوپلینگ را می توان به صورت رابطه 1 محاسبه نمود
جهت سنتز یک فیلتر بیضوی، باید تمام آرایه های ماتریس کوپلینگ محقق شود در غیر این صورت فیلتر با مشخصات فرکانسی خواسته شده مطابقت نمی نماید. علاوه بر تزویج بین رزوناتورها، ورودی و رزوناتور 1 نیز بر نتیجه پاسخ فرکانسی موثر است و بر همین اساس ماتریس کوپلینگ - n+2 - * - n+2 - مطرح شده است که برای بدست آوردن ضریب کیفیت خارجی از رابطه 2 استفاده می شود
