Obvody pro perspektivní kmitočtová pásma

Transkript

1 Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma Obvody pro perspektivní kmitočtová pásma Tomáš Urbanec Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

2 Poděkování Vytvoření této prezentace bylo finančně podpořeno projektem CZ.1.07/2.3.00/ Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Finanční podpora byla poskytnuta Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

3 Program prezentace perspektivní pásma propojovací vedení konektory obvodová vedení selektivní obvody pasivní obvody aktivní obvody měření strana 3

4 Perspektivní pásma vyšší kmitočty = větší šířka pásma k dispozici při uvažování přenosu bod-bod s rostoucím kmitočte roste zisk antén menší šance vzájemného rušení nižší oblíbená pásma: 2,4GHz 5GHz 10GHz 83,5MHz šířka pásma 255MHz šířka pásma 288MHz šířka pásma strana 4

5 Perspektivní pásma Perspektivní volná pásma pro přenos dat: 60GHz 9GHz šířka pásma 71-76GHz, 81-86GHz ne stálé venkovní instalace 10GHz šířka pásma různá omezení: max. e.i.r.p, zisk antén, spektrální hustota, použití další pásma zpoplatněna, příp. specifické použití - radary strana 5

6 Propojovací vedení koaxiální kabely semirigid vnější vodič trubka měď, případně hliník, nerez ocel + povrchová úprava cínování, stříbření - ohyb pomocí nástrojů pro zachování průřezu hand formable vnější opletení z mědi, většinou cínované vodiče, ohyb ručně bez nástrojů maximální pracovní kmitočet omezen mezním kmitočtem nejbližšího vyššího vidu TE11 λ > λ R r m 0 0 strana 6

7 Propojovací vedení typ UT-034 UT-047 UT-085 UT-141 UT-250 průměr vnějšího vodiče [mm] mezní kmitočet [GHz] útlum pro 10GHz [db/m] maximální přenášený výkon pro 10GHz [W] zmenšování průměru způsobuje nárůst měrného útlumu ztrát snahou je zvolit co největší průměr, který kmitočtově a aplikačně vyhoví strana 7

8 Propojovací vedení Vlnovody -při potřebě propojení s malým útlumem lze použít pouze vlnovody označení pracovní pásmo [GHz] vnitřní rozměry cca [mm] útlum [db/m] maximální přenášený výkon [W] WR90, R * WR42, R * WR15, R * WR10, R * pro dosažení maximálních přenášených výkonů je nutné vlnovody aktivně chladit strana 8

9 Konektory Pro opakovatelný rozpojitelný kontakt koaxiálního vedení maximální pracovní kmitočet dán vnitřními rozměry nesmí vznikat další vid všechny typy konektorů mají standardizovány styčné plochy, vnitřní konstrukce většinou know-how výrobce praktické parametry jsou dány precizností provedení, použitými materiály, vyřešením vnitřních přechodů mezi jednotlivými prvky... každý konektor je navržen pro specifické použití = na kabel konkrétního průměru, na panel dané tloušťky, atd. strana 9

10 Konektory N konektor vymyšlen kolem roku 1940 původně do 1GHz v průběhu let byl design vylepšen a jeho precizní verze fungují až do 18GHz strana 10

11 Konektory SMA konektor nejčastěji používaný konektor maximální pracovní kmitočet 26GHz levné verze fungují třeba jen do 5GHz strana 11

12 Konektory úspěšný konektor SMA byl dále vylepšován a vznikly konektory kompatibilní po stránce kontaktních ploch, uvnitř řešené jinak 3.5mm precizní řešení, vzduchové dielektrikum, max. 26GHz SSMA max. 36GHz 2.92mm (K) max. 40GHz strana 12

13 Konektory pro vyšší kmitočty byl navržen 2.4mm konektor max. kmitočet 50GHz již nekompatibilní kontakty s SMA! další verzí je 1.85mm (V) konektor mechanicky kompatibilní s 2.4mm max. kmitočet 65GHz strana 13

