ΔΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΕΡΓΑΙΑ Αμανατιάδης Βασίλειος ΑΕΜ 5684 ΜΕΣΡΗΕΙ Ε ΠΟΛΤ ΤΧΗΛΕ ΤΦΝΟΣΗΣΕ(RF)

Transcript

1 ΑΡΙΣΟΣΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΘΕΑΛΟΝΙΚΗ ΠΟΛΤΣΕΧΝΙΚΗ ΧΟΛΗ ΣΜΗΜΑ ΗΛΕΚΣΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΠