Ανάλυση, σχεδιασμός και υλοποίηση ΤΕΙ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ – ΣΕΡΡΕΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΏΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ------------------ MSC στα ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Ανάλυση, σχεδιασμός και υλοποίηση μικροκυματικού συζεύκτη πολλαπλών τμημάτων Καλίγκας Βασίλειος Επιβλέπων Δρ. Τσίτσος Στυλιανός

Εισαγωγή Σχήμα 1. Μικροκυματικός συζεύκτης Ο μικροκυματικός κατευθυντικός συζεύκτης είναι μια παθητική διάταξη που αποτελείται από ένα ζεύγος συζευγμένων γραμμών. Οι γραμμές αυτές δεν αγγίζουν η μια την άλλη, όμως είναι δυνατή η μεταφορά ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Σχήμα 1. Μικροκυματικός συζεύκτης Εφαρμογές : σε μικροκυματικούς μείκτες, διαμορφωτές, πολλαπλασιαστές συχνότητας, ενισχυτές, συστοιχίες κεραιών, αλλά επίσης και σε όργανα μέτρησης και διακρίβωσης όπως ο αναλυτής δικτύου.

Ενδεικτικό παράδειγμα εφαρμογής κατευθυντικού συζεύκτη Σχήμα 2. Τυπικό μπλοκ διάγραμμα ενός αναλυτή δικτύου Η μέτρηση της αντίστασης φορτίου επιτυγχάνεται με την μέτρηση του συντελεστή ανάκλασης, δηλαδή τον λόγο των ανακλώμενων και των προσπίπτων κυμάτων. Ο διαχωρισμός τους όπως φαίνεται από το σχήμα 2 γίνεται από τους συζεύκτες.

Η ισχύς που εισέρχεται στη θύρα 1 (θύρα εισόδου)   Η ισχύς που εισέρχεται στη θύρα 1 (θύρα εισόδου) δεσμεύεται από τη θύρα 3 (θύρα σύζευξης) ενώ η υπόλοιπη ισχύς εισόδου διαφεύγει από την θύρα 2 (θύρα διέλευσης) Σε έναν ιδανικό κατευθυντικό συζεύκτη καμία ισχύς δεν κατανέμεται στην θύρα 4 (θύρα απομόνωσης).     α2 +β2 = 1

Συζευγμένες γραμμές Όταν δύο αθωράκιστες γραμμές μεταφοράς πλησιάσουν πολύ, δεσμεύουν ισχύ η μια από την άλλη, λόγω αλληλεπίδρασης των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων κάθε γραμμής. Οι γραμμές λέγονται συζευγμένες, και συνήθως αποτελούνται από αγωγούς σε πολύ μικρή απόσταση. Σχήμα 3. Γεωμετρίες συζευγμένων γραμμών μεταφοράς: (α) συζευγμένες ταινιογραμμές μέσω πλευρικών ακμών (β) συζευγμένες ταινιογραμμές μέσω ευρέων ακμών (γ) συζευγμένες μικροταινίες.

Οι συζευγμένες γραμμές μπορούν να μοντελοποιηθούν από τις διατάξεις του σχ. 4. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των συζευγμένων γραμμών καθορίζονται πλήρως από τις ενεργές χωρητικότητες μεταξύ των γραμμών. Σχήμα 4. Γραμμή μεταφοράς με σύζευξη τριών αγωγών και το ισοδύναμο δικτύωμα με χωρητικότητες.  

Άρτιος και περιττός ρυθμός Σχήμα 5: Διεγέρσεις άρτιου και περιττού ρυθμού σε συζευγμένες γραμμές και τα ισοδύναμα δικτυώματα με χωρητικότητες. (α) διέγερση άρτιου ρυθμού (β) διέγερση περιττού ρυθμού. άρτιος ρυθμός, όπου τα ρεύματα στους αγωγούς ταινίας έχουν το ίδιο πλάτος και την ίδια διεύθυνση και το ηλεκτρικό πεδίο έχει άρτια συμμετρία ως προς την κεντρική γραμμή, ενώ δεν διέρχεται ρεύμα μεταξύ των αγωγών ταινίας, περιττός ρυθμός, όπου τα ρεύματα αυτά έχουν το ίδιο πλάτος αλλά αντίθετη διεύθυνση και οι δυναμικές γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου έχουν περιττή συμμετρία ως προς την κεντρική γραμμή και μεταξύ των δύο αγωγών ταινίας η τάση μηδενίζεται.

