Επιβλέπων Δρ. Τσίτσος Στυλιανός ΤΕΙ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ – ΣΕΡΡΕΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ------------------ MSc στα ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Ανάλυση, σχεδιασμός και υλοποίηση μικροκυματικού διαιρέτη ισχύος, πολλαπλών θυρών εξόδου Φούντας Νικόλαος Επιβλέπων Δρ. Τσίτσος Στυλιανός Ιούνιος 2017

Σχήμα 1: Μικροκυματικός διαιρέτης ισχύος 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.

Υπολογισμών τιμών των ηλεκτρικών παραμέτρων του διαιρέτη Σχήμα 3: Κυκλωματική διάταξη μικροκυματικού διαιρέτη ισχύος πολλαπλών θυρών εξόδου.

Υπολογισμών τιμών των ηλεκτρικών παραμέτρων του διαιρέτη Η εξίσωση σχεδιασμού, έχει ως μεταβλητές: -Τις χαρακτηριστικές αντιστάσεις Ζ0, Ζ1, Ζ2, Ζ3 , -Την αντίσταση απομόνωσης R , -Όλες οι γραμμές του διαιρέτη έχουν ηλεκτρικό μήκος 900 , -Η κεντρική συχνότητα λειτουργίας είναι 3 GHz. Υποθέτουμε τα εξής: -Χαρακτηριστική αντίσταση των θυρών εισόδου και εξόδου του διαιρέτη, Ζ0=50 Ω, -Χαρακτηριστικές αντιστάσεις των γραμμών, Ζ1=70 Ω και Ζ2=40 Ω, -Αντιστάσεις απομόνωσης, R=100 Ω, -Όλες οι γραμμές έχουν ηλεκτρικό μήκος 900. *προκύπτει η τιμή της χαρακτηριστικής αντίστασης, Ζ3=37,84 Ω.

Υπολογισμών τιμών των ηλεκτρικών παραμέτρων του διαιρέτη Υπάρχει πλήθος λύσεων που ικανοποιεί τις εξισώσεις σχεδιασμού. Για την πρακτική υλοποίηση του διαιρέτη με μικροταινιακές γραμμές, απαιτείται οι τιμές των χαρακτηριστικών αντιστάσεων των γραμμών 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: Πίνακας 1:Σετ τιμών για τον διαιρέτη ισχύος πολλαπλών θυρών εξόδου. Z0(Ω) Z1(Ω) Z2(Ω) Z3(Ω) R(Ω) Freq (GHz) 50 70 40 37,84 100 3

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με ιδανικές γραμμές μεταφοράς Σχήμα 4: Κυκλωματική διάταξη διαιρέτη ισχύος πολλαπλών θυρών εξόδου (ιδανικές γραμμές μεταφοράς).

Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Σχήμα 5: Απώλειες επιστροφής στις θύρες 1, 2. – Παράμετροι σκέδασης S (1,1) και S (2,2)

Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Σχήμα 6: Απώλειες επιστροφής στις θύρες 3, 4 – Παράμετροι σκέδασης S( 3,3) και S (4,4)

Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Σχήμα 7: Απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 , 2 και 1 , 3 S(2,1) – S(3,1)

Σχήμα 8: Απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 , 4 S(4,1) Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Σχήμα 8: Απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 , 4 S(4,1)

Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Σχήμα 9: Απομόνωση μεταξύ των θυρών 2 , 3 και των θυρών 3 , 4 S(3,2) , S(4,3)

Σχήμα 10: Απομόνωση μεταξύ των θυρών 4 , 2 – S(4,2) Προσομοίωση και υλοποίηση του διαιρέτη Σχήμα 10: Απομόνωση μεταξύ των θυρών 4 , 2 – S(4,2)

-Από τα παραπάνω διαγράμματα, προκύπτει ότι στο εύρος συχνοτήτων 2 – 4 GHz: Υπάρχει προσαρμογή σε κάθε θύρα του διαιρέτη (οι παράμ. σκέδασης S11, S22, S33, S44, έχουν τιμές κάτω των -12 dB) Η ισχύς κατανέμεται ισόποσα σε κάθε θύρα εξόδου του διαιρέτη (περίπου 33%). Υπάρχει ικανοποιητική απομόνωση μεταξύ των θυρών εξόδου του διαιρέτη (οι παράμ. σκέδασης S32 , S43 και S42 κυμαίνονται μεταξύ -12 και -23 dB, περίπου).

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: εr=2,2. Πάχος υποστρώματος: Η=1,575 mm. Πάχος μεταλλικού αγωγού: Τ=0,017 mm. Αγωγιμότητα μετάλλου – χαλκός: Cond=5,813∙107 Siemens/m. Απώλειες διηλεκτρικού στρώματος: Tand=0,0009. Συχνότητα σχεδιασμού: freq=3 GHz.

