CC BY
6УДК 621.382.3
Проектирование схем активных смесителей СВЧ для обеспечения максимума усиления преобразования
В.А. Романюк, Аунг Бо Бо Хэйн
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Предложена методика проектирования электрических схем активных смесителей СВЧ, предназначенных для реализации в виде монолитных интегральных схем, с помощью программы Microwave Office. Приведен пример оптимизации схемы миллиметрового смесителя на полевом транзисторе по критерию «максимум коэффициента усиления преобразования».
Ключевые слова: проектирование схем, смеситель СВЧ, полевой транзистор, Microwave Office.
Монолитные микроволновые интегральные схемы (ММИС) разрабатываются для все более высоких частот. Начальным этапом разработки ММИС является создание, моделирование и оптимизация электрической схемы устройства. Современные программы автоматизированного проектирования дают широкую возможность моделирования и оптимизации схем, а также расчета их характеристик.
Цель настоящей работы - описание методики проектирования электрических схем смесителей СВЧ-миллиметрового диапазона длин волн для понижающих преобразователей частоты с помощью программы Microwave Office и аналитических расчетов. Миллиметровый диапазон дает возможность применить для электрической схемы элементы с сосредоточенными параметрами небольших номиналов.
В активных смесителях СВЧ в качестве нелинейных элементов применяются тран-
P
зисторы, где коэффициент передачи мощности KP = ——, или усиление преобразования
Рс
(Conversion Gain), превышает 1. Здесь Р - мощность промежуточной частоты, Р - мощность радиосигнала. В миллиметровом диапазоне используются и полевые
транзисторы MESFET и HEMT. Для проектирования смесителей с помощью программы Microwave Office рекомендуется применять модель YHLAND [1]. При создании схемы смесителя СВЧ необходимо задать диапазоны частот сигнала, промежуточных частот, мощностей сигнала, мощностей гетеродина. Кроме того, нужно знать предельно допустимые параметры транзистора: максимальное напряжение сток-исток Ug-и, максимальное по модулю отрицательное напряжение затвор-исток ЦЗ-И.
Методика проектирования состоит в составлении электрической схемы, далее следует расчет характеристик и оптимизация ее по критерию «максимум коэффициента передачи мощности Кр». Известны различные схемы смесителей СВЧ на одном, двух и более транзисторах. В настоящей работе предложена методика проектирования схемы простого смесителя СВЧ на одном транзисторе, в которой напряжения сигнала и гетеродина прикладываются между затвором и истоком [2]. Оптимальная мощность гетеродина определяется в процессе моделирования. Данная методика может быть применена и для других схем.
© В.А. Романюк, Аунг Бо Бо Хэйн, 2012
Для проектирования смесителя используются следующие технические характеристики:
Диапазон частот сигнала.................................... 36-38 ГГц
Промежуточная частота.....................................2 ГГц
Мощность сигнала..............................................< 0 дБм
Напряжение на стоке.......................................... 6 В
Максимальное отрицательное
напряжение на затворе.......................................- 4 В
Внутренние сопротивления источников напряжения сигнала и гетеродина....................50 Ом.
Сопротивление нагрузки смесителя равны стандартному значению 50 Ом.
Этапы проектирования. Порядок проектирования схемы активного смесителя СВЧ следующий.
1. Моделирование начальной схемы смесителя. В частности, определение оптимального напряжения смещения затвор - сток, внутреннего сопротивления источников сигнала и гетеродина по критерию «максимум амплитуды тока стока промежуточной частоты», а также оптимального сопротивления нагрузки смесителя, соответствующего максимуму мощности промежуточной частоты на выходе смесителя.
2. Расчет цепи согласования и фильтрации колебаний напряжения сигнала, гетеродина и промежуточной частоты.
3. Расчет мгновенных напряжений затвор-исток, сток-исток и их проверка (не превышают ли они допустимые значения).
4. Определение характеристик и параметров схемы смесителя и оптимизация ее по критерию «максимум KP».
Схема смесителя. Схема смесителя после первых трех этапов проектирования приведена на рис.1,а. Напряжение гетеродина от источника PORT1 (Р1) подается на сопротивление автосмещения R2, подключенное к истоку транзистора, а напряжение сигнала от источника PORTF (Р2) - на затвор транзистора. Для уменьшения потерь мощности переменного тока в сопротивлении R2 оно шунтировано индуктивностью L1. С выходного порта Р3 снимаются колебания промежуточной частоты.
