Obvody pro perspektivní kmitočtová pásma

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

[email protected]

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:

strana 4

2,4GHz

83,5MHz šířka pásma

5GHz

255MHz šířka pásma

10GHz

288MHz šířka pásma

[email protected]

Perspektivní pásma  Perspektivní volná pásma pro přenos dat: 60GHz 9GHz šířka pásma

ne stálé venkovní instalace

71-76GHz, 81-86GHz

10GHz šířka pásma

různá omezení: max. e.i.r.p, zisk antén, spektrální hustota, použití další pásma zpoplatněna, příp. specifické použití - radary

strana 5

[email protected]

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 λ > λTE11     R 0  r0  m

strana 6

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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

strana 11

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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

strana 14

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

Konektory

 přechod koaxiální vedení – koplanární vlnovod se zemí strana 17

[email protected]

Konektory

 přechod koaxiální vedení – mikropásek strana 18

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

Obvodová vedení  mikropáskové vedení  koplanární vlnovod  koplanární vlnovod s pokoveným substrátem  štěrbinové vedení

strana 21

[email protected]

Obvodová vedení  mikropáskové vedení

strana 22

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

Obvodová vedení  koplanární vlnovod  P

strana 25

[email protected]

Obvodová vedení  Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem

strana 26

[email protected]

Obvodová vedení

 Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem zemní vrstva cíleně je nutno sledovat vznik parazitních vidů

strana 27

[email protected]

Obvodová vedení  Koplanární vlnovod s pokoveným substrátem a prokovením

strana 28

[email protected]

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

[email protected]

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

strana 30

[email protected]

Obvodová vedení  Vlnovod integrovaný do substrátu

strana 31

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

Pasivní obvody se soustředěnými parametry  příklad rezistorů fy Vishay Sfernice

strana 37

[email protected]

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

strana 38

[email protected]

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

strana 39

[email protected]

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

strana 40

[email protected]

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

[email protected]

Aktivní obvody příklad zapojení zesilovače Avago AMMC-5040

strana 42

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

Měření probe station Cascade microtech

strana 46

[email protected]

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

[email protected]

Zdroje www.ctu.cz

www.atceramics.com

www.flann.com

www.vishay.com

www.pasternack.com

www.coilcraft.com

mpd.southwestmicrowave.com

www.avagotech.com

www.minicircuits.com

www.hittite.com

wikipedia.org

www.ums-gaas.com

microwaves101.com

www.cmicro.com

www.anritsu.com www.t-ceram.com

strana 48

[email protected]

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

[email protected]

Kontakt Tomáš Urbanec

[email protected]

Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně Purkyňova 118, 612 00 Brno Tel: 541 149 104 Fax: 541 149 244

strana 50

[email protected]