14 Konektory 1mm konektor (W1) pro nejvyšší kmitočty max. 110GHz velmi drahý nutnost velmi precizní výroby strana 14

15 Konektory montáž konektoru nabývá na významu s rostoucím kmitočtem pro f=1ghz je řešení nekritické pokud nejde o extrémní použití = nízkošumové aplikace, nebo naopak přenos vysokých výkonů, lze montáž zvládnout na koleně pro sériové profi montáže speciální nástroje a přípravky -ořezávací nože na kabely - krimpovací kleště -různé držáky pro vystředění a správnou pozici pinů mechanické ochrany přechodu konektor-kabel např. lepicí smršťovací bužírky strana 15

16 Konektory pro vyšší kmitočty, popisy montáže od výrobce pro konkrétní konektor určený pro jeden typ kabelu větší problémy s konektory při přechodu na jiný typ vedení = mikropásek, koplanární vlnovod se zemí, či bez vzhledem ke množství konfigurací a kombinací materiálů, tlouštěk substrátů a permitivit správné řešení výrobci neuvádějí. Pro kmitočty nad cca 10GHz kritické, nutno do detailu simulovat celý přechod strana 16

17 Konektory přechod koaxiální vedení koplanární vlnovod se zemí strana 17

18 Konektory přechod koaxiální vedení mikropásek strana 18

19 Konektory pro spojování vlnovodů se používají normalizované vlnovodné příruby cca od 50GHz výše jsou montážní otvory se stejnou roztečí, mění se jen rozměry vlnovodu strana 19

20 Obvodová vedení všechny spoje v mikrovlnných obvodech musí mít definovanou impedanci, pokud chceme získat očekávané chování obvodu pokud se říká pravidlo pro soustředěné parametry l< g /10 je potřeba se podobným pravidlem zabývat v obvodech i z hlediska přesnosti jejich návrhu a použití adekvátní výrobní technologie strana 20

21 Obvodová vedení mikropáskové vedení koplanární vlnovod koplanární vlnovod s pokoveným substrátem štěrbinové vedení strana 21

22 Obvodová vedení mikropáskové vedení strana 22

23 Obvodová vedení nejčastější použití na nižších mikrovlnných pásmech malá disperze problém rozptylového pole pro vysokou izolaci nutno dodatečně stínit rozsah impedancí cca Ω strana 23

24 Obvodová vedení koplanární vlnovod nejčastější použití v obvodech, kde není dostupný pokovený substrát z obou stran, nebo technologie nenabízí prokovy snadná montáž součástek sériově i paralelně problém rozptylového pole je nad substrátem i pod ním, pokud se substrát umístí na kovovou podložku vznik rezonancí, parazitních vidů rozsah impedancí cca Ω nízké impedance pouze s úzkou štěrbinou mezi páskem a zemními rovinami strana 24

25 Obvodová vedení koplanární vlnovod P strana 25

26 Obvodová vedení Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem strana 26

27 Obvodová vedení Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem zemní vrstva cíleně je nutno sledovat vznik parazitních vidů strana 27

28 Obvodová vedení Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem a prokovením strana 28

29 Obvodová vedení Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem a prokovením potlačení nežádoucích vidů propojením zemních rovin zmenšení příčného rozměru pracuje až do vzniku vidu TE10 pod páskem a do kmitočtu, kdy prokovy přestanou tvořit vodivé stěny (vzdálenost mezi prokovy cca g /4) strana 29

30 Obvodová vedení Štěrbinové vedení velký příčný rozměr obtížné zapojení součástek do série rozptylové pole pod i nad rovinou strana 30

31 Obvodová vedení Vlnovod integrovaný do substrátu strana 31

32 Obvodová vedení Vlnovod integrovaný do substrátu velký příčný rozměr na nízkých kmitočtech prokovy musí být blíže, než g /4 útlum podobný, jako vlnovod vyplněný dielektrikem signál uzavřen uvnitř = žádné rozptylové pole strana 32