Συζεύκτης συζευγμένων γραμμών Όταν σχεδιάζεται ένας συζεύκτης στοχευμένος σε κάποια εφαρμογή, συγκεκριμένες φυσικές διαστάσεις και ιδιότητες μπορούν να μελετηθούν. Σε περίπτωση που χρειαστεί όμως ένα μεγαλύτερο εύρος ζώνης χρησιμοποιείται ο συζεύκτης πολλαπλών τμημάτων. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την σχεδίαση ενός συζεύκτη με C = -20 dB στην συχνότητα των 2 GHz είναι η εξής : Μελέτη της σχετικής θεωρίας, Σχεδιασμός και εξομοίωση με το λογισμικού ADS, Κατασκευή και έλεγχος του συζεύκτη, Σύγκριση των θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων περιγράφοντας την απόδοση του κατευθυντικού συζεύκτη. Σχήμα 6: Συζεύκτης συζευγμένων γραμμών με Ν τμήματα.

Υπολογισμός χαρακτηριστικών αντιστάσεων άρτιου και περιττού τρόπου κάθε τμήματος  

Σχεδίαση ιδανικού συζεύκτη Σχήμα 7. Σχηματικό διάγραμμα ιδανικού συζεύκτη

Σχήμα 8. Απώλειες επιστροφής στις θύρες 1, 2. – Παράμετροι σκέδασης S (1,1) και S (2,2)

Σχήμα 9. Απώλειες επιστροφής στις θύρες 3, 4 – Παράμετροι σκέδασης S( 3,3) και S (4,4)

Σχήμα 10. Συντελεστής σύζευξης μεταξύ θυρών 1 και 2 παράμετρος σκέδασης S (2,1) και απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 και 3 S (3,1).

Σχήμα 11. Απομόνωση μεταξύ των θυρών 1 και 4 – Παράμετρος σκέδασης S (4,1)

Από τα διαγράμματα προκύπτει ότι στο εύρος ζώνης 1,5-2,5 GHz: Υπάρχει προσαρμογή σε κάθε θύρα του συζεύκτη (οι παράμ. σκέδασης S11, S22, S33, S44 έχουν περίπου τιμή -92 dB). Επιτυγχάνεται η επιθυμητή σύζευξη των -20 dB (παράμ. σκέδασης S21). Οι απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 και 3 (παράμ. σκέδασης S31) είναι περίπου 0 dB. Επιτυγχάνεται απομόνωση μεταξύ των θυρών 1 και 4 (η παράμ. σκέδασης S41 έχει τιμή περίπου -109 dB).

Στη συνέχεια, οι ιδανικές γραμμές αντικαθίστανται με μικροταινίες Στη συνέχεια, οι ιδανικές γραμμές αντικαθίστανται με μικροταινίες. Χρησιμοποιήθηκε διηλεκτρικό υπόστρωμα της εταιρείας TACONIC, με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Er = 2,2 (διηλεκτρική σταθερά υποστρώματος) H = 1,575 mm (πάχος υποστρώματος) T = 0,017 mm (πάχος μεταλλικού αγωγού) Cond = 5,813∙107 Siemens/m (αγωγιμότητα μετάλλου – χαλκός) Tand = 0,0009 (απώλειες διηλεκτρικού στρώματος)

Πίνακας 2. Χαρακτηριστικά μικροταινιών ανά ζεύγος Με την χρήση του υπο-προγράμματος LineCalc του λογισμικού ADS υπολογίζονται οι φυσικές διαστάσεις των μικροταινιών. Στον Πίνακα 2 δίδονται τα χαρακτηριστικά των μικροταινιών ανά ζεύγος, δηλαδή ανά τμήμα του συζεύκτη.   1ο τμήμα 2ο τμήμα 3ο τμήμα W (πλάτος γραμμών) 4,83 mm 4,7 mm S (απόσταση μεταξύ γραμμών) 13,5 mm 1,48 mm L (μήκος γραμμών) 27,43 mm Πίνακας 2. Χαρακτηριστικά μικροταινιών ανά ζεύγος

Σχεδίαση συζεύκτη με μικροταινίες Isolation between the output ports The ports are matched Σχήμα 12. Kύκλωμα του συζεύκτη τριών τμημάτων με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς.

Σχήμα 13. Απώλειες επιστροφής στις θύρες 1, 2. – Παράμετροι σκέδασης S (1,1) και S (2,2)

Microstrip transmission lines Σχήμα 14. Απώλειες επιστροφής στις θύρες 3, 4 – Παράμετροι σκέδασης S( 3,3) και S (4,4)

Σχήμα 15. Συντελεστής σύζευξης μεταξύ θυρών 1 και 2 παράμετρος σκέδασης S (2,1) και απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 και 3 S (3,1).

