ÚVOD NÁVRH DĚLIČE. Frekvence vysílání [MHz] Frekvence přijmu [MHz] Standard. GSM 900 (Evropa) Využívané mobilní frekvence

Transkript

1 Ročník Číso I Širokopásmový děič výkonu pro pásma mobiních komunikací L. Tejmova, J. Sebesta Fakuta eektrotechniky a komunikačních technoogií VUT v Brně, Ústav radioeektroniky, Purkyňova 8, Brno E-mai : xzein@eec.vutbr.cz, Anotace: Čánek je zaměřen na návrh děičů výkonu pro pásma mobiních komunikací. Signá je v děiči rovnoměrně rozděen do dvou přijímačů. V současnosti jsou mobiní přenosy a daší sužby, jako napříkad LTE, provozovány ve dvou rekvenčních pásmech, a to od,8 GHz do,956 GHz a od,7 GHz do,6 GHz. Právě šířka pásma pro přenos je důvodem kompexnějšího návrhu děiče. Tento dokument obsahuje zákadní principy a teorii návrhu takového děiče, jeho simuaci a optimaizaci parametrů v CST Microwave Studiu. Dáe jsou prezentovány výsedky měření navrženého a vyrobeného děiče. V závěru jsou diskutovány S-parametry přenos vedení, odrazy na jednotivých branách a izoace mezi výstupy. Annotation: This document is ocused on design o symmetrica wideband spitters, which are determined or distribution GSM (Goba System or Mobie Communications) signas rom one common antenna to two receivers. At the present time, GSM bands with or exampe LTE (Long Term Evoution) and others incude requencies in two bands, approximatey rom.8 GHz to.956 GH and rom.7 GHz up to.6 GHz. That is exacty why this compex design o spitter represents wideband soution. This paper contains undamenta theory or designing o wideband spitter and simuated and measured parameters o the optimized spitter in CST Microwave Studio. Designed divider has been aso anayzed by the worst case method. Obtained S parameters, such as transmission, isoation or reections are discussed in the cosing part o this paper. ÚVOD Obecně ze děičem výkonu nazvat prvek, který rozděí příchozí signá do dvou nebo více nezávisých výstupních vedení. Násedně je pak možné zařadit do obvodu daší nezávisá zařízení, napříkad přijímače, které přijímají signá ze stejného zdroje, napříkad z antény, což také mimo jiné přispívá i k úspoře nákadů. Probematikou zabývá např. Jiaeng hou s koektivem [], jejichž přístup je teoretický a vemi obecný čánek se zabývá teorií přenosu signáu z jednoho vstupu děiče to voiteného počtu jeho výstupů, a to s průchodem přes ibovoný počet sekcí. Existuje řada čánků, ve kterých se autoři zabývají možností rozšíření pracovního pásma děičů výkonu, našim cíem však není např. daší rozšiřování pásma, ae návrh prakticky využiteného zařízení, pracujícího ve dvou pásmech, které ze se zárukou zařadit do provozu. Typickým příkadem apikace je použití dvou komunikačních systémů v automobiu. GSM antény, obvyke umístěné bízko zpětného zrcátka, je signá veden do děiče. Jeden přijímač je pak součástí kasického zabudovaného hands-ree pro řidiče, druhý unguje jako nezávisý záchranný systém. V případě, že dojde k dopravní nehodě, je systém schopný automaticky voat tísňové voání či záchrannou sužbu. V kombinaci s obdobně vyřešeným navigačním systémem se s tísňovým voáním zároveň vysíá pooha automobiu, tedy místo nehody, a to i tehdy, pokud řidič právě voa a mě aktivní navigaci. V čánku jsou stanoveny požadované parametry a vastnosti takového širokopásmého děiče výkonu. Také je zde navržen motiv vícestupňového Wikinsonova děiče a optimaizace vybraných parametrů této struktury v CST Microwave studiu. Před vastní výrobou bya provedena anaýza worst-case, neboť reáná výroba zařízení také není % přesná. Parametry vyrobeného zařízení, prezentované v posední kapitoe, byy naměřeny síťovým