33 Selektivní obvody mikropáskové filtry s rostoucím kmitočtem klesá kvalita, problematická opakovatelnost výroby vlnovodné filtry finančně náročná přesná mechanická výroba lze získat vysokou jakost obvodů filtry jsou většinou laděny mechanickými prvky (šrouby) na přesný tvar přenosové funkce strana 33

34 Selektivní obvody Dielektrické rezonátory pracují na principu totálního odrazu na rozhraní keramického materiálu s vysokou permitivitou a vzduchu Q > 5000 kmitočet do cca 25GHz strana 34

35 Selektivní obvody vlnovodné filtry integrované do substrátu menší jakost daná dielektrikem snadná výroba Mira, F., Bozzi, M., Giuppi, F., Perregrini, L. and Georgiadis, A. (2010), Efficient design of SIW filters by using equivalent circuit models and calibrated spacemapping optimization. Int J RF and Microwave Comp Aid Eng, 20: doi: /mmce strana 35

36 Pasivní obvody se soustředěnými parametry kapacitory, rezistory a induktory pro mikrovlnná pásma lze využít pouze obvody, které jsou k tomu určeny výrobcem = definované chování díky rostoucímu kmitočtu se zmenšují pouzdra 0402, 0201, použití nepouzdřených čipů strana 36

37 Pasivní obvody se soustředěnými parametry příklad rezistorů fy Vishay Sfernice strana 37

38 Pasivní obvody se soustředěnými parametry Příklad kapacitorů pro širokopásmové aplikace ATC v 0402 pouzdru strana 38

39 Pasivní obvody se soustředěnými parametry Příklad induktorů pro širokopásmové aplikace Coilcraft BCR strana 39

40 Pasivní obvody se soustředěnými parametry Pro vyšší mikrovlnné kmitočty jsou již tyto obvody řešeny na čipech spolu s aktivními prvky strana 40

41 Aktivní obvody diskrétní tranzistory běžně na 10GHz, některé do 26GHz pro vyšší pásma celé funkční bloky na čipu vnitřně přizpůsobené tak, aby výstupní brány měly definovanou impedanci 50Ω protože každé propojení vnáší do vedení diskontinuitu, je třeba s připojením počítat, kompenzovat ho, či započítat do přizpůsobovacího obvodu součástí popisu obvodu je pak konkrétní postup připojení strana 41

42 Aktivní obvody příklad zapojení zesilovače Avago AMMC-5040 strana 42

43 Aktivní obvody čip je většinou jiné tloušťky, než připojovaný substrát použije se podložka vhodné tloušťky připojení většinou pomocí bondování délka bondovacích drátků velmi omezena, většinou pro snížení indukčnosti několik paralelně strana 43

44 Aktivní obvody Nejznámějšími výrobci obvodů pro milimetrová pásma jsou AVAGO zesilovače do 40GHz čipy i pouzdřené směšovače do 50GHz HITTITE zesilovače do 86GHz směšovače do 90GHz UMS zesilovače do 77GHz směšovače do 77GHz diody do 3 THz strana 44

45 Měření Použití vektorových obvodových analyzátorů do cca 70GHz samotné přístroje na koaxiálních vedeních výše pak rozšiřující měřící hlavy pokrývající jednotlivá vlnovodná pásma většina měření se odehrává přímo na čipech vyloučení parazitních jevů při přechodech na DPS měření pomocí probe station strana 45

46 Měření probe station Cascade microtech strana 46

47 Měření probe station používá speciální sondy pro kontakt na substráty, do 110GHz s koaxiálním připojením k vektorovému obvodovému analyzátoru, výše pak s vlnovodným připojením strana 47

48 Zdroje mpd.southwestmicrowave.com wikipedia.org microwaves101.com strana 48

49 Poděkování Děkuji za vaši pozornost! Vytvoření této prezentace bylo finančně podpořeno projektem CZ.1.07/2.3.00/ Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Finanční podpora byla poskytnuta Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. strana 49

50 Kontakt Tomáš Urbanec Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně Purkyňova 118, Brno Tel: Fax: strana 50