Σχήμα 16. Απομόνωση μεταξύ των θυρών 1 και 4 – Παράμετρος σκέδασης S (4,1)

Από τα διαγράμματα αυτά προκύπτει ότι στο εύρος ζώνης 1,5-2,5 GHz: Υπάρχει προσαρμογή σε κάθε θύρα του συζεύκτη (οι παράμ. σκέδασης S11, S22, S33, S44 έχουν περίπου τιμή -40 dB). Επιτυγχάνεται η επιθυμητή σύζευξη των -20 dB (παράμ. σκέδασης S21). Οι απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 και 3 (παράμ. σκέδασης S31) είναι περίπου 0 dB. Επιτυγχάνεται απομόνωση μεταξύ των θυρών 1 και 4 (η παράμ. σκέδασης S41 έχει τιμή περίπου -25 dB). Isolation between the output ports

Με βάση τις φυσικές διαστάσεις των γραμμών του σχήματος 3 Με βάση τις φυσικές διαστάσεις των γραμμών του σχήματος 3.3, σχεδιάστηκε η διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) του συζεύκτη τριών τμημάτων (σχήμα 3.5). Σχήμα 17: Διατάξη φυσικής τοποθέτησης (layout) του συζεύκτη τριών τμημάτων.

3.5 cm Σχήμα 18. Απώλειες επιστροφής στις θύρες 1, 2. – Παράμετροι σκέδασης S (1,1) και S (2,2)

Σχήμα 19. Απώλειες επιστροφής στις θύρες 3, 4 – Παράμετροι σκέδασης S( 3,3) και S (4,4)

Σχήμα 20. Συντελεστής σύζευξης μεταξύ θυρών 1 και 2 παράμετρος σκέδασης S (2,1) και απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 και 3 S (3,1).

Σχήμα 21. Απομόνωση μεταξύ των θυρών 1 και 4 – Παράμετρος σκέδασης S (4,1)

Από τα διαγράμματα αυτά προκύπτει ότι στο εύρος ζώνης 1,5-2,5 GHz: Υπάρχει προσαρμογή σε κάθε θύρα του συζεύκτη (οι παράμ. σκέδασης S11, S22, S33, S44 έχουν τιμή από -20 dB έως -25 dB περίπου). Η σύζευξη (παράμ. σκέδασης S21) είναι μεταξύ -21 dB και -22 dB, δηλαδή κοντά στην επιθυμητή σύζευξη των -20 dB Οι απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 και 3 (παράμ. σκέδασης S31) είναι περίπου μεταξύ -1 dB και -1,6 dB, δηλαδή κοντά στην επιθυμητή τιμή των 0 dB. Επιτυγχάνεται απομόνωση μεταξύ των θυρών 1 και 4 (η παράμ. σκέδασης S41 έχει τιμές μεταξύ -29 dB και -36 dB περίπου).

Κατασκευή τυπωμένου κυκλώματος και πειραματικές μετρήσεις Πριν την εκτέλεση των μετρήσεων, πραγματοποιήθηκε βαθμονόμηση των θυρών των 2 ομοαξονικών καλωδίων (2-port calibration) του αναλυτή Agilent E5071C με την βοήθεια του σετ βαθμονόμησης 85052 D Calibration kit. Από αυτό το σετ χρησιμοποιήθηκαν τυποποιημένα φορτία (loads) 3 τύπων: α) ανοιχτό (open) No 55771 β) βραχυκυκλωμένο (short) No. 55533 γ) ευρείας ζώνης (broadband) No.56273 καθώς και απευθείας σύνδεση των δύο ομοαξονικών καλωδίων μέσω του προσαρμογέα through Νο.80585.

Σχήμα 22: Ηλεκτρονική πλακέτα συζεύκτη τριών τμημάτων.

Σχήμα 23: Παράμετροι σκέδασης S11 και S22. - 20 dB Στα σχήματα που ακολουθούν, παρουσιάζονται οι φωτογραφίες που ελήφθησαν από την οθόνη του αναλυτή Agilent E5071C και παριστάνουν τις πειραματικές μετρήσεις των παραμέτρων σκέδασης του συζεύκτη. Σχήμα 23: Παράμετροι σκέδασης S11 και S22. - 20 dB Σχήμα 24: Παράμετρος σκέδασης S33 και S44 - 20 dB

Σχήμα 25: Παράμετρος σκέδασης S21 - 20 dB (Σύζευξη)

Σχήμα 27: Παράμετρος σκέδασης S41 από – 20 dB εώς – 30 dB (Απομόνωση)

Αποτίμηση Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων της πλακέτας του συζεύκτη τριών τμημάτων, επιτυγχάνεται ικανοποιητική λειτουργία της σχεδιασθείσας διάταξης (μεγάλη ισχύς διέλευσης, ικανοποιητική σύζευξη και απομόνωσης). Μελλοντική εργασία Η παρούσα εργασία είχε ως αντικείμενο την σχεδίαση και υλοποίηση ενός μικροκυματικού συζεύκτη τριών τμημάτων. Θα μπορούσε ως μελλοντική εργασία να θεωρηθεί μια μελέτη και σχεδίαση ενός συζεύκτη μεγαλύτερου εύρους ζώνης.

Σας ευχαριστώ