vektorovým anayzátorem Agient. Výsedný produkt má požadované vastnosti a může být integrován jako zařízení používané v automobiech pode předchozí deinice. NÁVRH DĚLIČE Požadované parametry V této části jsou uvedeny požadavky na výkonové děiče pracující v pásmu mobiních komunikací. Jejich struktura je zaožena na bázi vícestupňového Wikinsonova děiče, kde mikropásková vedení rovnoměrně rozděují vstupní signá do dvou větví. Spodní strana substrátu je přitom opátovaná mědí, která tvoří zem zařízení. Jak už byo zmíněno, děič musí být naaděn na rekvence mobiních komunikací []. V tomto pásmu najdeme napříkad GSM pásma využívaná v Evropě, nebo třeba LTE pásmo, umožňující vysokorychostní přenos dat v mobiních sítích. Tato a daší pásma jsou přehedně vypsána to tabuky (tab. ). Tab. : Standard GSM 9 Využívané mobiní rekvence Frekvence vysíání [MHz] Frekvence přijmu [MHz]

2 GSM PDC (Jap.) AMPS/CDMA/ TDMA (USA) PCS (USA/Jap.) UMTS LTE (EU pásmo 8) Děič pro mobiní komunikace tedy musí pracovat ve rekvenčním pásmu,8 GHz až,956 GHz a také v pásmu od,7 GHz do,6 GHz, aby pokry všechny provozní rekvence GSM a horní pásmo LTE v EU. V těchto pásmech jsou kadeny požadavky na s-parametry (z angického pojmu scattering parameters, v češtině nazývané ekvivaentním výrazem rozptyové parametry ) násedující: s, s s, s, s s, s > -5 db < - db < -5 db, kde s je vstupní koeicient odrazu při výstupech zakončených přizpůsobenou zátěží (5 ), s a s jsou výstupní koeicienty odrazu při zakončení ostatních dvou vedení přizpůsobenou zátěží (5 ), s, s jsou přenosové koeicienty děícího čenu (opět s přizpůsobenou zátěží 5 na třetí bráně) a s, s jsou úrovně odrazů mezi jednotivými výstupy tzv. izoace. Ideání hodnota přenosu při rovnoměrném děení signáu mezi dva výstupy je -db pro každou z větví. Toto však patí pro bezeztrátové materiáy jak substrátu, tak vedení. Graické znázornění hranic požadavků na s-parametry znázorňuje gra na obr.. Obr. : Požadavky na s-parametry děiče výkonu ákadní struktura a vyznačení odpovídajících s-parametrů je zřejmá z obr.. s s Input Obr. : Struktura děiče výkonu a odpovídající s-parametry Vastní návrh mikropáskové struktury Jako vhodný substrát se jeví kasická FR, ať už díky vastnostem na unkčních rekvencích [], tak pro cenovou dostupnost materiáu. Nejdůežitější parametry, které se zadávají i do simuátorů, jsou vypsány v násedující tabuce (tab. ). Tab. : Vybrané vastnosti materiáu FR Parametr Měrná hustota Dieektrická průraznost Dieektrická pevnost Dieektrická konstanta (reativní permitivita) Hodnota 85 kg/m³ > 5 kv kv/mm trátový činite GHz Princip unkce širokopásmových děičů se iší od úzkopásmových v tom, že se neadí na jednu rekvenci, ae že se adí na někoik různých rekvencí, aby zařízení pracovao v ceé šířce pásma. Děič má tedy více přizpůsobených sekcí, jejichž déka odpovídá požadovaným rekvencím. V našem rekvenčním pásmu je potřeba naadit děič na střední rekvenci nižšího pásma a dáe na rovnoměrně rozožené tři rekvence v pásmu vyšších kmitočtů. S ohedem na nutnost dostat izoaci mezi výstupy pod 5 db voíme cekem sekce. Kdybychom sekcí navrhi více, zařízení bude ještě širokopásmovější, ae izoace by bya maximáně asi 9 db. Spodní aděná rekvence tedy bude určená z rovnice (). s s LBmax LBmin LBmin, () s Output s