Рис.1. Электрические схемы смесителей частот: а - начальная (P1 - источник напряжения гетеродина типа PORT1 с внутренним сопротивлением 5 Ом и мощностью 10 дБм, P2 - источник радиосигнала типа PORTF c внутренним сопротивлением 15 Ом и мощностью 0 дБм, P3 - нагрузочный порт сопротивлением 1000 Ом, R1 = 3000 Ом, R2 = 180 Ом, C1 = 2 пФ, L1 = 1 нГн, L2 = 50 нГн, ¥С-И = 3 В); б - окончательная (P1 - источник напряжения гетеродина типа PORT1 с внутренним сопротивлением 50 Ом и мощностью 10 дБм, P2 - источник радиосигнала типа PORTF c внутренним сопротивлением 50 Ом и мощностью -10 дБм, P3 - нагрузочный порт сопротивлением 50 Ом, C1 = 2 пФ, C2 = 0,3 пФ, C3 = 0,2 пФ, C4 = 1 пФ, C5 = 2 пФ, C6 = 2 пФ, C7 = 0,3 пФ, C8 = 2 пФ, L1 = 0,1 нГн, L2 = 1 нГн, L3 = 0,1 нГн, L4 = 50 нГн,
L5 = 22 нГн, R1 = 180 Ом, ¥С-И = 3 В)
Частота гетеродина выбрана меньше частоты сигнала, она устанавливается в программе Microwave Office при проведении моделирования и обозначается как «тон 1», частота сигнала «тон 2» определяется источником PORTF. В перечне свойств источника PORTF нужно указать, что частота сигнала больше частоты гетеродина на 2 ГГц: «Freq = _FREQH1+2 ГГц». В схему включен амперметр Amp.
Оптимальные внутренние сопротивления источников и нагрузки найдены при нелинейном моделировании по максимальному значению амплитуды тока промежуточной частоты, показанному амперметром. Кроме того, найдено оптимальное сопротивление автосмещения R2. Для расчета амплитуды тока в программе Microwave Office используются следующие команды: в окне Meas. Tipe - Current, в окне Measurevtnt -Iharm. Частота гетеродина (35 ГГц) устанавливается в середине заданного диапазона.
Оптимальное сопротивление нагрузки определено по критерию «максимум мощности промежуточной частоты на выходе смесителя». Моделирование в Microwave Office проводилось в нелинейном режиме, использовались команда Power в окне Meas. Tipe и команда Pharm в окне Measurement. Текущая частота тона 1 устанавливалась равной 35 ГГц. При поиске оптимальных сопротивлений использовалась команда Simulate, затем Tune. Полученные оптимальные сопротивления показаны на рис. 1.
Цепи согласования и фильтрации. Требуется выбрать и рассчитать схемы следующих цепей:
- преобразующей на частоте сигнала (в данном примере 37 ГГц) сопротивление источника, равное 50 Ом, в сопротивление 15 Ом;
- преобразующей на частоте гетеродина (35 ГГц) сопротивление источника гетеродина 50 Ом в сопротивление 5 Ом;
- преобразующей на промежуточной частоте 2 ГГц сопротивление нагрузки 50 Ом в сопротивление на выходе транзистора, равное 1000 Ом.
Для цепей согласования и фильтрации напряжений гетеродина и промежуточной частоты применены простейшие Г-образные схемы, рассчитанные по методике, приведенной в [3]. С целью уменьшения шумов смесителя сопротивление R1 в схеме на рис.1 целесообразно заменить индуктивностью, которая, помимо замыкания цепи затвор-исток по постоянному току, одновременно являлась бы элементом цепи согласования. Учитывая также необходимость включения разделительной емкости, для согласования и фильтрации напряжения сигнала применена П-образная цепочка, представляющая собой последовательно включенные Г-образные схемы.
Электрическая схема смесителя с цепями согласования и фильтрации, которые образованы элементами L1, C2, L2, C3, C4, C7, L5, приведена на рис.1,б. Полученные при аналитическом расчете параметры согласующих цепочек оптимизированы с целью компенсации мнимых частей импедансов транзистора. Критерий оптимальности - максимальная мощность промежуточной частоты в P3. Смеситель частот может быть выполнен в виде монолитной интегральной схемы. Исключением является индуктивность выходной цепи L6 и блокировочная индуктивность L4, они могут быть выполнены в виде гибридной добавки.
Характеристики и параметры схемы смесителя. Важными характеристиками смесителя являются зависимости коэффициента передачи мощности от частоты, мощности гетеродина и мощности сигнала.
Коэффициент передачи мощности KP рассчитывается как параметр рассеяния смесителя в нелинейном режиме LSSnm (Louge Signal S-parametr). Индексы n, m - это номера гармоник входных колебаний, здесь индекс n относится к источнику колебаний тона 1 (PORT1 - гетеродин), индекс m - к источнику колебаний тона 2 (PORTF - сиг-
нал). Для расчета Kp в Microwave Office используются команды Nonlinear, Power в окне Mesa. Tipe и команда LSSnm в окне Measurement. На экране монитора имеются четыре окна под названием Harmonic Index, два верхних относятся к выходной, т.е. промежуточной частоте, два нижних - к входной частоте, т.е. частоте радиосигнала. Они рассчитывается следующим образом:
f = nfi + f
где fi - частота тона 1 (гетеродина); f2 - частота тона 2 (сигнала).
В рассматриваемом варианте расчета тон 1 - это частота гетеродина равная 35 ГГц, тон 2 - частота сигнала равная 37 ГГц, выходная частота 2 ГГц, входная частота 37 ГГц. Поэтому в левом верхнем окне нужно поставить «-1», в правом верхнем окне «1», в левом нижнем окне «0», в правом нижнем окне «1». Действительно, выходная частота _/вых = -35+37=2 ГГц, входная частота _/вх = 37 ГГц.
Вид экрана монитора представлен на рис.2.
Рис.2. Экран монитора при расчете зависимости коэффициента передачи мощности смесителя от частоты
Зависимость коэффициента передачи мощности смесителя Kp от мощности гетеродина может быть получена по той же методике, если вместо источника колебаний PORT1 поставить источник изменяющейся мощности тона 1 - PORT_S1 и обозначить пределы, а также шаг изменения его мощности. Нужно выбрать частоту тона 1 (в данном случае 35 ГГц) и в окне монитора PORT1 установить команду Use for x-axis, с помощью которой по горизонтальной оси графика будет отложена мощность гетеродина, поступающая на порт P1.
Результаты расчета зависимостей коэффициента передачи мощности смесителя Kp от мощности и частоты гетеродина показаны на рис.3. Как видно из рис.3,а, максимальный KP получается при мощности гетеродина 10 - 12 дБм. Зависимость KP от частоты рассчитана при мощности сигнала - 10 дБм, мощности гетеродина 10 дБм. На частоте гетеродина 35 ГГц, как показывает рис.3,б, Kp составляет 6,7 дБм.
Выходной спектр смесителя при мощности сигнала Рс = - 10 дБм и мощности гетеродина Рг = 10 дБм показан на рис. 4. Для расчета спектра используются следующие команды: в окне Meas. Tipe - Nonlinear, Power; в окне Measurement - Pharm. Частота гетеродина устанавливается равной 35 ГГц. Кроме промежуточной частоты в спектре имеется ее вторая гармоника, ослабленная на 45 дБ, а также частоты сигнала и гетеродина, уменьшенные более чем на 50 дБ. Комбинационные частоты существенно меньше промежуточной.
Рис.3. Зависимость коэффициента передачи мощности КР смесителя от мощности (а) и частоты (б) гетеродина
Р, дБм
О -10
-20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90
к_21 Гц -3,31 дБм
4 ГГ Ц
-чо,/ дьм
L \
Л А
0 10 20 30 40 50 60 70 /ГГц
Рис.4. Выходной спектр смесителя СВЧ
Важными параметрами смесителя СВЧ являются развязки между входом гетеродина и выходом смесителя, входом сигнала и выходом смесителя, входом гетеродина и входом сигнала. Из рис.4 следует, что при мощности гетеродина 10 дБм развязка гетеродин-выход больше 60 дБ, развязка сигнал-выход при мощности сигнала -10 дБм превышает 40 дБ. Для нахождения развязки гетеродин-сигнал следует рассчитать спектр на входе сигнала (порт Р2). Расчеты показали, что последняя развязка составляет примерно 10 дБ, что является недостатком предложенной схемы смесителя. Для увеличения развязки гетеродин-сигнал следует применить более сложные цепи согласования и фильтрации сигнала и гетеродина, чем простейшие Г-образные цепочки. Для увеличения указанной развязки применяется смеситель, работающий на половинной частоте гетеродина.
Последний этап проектирования электрической схемы состоит в проверке, не превышают ли мгновенные напряжения на затворе иЗ-И и стоке иС-И транзистора допустимых значений. С этой целью требуется рассчитать зависимости от времени t напряжений иЗ-И и иС-И.
В схему смесителя следует включить вольтметры между затвором и истоком, а также между стоком и истоком. Расчет проводится с использованием команд: в окне Meas. Tipe - Nonlinear, Voltage; в окне Measurement - Vtime. Частота гетеродина устанавливается равной 35 ГГц. Графики указанных зависимостей показаны на рис.5. Видно, что мгновенные напряжения на электродах транзистора не превышают допустимых значений.
-'з-п в г/С-и.в
а б
Рис.5. Зависимость напряжений затвор-исток (а), сток-исток (б) на электродах транзистора от времени
Разработанная по предварительной методике схема активного смесителя имеет усиление преобразования более 6 дБ на частоте сигнала 37 ГГц.
Литература
1. MWO/AO Element Catalog> Nonlinear>FET>Yhland MESFET Model: YHLAND.
2. Active GaAS FET Mixers Using the ATF-10136, ATF-13736 and ATF-13484. HP application note G005.
3. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. -М.: Высшая школа, 1989. - 232 с.
Статья поступила 13 октября 2011 г.
Романюк Виталий Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры микроэлектронных и радиотехнических устройств и систем МИЭТ. Область научных интересов: полупроводниковые источники электромагнитных колебаний СВЧ.
Аунг Бо Бо Хейн - аспирант кафедры микроэлектронных и радиотехнических устройств и систем МИЭТ. Область научных интересов: проектирование телекоммуникационных устройств. E-mail: aungbobohin. abbh@gmail.com
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Вы можете оформить подписку на 2012 г. в редакции с любого номера. Стоимость одного номера 800 руб. (с учетом всех налогов и почтовых расходов).
Адрес редакции: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ, комн. 7231. Тел./факс: 8-499-734-62-05. E-mail: magazine@miee.ru http://www.miet.rU/structure/s/894/e/12152/191