Οι φυσικές διαστάσεις των μικροταινιακών γραμμών (μήκος και πλάτος), μπορούν να υπολογιστούν με το υποπρόγραμμα LineCalc του λογισμικού ADS. Πίνακας 2: Φυσικές διαστάσεις μικροταινιακών γραμμών για τις γραμμές μεταφοράς του διαιρέτη Γραμμή χαρακτηριστικής αντίστασης Ζ3=37,84Ω   Γραμμή χαρακτηριστικής αντίστασης Ζ2=40 Ω Γραμμή χαρακτηριστικής αντίστασης Ζ1=70Ω W (πλάτος γραμμών) 7,206 mm 6,675 mm 2,802 mm L (μήκος γραμμών) 17,925 mm 17,970 mm 18,469 mm

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχήμα 11: Κυκλωματική διάταξη διαιρέτη ισχύος πολλαπλών θυρών εξόδου (μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς).

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχήμα 12: Απώλειες επιστροφής στις θύρες 1, 2. – Παράμετροι σκέδασης S (1,1) και S (2,2)

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχήμα 13: Απώλειες επιστροφής στις θύρες 3, 4. – Παράμετροι σκέδασης S (3,3) και S (4,4)

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχήμα 14: Απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 , 2 και 1 , 3 S(2,1) – S(3,1)

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχήμα 15: Απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 , 4 S(4,1)

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχήμα 16: Απομόνωση μεταξύ των θυρών 2 , 3 και των θυρών 3 , 4 S(3,2) , S(4,3)

Σχεδίαση διαιρέτη ισχύος με μικροταινιακές γραμμές μεταφοράς Σχήμα 17: Απομόνωση μεταξύ των θυρών 4 , 2 – S(4,2) -Τα αποτελέσματα αυτά, παρουσιάζουν μικρές διαφοροποιήσεις σε σχέση με εκείνα που ελήφθησαν για τον διαιρέτη με ιδανικές γραμμές, λόγω των απωλειών που εισάγουν οι μικροταινιακές γραμμές. Συνεπώς, πιστοποιείται η καλή λειτουργία του διαιρέτη, με την χρήση μικροταινιακών γραμμών.

Διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) Με βάση τις φυσικές διαστάσεις των γραμμών του Πίνακα 2, σχεδιάζεται η διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout) του διαιρέτη ισχύος πολλαπλών θυρών εξόδου. Σχήμα 18: Διάταξη φυσικής τοποθέτησης (layout)

Κατασκευή τυπωμένου κυκλώματος Σχήμα 19: Ηλεκτρονική πλακέτα του διαιρέτη ισχύος πολλαπλών θυρών εξόδου.

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 20: Απώλειες επιστροφής εισόδου S(1,1) – S(2,2) 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 διαιρέτη. Σχήμα 20: Απώλειες επιστροφής εισόδου S(1,1) – S(2,2)

Σχήμα 21: Απώλειες επιστροφής εισόδου S(3,3) – S(4,4)

Σχήμα 22: Απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 , 2 και 1 , 3 S(2,1) – S(3,1)

Σχήμα 23: Απώλειες παρεμβολής μεταξύ των θυρών 1 , 4 S(4,1)

Σχήμα 24: Απομόνωση μεταξύ των θυρών 2 , 3 και 3 , 4 S(3,2) – S(4,3)

Σχήμα 25: Απομόνωση μεταξύ των θυρών 2 , 4 S(4,2)

Συμπεράσματα πειραματικών μετρήσεων Οι όποιες διαφορές ανάμεσα στις πειραματικές και στις θεωρητικές μετρήσεις οφείλονται κυρίως: -Στην περιορισμένη ακρίβεια της μεθόδου κατασκευής των αγωγών μικροταινίας της πλακέτας -Στην πιθανή κακή ευθυγράμμιση των συνδετήρων -Λόγω έλλειψης μικροκυματικών αντιστάσεων, χρησιμοποιήθηκαν αντιστάσεις για χρήση σε χαμηλότερες συχνότητες (της τάξης των MHz), οι οποίες αναπόφευκτα εισάγουν παρασιτικές παραμέτρους.

Αποτίμηση Μελλοντική εργασία -Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων της πλακέτας του διαιρέτη ισχύος πολλαπλών θυρών εξόδου, επιτυγχάνεται ικανοποιητική λειτουργία της σχεδιασθείσας διάταξης( προσαρμογή σε κάθε θύρα του διαιρέτη, ισόποση κατανομή ισχύος σε κάθε θύρα εξόδου, ικανοποιητική απομόνωση). Μελλοντική εργασία Η παρούσα εργασία είχε ως αντικείμενο την σχεδίαση και υλοποίηση ενός μικροκυματικού διαιρέτη ισχύος πολλαπλών θυρών εξόδου. Θα μπορούσε ως μελλοντική εργασία να θεωρηθεί μια μελέτη και σχεδίαση ενός διαιρέτη με περισσότερες θύρες εξόδου.

Σας ευχαριστώ