بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله یک محدودکننده موجبری برای کاربرد در تقویتکننده کمنویز موجبری و به منظور ایجاد نقش موثرتر در حفاظت مدارات گیرنده مورد تحلیل، طراحی و شبیه سازی قرار میگیرد. هدف طراحی، محدوده باند فرکانسی X و در فرکانس مرکزی 9.25GHz و پهنای باند 250MHz و به منظور حذف توانهای بیش از -2dBm خواهد بود. این در حالی است که ساختار دارای حداکثر تلفات مستقیم 1db و بیشینه تلفات بازگشتی 10dB در کل محدوده پهنای باند خواهد بود.
به منظور طراحی، ابتدا یک دیود Pin مناسب با نام تجاری MPL7120-T86 محصول شرکت Aeroflex/Metelic انتخاب کرده و مدل مداری آن را تحقق میدهیم و سپس با استفاده از ساختار موجبری WR90 و ایجاد تطبیق امپدانس پلکانی و ایجاد ساختار کواکسیال مناسب مسیر دیودی را در ساختار مذکور تعبیه میکنیم. در نهایت پارامترهای پراکندگی در دو حالت دیود خاموش و روشن اندازهگیری شده و تاثیر مقادیر مختلف توان ورودی در خروجی مشاهده میشوند. تحلیل ها و طراحی های انجام شده در نرم افزار ADS، مدل سازی و بهینه سازی میشوند و نتایج حاصل از شبیهسازی در حالت-های مختلف و در کوپلاژهای مختلف مورد ارزیابی قرار میگیرند.
مقدمه
با گسترش استفاده از امواج ماکروویو ، نیاز به ادوات موجبری کمتلفات با هزینه پایین افزایش یافته است. در یک گیرنده مخابراتی مجموع تلفات، قبل از تقویتکننده کمنویز، تاثیر زیادی بر عدد نویز سیستم دارد، بنابراین در کل سیستم مهم است که تلفات کمتری از بخش های مختلف سیستم ایجاد شود. محدود کردن موج RF دریافتی، توسط آنتن که بیشتر برای محافظت گیرنده در مقابل حملات و صدمات احتمالی مانند حملات پالسهای با توان بالا و همچنین نشتی از سمت فرستنده به گیرنده، که با استفاده از محدودکننده موجبری که نقش حیاتی برای محافظت گیرنده را دارد ، انجام می شود.[1]
یکی از راهکارهای محدودکنندگی، استفاده از دیودهای Pin است که از خاصیت کلمپ کردن [2]، برای این مقصود استفاده میشود.. مزیت این نوع دیودها دارای تلفات کم و پاسخ سریع و زمان ریکاوری خوب در حد نانوثانیه می باشد. آنها همچنین می توانند در فرکانس کاری 2~20GHz ساخته شوند و برای حفاظت دستگاه در باند فرکانسی بالا مناسب هستند. همچنین در [3]، یک محدودکننده موجبری با استفاده از ساختار دیود Pin طراحی شده است. این ساختار برای کاربرد در فرکانس 9GHz و دارای پهنای باند 200MHz است و توان خروجی را در حدود 0dBm کلمپ میکند.
در [4]، یک محدودکننده مسطح چاپی با قابلیت انتخاب فرکانسی طراحی شده است. در این ساختار میزان تلفات 1.55dB در محدوده فرکانسی 9.25~9.75GHz حاصل شده است. این ترکیب برای توانهای بالا و همچنین استفاده در نوع موجبر قابل کاربری نیست. در [5] نیز یک ساختار پهن باند برای محدودکننده در نظر گرفته شده است که باز هم به دلیل مسطح بودن قابلیت کاربرد در توانهای بالا را ندارد.