3 kde LB znamená nižší rekvenční pásmo. ískáme tedy rekvenci,88 GHz. Dáe určíme rekvence pro vyšší mobiní pásmo pode (). UB max n UB min, () kde n je počet sekcí děiče. Náš děič má vyčeněnou jednu sekci pro nižší rekvenční pásmo, a tedy n bude odpovídat zbývajícímu počtu sekcí čísu. jistíme, že rozdí mezi aděnými rekvencemi je 5 MHz, a dopočteme pode () rekvence, na které naadíme daší sekce děiče. x,7 x,5 x UB min GHz () ískáme tedy rekvence =,95 GHz =, GHz =,5 GHz. Déka každé sekce tedy závisí na kmitočtu a na reativní permitivitě, jak ze vidět ze vztahu (). v c g. () er ( ) X L, 7 mm 85 X L, 5 mm 7 X L, 6 mm 55 X L, 57 mm 5 X, 95 mm Důežité je, aby bya každá sekce vedení zakončena přizpůsobovacím rezistorem. Hodnoty těchto rezistorů jsou dané šířkou předchozího vedení, tedy impedancí, na konci které se vyskytují, a jsou kompexně deinovány v iteratuře [5]. Jejich hodnoty jsou tedy: R R 8 R 7 R. Strukturu s vyznačenými parametry prezentuje obr.. Výpočtem čtvrtin vnových déek je dána konečná déka ( x ) jednotivých sekcí našeho děiče []: g 885,8 mm x in x R x L g,95 g g,,5 8,5 mm 6, mm,75 mm R R x x L L L Šířky jednotivých mikropáskových vedení (x x ) jsou dány nutností rovnoměrného impedančního přizpůsobování děiče z první sekce o impedanci T pode (5) na impedanci výstupních vedení (5 ) []. Obr. : R Parametry děiče výkonu x out T. (5) e vzorce (6) spočteme šířku vedení, jejíž impedance je právě n, r 8 5,98 h, w t, (6) kde w reprezentuje šířku pásku, t toušťku pásku a h je šířka substrátu. Vybereme tedy jednotivé impedance sekcí zařízení a dopočítáme k nim reánou šířku mědi v daných úsecích: SIMULACE A OPTIMALIACE Děič by nakresen v programu CST Microwave Studio a by dopněn o konektory SMB-JWE typu (obr. ). Substrát FR, na který by násedně děič vyroben, mě hodnotu reativní permitivity r =, na rekvenci GHz a by oboustranně opátován mědí o toušťce dcu = 5 m.

4 Obr. : Simuace Navržený děič s konektory V simuátoru CST Microwave studia bya provedena anaýza navržené struktury ve rekvenční obasti. Výsedek je vykresen v obr. 5. Je patrné, že navržený motiv spňuje požadavky, avšak je potřeba strukturu optimaizovat, abychom měi co největší rezervy v úrovních přenosu, odrazů a přesechů. Optimaizací se budeme snažit dosáhnout přenosu těsně pod - db, odrazů na branách co nejnižších a izoace mezi výstupy aespoň db. Obr. 6: Optimaizované parametry Násedně bya struktura zoptimaizována okání optimaizační metodou Trust Region Framework [8], která vemi ryche, během jedenácti kroků, konvergovaa k naezení optima. Na násedujícím obrázku (obr. 7) jsou k vidění výsedné průběhy s-parametrů po optimaizaci. Obr. 7: Parametry optimaizovaného děiče Bya provedena worst-case anaýza s rozmítáním vybraných parametrů do ±%. Výsedek napříkad pro izoaci, s, zobrazuje obr. 8. Je zřejmé, že hodnota izoace jen ojediněe kesa pod hodnotu 5 db. Obr. 5: Anaýza navrženého motivu Optimaizace nabízených optimaizačních metod bya vybrána Neder-Mead Simpex agorithm, což je gobání neineární optimaizační metoda, minimaizující účeovou unkci v mnohorozměrném prostoru. pohedu geometrie se jedná o anaogii metody trojúheníků [6], [7]. Nejprve jsme nechai zoptimaizovat šířky jednotivých vedení (x, x, x a x ), aby jejich impedanci odpovíday dané hodnoty rezistorů, voené pevně z řady E. S šířkou vedení bya optimaizovaná i rozteč mikropáskového motivu v místech umístění rezistorů (w). Daším krokem bya optimaizace déek vedení v jednotivých sekcích děiče (,, a ). Optimaizované veičiny názorně vyobrazuje obr. 6. Obr. 8: Worst-case anaýza pro s MĚŘENÍ S-parametry zařízení byy měřeny dvou portovým vektorovým síťovým anayzátorem, pracujícím do 8 GHz. Po zkaibrování přístroje byo zařízení připojeno jako dvouportové, přičemž třetí port by zatížen charakteristickou impedancí 5, a tím pádem přizpůsoben. Naměřené s-parametry jsou vykreseny na obr. 9. Tenkou pnou čárou jsou vyznačeny rekvenční hranice spodního a vrchního pásma mobiních přenosů.

