ΤΕΙ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ – ΣΕΡΡΕΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΏΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ------------------ MSC στα ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Ανάλυση, σχεδιασμός και υλοποίηση μικροκυματικού διαιρέτη ισχύος υπερ-ευρείας ζώνης συχνοτήτων με καταστολή αρμονικών Πασχαλίδου Αντωνία-Μαρία Επιβλέπων Δρ. Τσίτσος Στυλιανός ΜΑΙΟΣ 2016

Εισαγωγή Οι μικροκυματικοί διαιρέτες ισχύος είναι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την κατανομή ισχύος από μία θύρα εισόδου σε διάφορες θύρες εξόδου. Οι διατάξεις αυτές μπορούν να είναι συμμετρικές ή ασύμμετρες, να έχουν οποιοδήποτε πλήθος απομονωμένων ή μη απομονωμένων εξόδων και να παρέχουν ίση ή άνιση κατανομή. Σχήμα 1: Μικροκυματικός διαιρέτης ισχύος Εφαρμογές: σε μικροκυματικούς μείκτες, διαμορφωτές, πολλαπλασιαστές συχνότητας, ενισχυτές, αλλά χρησιμοποιούνται ευρύτατα στο σχεδιασμό δικτύων διανομής για συστοιχίες κεραιών.

Διαιρέτης Ισχύος Οι προδιαγραφές που πρέπει να τηρούνται για την ορθή λειτουργία ενός διαιρέτη ισχύος είναι οι εξής: Οποιαδήποτε θύρα πρέπει να είναι προσαρμοσμένη όταν στις υπόλοιπες θύρες έχει συνδεθεί αντίσταση ίση με την χαρακτηριστική τους αντίσταση. Μπορούν να είναι συμμετρικές ή ασύμμετρες διατάξεις. Μπορούν να έχουν πλήθος απομονωμένων ή μη απομονωμένων εξόδων. Όταν σε όλες τις θύρες έχουν συνδεθεί ωμικά φορτία ίσα με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής που τροφοδοτεί την θύρα, τότε δεν πρέπει να έχουμε σύζευξη μεταξύ των θυρών εξόδου. Οι φάσεις στις εξόδους του διαιρέτη ισχύος μπορεί να είναι ίσες ή άνισες.

Ο Διαιρέτης ισχύος Wilkinson Iσοδύναμο κύκλωμα γραμμών μεταφοράς για το διαιρέτη ισχύος Wilkinson για ίση διαίρεση ισχύος στις δύο εξόδους του.

Άρτιος ρυθμός διέγερσης Άρτιος ρυθμός διέγερσης Vg2=Vg3=2V0 Στην διέγερση άρτιου ρυθμού δεν υπάρχει ροή ρεύματος διαμέσου των αντιστάσεων r/2 ή διαμέσου του βραχυκυκλώματος μεταξύ των εισόδων των δύο γραμμών μεταφοράς στη θύρα 1. Ισοδύναμο κύκλωμα διαιρέτη ισχύος Wilkinson για τον άρτιο ρυθμό διέγερσης

Περιττός ρυθμός διέγερσης Στον περιττό ρυθμό διέγερσης υπάρχει μηδενική τάση κατά μήκος του κέντρου του κυκλώματος. Επομένως μπορούμε να διχοτομήσουμε το κύκλωμα, γειώνοντάς το σε δύο σημεία στο μέσο του. Ισοδύναμο κύκλωμα διαιρέτη ισχύος Wilkinson για τον περιττό ρυθμό διέγερσης Αν υποθέσουμε ότι r=2 , τότε V20 = V0 και συνεπώς V30 = - V0

Μοντελοποίηση και μαθηματική ανάλυση του προτεινόμενου διαιρέτη ισχύος Κυκλωματική διάταξη μικροκυματικού διαιρέτη ισχύος υπέρ-ευρείας ζώνης συχνοτήτων, με καταστολή αρμονικών.

ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΡΤΙΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΝΘΗΚΗ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΣΤΗΝ ΘΥΡΑ 1 Ημι-κύκλωμα του προηγούμενου σχήματος, διαιρέτη ισχύος για τον άρτιο ρυθμό διάδοσης (συνθήκη προσαρμογής στην θύρα 1). Σύνθετες αγωγιμότητες σε διάφορα σημεία του κυκλώματος:

Μετά από αντικαταστάσεις, για την Υin6 προκύπτει: όπου τα L1, N1 είναι ενδιάμεσες παράμετροι. Για να έχουμε προσαρμογή στην θύρα 1 θα πρέπει η Yin6 να ισούται με την σύνθετη αγωγιμότητα της θύρας 1, δηλαδή με Yp1=1/2Ζ0: Y in6 = Yp1 = 1/2Ζ0 Επίσης, λαμβάνοντας υπόψη ότι Yp2=Yp3=1/Ζ0 και μετά από μαθηματικές πράξεις, προκύπτει μία εξίσωση για την Ζ0 (επόμενη σελίδα).

ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΡΤΙΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΝΘΗΚΗ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΣΤΗΝ ΘΥΡΑ 1 όπου τα H1, G1 είναι ενδιάμεσες παράμετροι.

ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΡΤΙΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΝΘΗΚΗ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΣΤΗΝ ΘΥΡΑ 2 Ημι-κύκλωμα του διαιρέτη του Σχήματος 1 για τον άρτιο ρυθμό διάδοσης (συνθήκη προσαρμογής στην θύρα 2). Σύνθετες αγωγιμότητες σε διάφορα σημεία του κυκλώματος:

ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΡΤΙΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΝΘΗΚΗ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΣΤΗΝ ΘΥΡΑ 2 όπου τα L2, N2 είναι ενδιάμεσες παράμετροι. Για να έχουμε προσαρμογή στην θύρα 1 θα πρέπει η Y’in6 να ισούται με την σύνθετη αγωγιμότητα της θύρας 2, δηλαδή με Yp2=1/Ζ0: Y’in6 = Yp2 = 1/Ζ0 Επίσης, λαμβάνοντας υπόψη ότι Yp3=1/Ζ0 και Yp3=1/Ζ0 και μετά από μαθηματικές πράξεις, προκύπτει μία δεύτερη εξίσωση για την Ζ0 (επόμενη σελίδα).

ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΡΤΙΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΝΘΗΚΗ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΣΤΗΝ ΘΥΡΑ 2 όπου τα H2, G2 είναι ενδιάμεσες παράμετροι.

ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΡΙΤΤΟΥ ΡΥΘΜΟΥ Ημι-κύκλωμα του διαιρέτη για τον περιττό ρυθμό διάδοσης Σύνθετες αγωγιμότητες σε διάφορα σημεία του κυκλώματος:

ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΡΙΤΤΟΥ ΡΥΘΜΟΥ όπου τα Β, C, D είναι ενδιάμεσες παράμετροι. Για να έχουμε προσαρμογή στην θύρα 1 θα πρέπει η Yin8 να ισούται με την σύνθετη αγωγιμότητα της θύρας 2, δηλαδή με Yp2=1/Ζ0: μετά από μαθηματικές πράξεις, προκύπτει τρίτη εξίσωση για την Ζ0 (επόμενη σελίδα).

ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΡΙΤΤΟΥ ΡΥΘΜΟΥ Εξίσωση για την Ζ0, που προκύπτει από την ανάλυση περιττού ρυθμού:

Υπολογισμών τιμών των ηλεκτρικών παραμέτρων του διαιρέτη Κυκλωματική διάταξη μικροκυματικού διαιρέτη ισχύος υπέρ-ευρείας ζώνης συχνοτήτων, με καταστολή αρμονικών.

Υπολογισμών τιμών των ηλεκτρικών παραμέτρων του διαιρέτη (1) Οι 3 εξισώσεις σχεδιασμού, έχουν ως μεταβλητές: - Τις χαρακτηριστικές αντιστάσεις Ζ0 των θυρών του διαιρέτη. Τις χαρακτηριστικές αντιστάσεις (αγωγιμότητες) των γραμμών μεταφοράς, Ζ1=1/Υ1 και Ζ2=1/Υ2 και τα ηλεκτρικά τους μήκη, θ1 και θ2. Τις χαρακτηριστικές αντιστάσεις (αγωγιμότητες) των παράλληλων stubs, Υ3=1/Z3 και Υ4=1/Z4 και τα ηλεκτρικά τους μήκη, θ3 και θ4. - Τις αντιστάσεις απομόνωσης R1 και R2. Υποθέτουμε τα εξής: Οι χαρακτηριστικές αντιστάσεις των θυρών του διαιρέτη, έχουν τιμή Ζ0=50 Ω. Οι χαρακτηριστικές αντιστάσεις των γραμμών έχουν τιμές Ζ1=50 Ω και Ζ2=75 Ω. Η αντίσταση απομόνωσης έχει τιμή R1=100 Ω. Τα ηλεκτρικά μήκη των γραμμών και των stubs είναι ίσα, δηλαδή θ1=θ2=θ3=θ4.

Υπολογισμών τιμών των ηλεκτρικών παραμέτρων του διαιρέτη Υπάρχει πλήθος λύσεων που ικανοποιεί τις εξισώσεις σχεδιασμού των Παραρτημάτων Ι, ΙΙ και ΙΙΙ. Για την πρακτική υλοποίηση του διαιρέτη με μικροταινιακές γραμμές, απαιτείται οι τιμές των χαρακτηριστικών αντιστάσεων των γραμμών και των stubs του διαιρέτη, να είναι μεταξύ 30 Ω και 130 Ω. Ένα σετ τιμών που προσφέρεται για πρακτική και συμπαγή υλοποίηση του διαιρέτη με μικροταινιακές γραμμές, μπορεί να ληφθεί από τον παρακάτω πίνακα: Ζ0 (Ω) Ζ1 (Ω) Ζ2   θ1=θ2=θ3=θ4 (μοίρες) Ζ3=Ζ4 R1 R2 50 100 75 30 118,28 118,6

Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Κυκλωματική διάταξη διαιρέτη ισχύος υπερ-ευρείας ζώνης συχνοτήτων με καταστολή αρμονικών (ιδανικές γραμμές μεταφοράς).

Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Απώλειες επιστροφής στις θύρες 1, 2, 3

Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1-2 και 1-3.

Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Απομόνωση μεταξύ των θυρών εξόδου 2-3

Από τα παραπάνω διαγράμματα προκύπτει, ότι στο εύρος συχνοτήτων 3,1 – 10,6 GHz: 1. Υπάρχει προσαρμογή σε κάθε θύρα του συζεύκτη (οι παράμ. σκέδασης S11, S22, S33, έχουν τιμές κάτω των -13 dB που φτάνει και μέχρι τα -50 dB). 2. Επιτυγχάνεται ισόποση διαίρεση ισχύος (οι παράμ. σκέδασης S21 και S31 έχουν τιμές περίπου -3,2 dB). 3. Επιτυγχάνεται απομόνωση μεταξύ των θυρών εξόδου του διαιρέτη (η παράμ. σκέδασης S32 κυμαίνεται μεταξύ -13 και -18 dB, περίπου).

Διηλεκτρική σταθερά υποστρώματος: =2,2. Στην συνέχεια, οι ιδανικές γραμμές μεταφοράς του διαιρέτη ισχύος αντικαθίστανται με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς. Το διηλεκτρικό υπόστρωμα των μικροταινιακών γραμμών χαρακτηρίζεται από τις ακόλουθες παραμέτρους: Διηλεκτρική σταθερά υποστρώματος: =2,2. Πάχος υποστρώματος: Η=1,575 mm. Πάχος μεταλλικού αγωγού: Τ=0,017 mm. Αγωγιμότητα μετάλλου – χαλκός: Cond=5,813E+7. Απώλειες διηλεκτρικού στρώματος: Tand=0,0009. Συχνότητα σχεδιασμού: freq=6,85 GHz.

Οι φυσικές διαστάσεις των μικροταινιακών γραμμών (μήκος και πλάτος), μπορούν να υπολογιστούν με το υποπρόγραμμα LineCalc του λογισμικού ADS.   Γραμμή χαρακτηριστικής αντίστασης Ζ1=100 Ω Γραμμή χαρακτηριστικής αντίστασης Ζ2=75 Ω Stub χαρακτηριστικής αντίστασης Ζ3=Ζ4=118,28 Ω W (πλάτος γραμμών) 1,412930 mm 2,521310 mm 0,944775 mm L (μήκος γραμμών) 2,731800 mm 2,688040 mm 2,756040 mm Φυσικές διαστάσεις μικροταινιακών γραμμών για τις γραμμές και τα stubs του διαιρέτη

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Κυκλωματική διάταξη διαιρέτη ισχύος υπερ-ευρείας ζώνης συχνοτήτων με καταστολή αρμονικών (μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς).

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Απώλειες επιστροφής στις θύρες 1, 2, 3

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1-2 και 1-3.

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Απομόνωση μεταξύ των θυρών εξόδου 2-3 Τα αποτελέσματα αυτά, είναι παρόμοια με εκείνα που ελήφθησαν για τον διαιρέτη με τις ιδανικές γραμμές, με την διαφορά ότι τώρα υπάρχουν απώλειες, λόγω της χρήσης των μικροταινιακών γραμμών. Συνεπώς, πιστοποιείται η καλή λειτουργία του διαιρέτη, με την χρήση μικροταινιακών γραμμών.

Διατάξη φυσικής τοποθέτησης (layout) του διαιρέτη ισχύος υπερ-ευρείας ζώνης συχνοτήτων, με καταστολή αρμονικών.

Μελλοντική εργασία Συμπεράσματα Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε, ένας νέος πρωτότυπος διαιρέτη ισχύος, για την επίτευξη της λειτουργίας υπέρ-ευρείας ζώνης συχνοτήτων (3,1 GHz – 10,6 GHz). Η απόκρισή του επιβεβαίωσε την καλή λειτουργία του στο εύρος συχνοτήτων 3,1 GHz – 10,6 GHz, καθώς και την καταστολή μέχρι και της 4ης αρμονικής. Ακολούθησε ο σχεδιασμός και η προσομοίωση του διαιρέτη με μικροταινιακές γραμμές και τέλος η διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout). Μελλοντική εργασία Θα μπορούσε να γίνει η κατασκευή της πλακέτας του διαιρέτη ισχύος, καθώς και οι πειραματικές μετρήσεις των παραμέτρων σκέδασής του, ώστε να να επιβεβαιωθούν τα θεωρητικά αποτελέσματα. Δεδομένου ότι οι εξισώσεις που προέκυψαν παρέχουν ευελιξία στον σχεδιασμό, θα μπορούσαν να διερευνηθούν πολλές λύσεις των εξισώσεων αυτών ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη λειτουργία του διαιρέτη.