در این مقاله، محدودکننده موجبری از ترکیب دو ساختار موجبر و پین دیود، تشکیل شده است. در این طرح، یکی از مشکلترین مراحل در طراحی جانمایی پین دیود در موجبر است. کوپل کردن پین دیود و موجبر را توسط ساختار کواکسیال انجام داده و پین دیود را داخل این ساختار جانمایی میکنیم. همچنین به منظور بررسی عملکرد دیود Pin یک ساختار مداری برای آن مدلسازی شده است.
برای انتخاب موجبر هم از یک موجبر مستطیلی خانواده WR-90 که فرکانس کاری آن از 8.2GHz تا 12GHz هستند، استفاده شده است. تمامی شبیهسازیها در نرم افزار ADS انجام شده است و به منظور نگاشت مقادیر امپدانس و ادمیتانس نقاط ناپیوستگی از روابط معادل [6] استفاده شده است. ساختار حاصل قابلیت عملکرد در محدوده فرکانسی 9.1~9.37GHz با حداکثر تلفات بازگشتی 10dB و تلفات مستقیم 0.6dB را برای محدود کردن توان ورودی بیش از -2dBm را دارد.
ساختار کلی محدودکننده و مدلسازی دیود Pin
مطابق آنچه در شکل 1 آمده است، در ساختار محدودکننده موجبری دیود Pin همانند یک RF Choke، به صورت اتصال موازی در مدار عمل میکند، بطوری که با افزایش ناگهانی توان ورودی، مقاومتش کاهش مییابد و هنگامی که سیگنال ورودی در حالت عادی است، امپدانس محدودکننده در حد ماکزیمم قرار دارد و تلفات مسیر مستقیم کمتر از 0.5dB خواهد شد.[6]
طریقه قرار گرفتن دیود Pin در ساختارهای مختلفی نظیر، تک مرحلهای، دو مرحلهای و سه مرحلهای هستند. هر چقدر تعداد پین دیودها بیشتر باشند، مقدار ایزوله بودن محدودکننده موجبری در برابر توانهای نشتی و جمینگ بیشتر میشود. از معایب تعدد طبقات افزایش ابعاد فیزیکی و همچنین بالا رفتن تلفات خواهد بود. ما در این مقاله از ساختار تک مرحله ای با یک پین دیود استفاده کردهایم هرچند میتوان از ساختار حاضر برای حالتهای چندطبقهای نیز استفاده نمود.
یکی از مهمترین چالشهای طراحی، انتخاب دیود Pin مناسب است. یک دیود Pin باید طوری انتخاب شود که قابلیت تحمل توان بالایی داشته باشد، علاوه بر آن کم تلفات باشند. انتخاب ما دیود Pin به شماره فنی MPL7120-T86 بوده که ساخت شرکت Aeroflex/Metelic است.[7] برای طراحی در نرم افزار ADS ، بدلیل موجود نبودن این نوع پین دیود باید از مدل مداری آن استفاده کنیم تا بتوانیم شرایط مورد نظر را پیاده سازی نماییم. به همین دلیل از اطلاعات خود پین دیود استفاده می کنیم. همانطور که در شکل 2 مشاهده می کنیم، برای طراحی مدل پین دیود از عناصر فشرده الکترونیکی استفاده میکنیم.
این قطعات شامل ظرفیت خازنی پکیج دیود که به نام Cp، مقاومت اندوکتانسی پکیج دیود به نام Ls، ظرفیت خازنی خود دیود به نام Cj و مقاومت سری داخلی دیود به نام Rs، هستند. همچنین پین دیود را با تغییر مقدار Rs، به دو حالت روشن و خاموش نگاشت میکنیم. در این مدل مداری Cp=0.18pF، Cj=0.2pF، Ls= 0.45nH و همچنین اگر Rs =1 باشد پین دیود در حالت روشن و اگر Rs =10k باشد، پین دیود در حالت خاموش قرار می-گیرد. مابین این دو مقدار یک تابع نمایی از مقدار کمینه تا بیشینه تخمین زده شده است تا شرایط کاملی برای عملکرد دیود Pin فراهم شود.
