Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma Obvody pro perspektivní kmitočtová pásma Tomáš Urbanec Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně
Poděkování Vytvoření této prezentace bylo finančně podpořeno projektem CZ.1.07/2.3.00/09.0092 Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Finanční podpora byla poskytnuta Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Program prezentace perspektivní pásma propojovací vedení konektory obvodová vedení selektivní obvody pasivní obvody aktivní obvody měření strana 3
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
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
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
Propojovací vedení typ UT-034 UT-047 UT-085 UT-141 UT-250 průměr vnějšího vodiče [mm] 0.86 1.14 2.18 3.58 6.35 mezní kmitočet [GHz] 155 109 61 34 19 útlum pro 10GHz [db/m] 5.2 3.7 2.2 1.4 0.9 maximální přenášený výkon pro 10GHz [W] 7 17 48 117 238 zmenšování průměru způsobuje nárůst měrného útlumu ztrát snahou je zvolit co největší průměr, který kmitočtově a aplikačně vyhoví strana 7
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, R100 8.20 12.40 22.86*10.16 0.134 200 000 WR42, R220 18.00 26.50 10.67*4.32 0.433 43 000 WR15, R620 50.00 75.00 3.76*1.88 1.51 30 000 WR10, R900 75.00 110.00 2.54*1.27 2.69 14 000 pro dosažení maximálních přenášených výkonů je nutné vlnovody aktivně chladit strana 8
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
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
Konektory SMA konektor nejčastěji používaný konektor maximální pracovní kmitočet 26GHz levné verze fungují třeba jen do 5GHz strana 11
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
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
Konektory 1mm konektor (W1) pro nejvyšší kmitočty max. 110GHz velmi drahý nutnost velmi precizní výroby strana 14
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
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
Konektory přechod koaxiální vedení koplanární vlnovod se zemí strana 17
Konektory přechod koaxiální vedení mikropásek strana 18
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
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
Obvodová vedení mikropáskové vedení koplanární vlnovod koplanární vlnovod s pokoveným substrátem štěrbinové vedení strana 21
Obvodová vedení mikropáskové vedení strana 22
Obvodová vedení nejčastější použití na nižších mikrovlnných pásmech malá disperze problém rozptylového pole pro vysokou izolaci nutno dodatečně stínit rozsah impedancí cca 15-150Ω strana 23
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 30-150Ω nízké impedance pouze s úzkou štěrbinou mezi páskem a zemními rovinami strana 24
Obvodová vedení koplanární vlnovod P strana 25
Obvodová vedení Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem strana 26
Obvodová vedení Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem zemní vrstva cíleně je nutno sledovat vznik parazitních vidů strana 27
Obvodová vedení Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem a prokovením strana 28
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
Obvodová vedení Štěrbinové vedení velký příčný rozměr obtížné zapojení součástek do série rozptylové pole pod i nad rovinou strana 30
Obvodová vedení Vlnovod integrovaný do substrátu strana 31
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
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
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
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: 689 698. doi: 10.1002/mmce.20478 strana 35
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
Pasivní obvody se soustředěnými parametry příklad rezistorů fy Vishay Sfernice strana 37
Pasivní obvody se soustředěnými parametry Příklad kapacitorů pro širokopásmové aplikace ATC v 0402 pouzdru strana 38
Pasivní obvody se soustředěnými parametry Příklad induktorů pro širokopásmové aplikace Coilcraft BCR strana 39
Pasivní obvody se soustředěnými parametry Pro vyšší mikrovlnné kmitočty jsou již tyto obvody řešeny na čipech spolu s aktivními prvky strana 40
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
Aktivní obvody příklad zapojení zesilovače Avago AMMC-5040 strana 42
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
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
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
Měření probe station Cascade microtech strana 46
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
Zdroje www.ctu.cz www.flann.com www.pasternack.com mpd.southwestmicrowave.com www.minicircuits.com wikipedia.org microwaves101.com www.anritsu.com www.t-ceram.com www.atceramics.com www.vishay.com www.coilcraft.com www.avagotech.com www.hittite.com www.ums-gaas.com www.cmicro.com strana 48
Poděkování Děkuji za vaši pozornost! Vytvoření této prezentace bylo finančně podpořeno projektem CZ.1.07/2.3.00/09.0092 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
Kontakt Tomáš Urbanec Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně Purkyňova 118, 612 00 Brno Tel: 541 149 104 Fax: 541 149 244 strana 50