5 dostatečně maé, aby moho být jednoduše impementováno do automobiu. Přenosové pásmo je možné zúžit zařazením pásmového itru, de apikační potřeby. Nabízí se také možnost zepšit přenosové vastnosti děiče vožením aktivního předzesiovače. LITERATURA Obr. 9: Naměřené s-parametry děiče výkonu Je zřejmé, že reáně vyrobený a osazený prvek nebude mít vastnosti jako namodeovaná, a ve mnoha vastnostech pro výpočet ideání struktura. Vidíme však, že vyrobené zařízení spňuje původní požadavky pro jeho správnou unkci. Přenos ze vstupu na výstupy je v ceém rekvenčním pásmu vyšší než -5 db, odrazy na branách jsou ve vrchním pásmu dokonce ještě o db nižší, než byo požadováno. Izoace mezi výstupními branami dosahuje hodnot 6 db a vyšších, přičemž nejnižších hodnot dosahovaa na nejvyšších rekvencích horního pásma, tedy mezi,55 GHz a,7 GHz (izoace menší než 8 db). Rozměry osazeného děiče výkonu jsou i s konektory 5x6x mm. Fotograie vyrobeného zařízení je k vidění na obr.. Obr. : Vyrobený a osazený děič výkonu ÁVĚR Navržený děič výkonu pro pásma mobiních komunikací by vyroben a byy proměřeny jeho přenosové charakteristiky. V ceém rekvenčním rozsahu vyhovuje přenos děiče podmínkám pro správnou unkci zařízení. Všechny s-parametry v pásmech,8 GHz až,956 GHz a,7 GHz až,6 GHz spňují požadavky a zároveň je zařízení [] JIAFENG HOU, K.A. MORRIS a M.J. LANCASTER. Genera Design o Mutiway Mutisection Power Dividers by Interconnecting Two-Way Dividers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 7, roč. 55, č., s ISSN [] Technoogie mobiního internetu od CSD po LTE Advanced. VRBACKÝ, Jakub. Mobiizujeme.cz [onine]... [cit. - 7-]. Dostupné z: canky/technoogie-mobiniho-internetu-od-csdpo-te-advanced-vedecke-okenko. [] LAMITEC CECH S.R.O. ákadní materiáy pro pošné spoje. Desky z tvrzené skeněné tkaniny pátované měděnou óií: LAMPLEX FR-.. vyd.. Dostupné z: [] PEDRO J. GONÁLE, Fernando Noriega. Designing LC Wikinson power spitters. R.F. design. Overand Park, KS: Primedia Intertec,, August, s. 8-. ISSN [5] S. B. Cohn. A Cass o broadband Three-port TEM-Mode Hybrids. IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques, vo. MTT-6, no., pp. 6, Feb [6] ČERNOHORSKÝ, Dušan, byněk RAIDA, byněk ŠKVOR a deněk NOVÁČEK. Anaýza a optimaizace mikrovnných struktur.. vyd. Bansko: VUTIUM, 999. ISBN [7] TAUFER, I. a M. JAVŮREK. Metoda simpexů: Eektivní nástroj pro řešení optimaizačních úoh. CHEMagazín: časopis pro chemickotechnoogickou a aboratorní praxi. Pardubice: Ing. Miosav Rotrek,, roč. 6, č.. ISSN -79. [8] SOKOL, Vratisav. Optimization Techniques in CST STUDIO SUITE. s.. Dostupné z: ugm/tak_6--_cst_ugm_.pd.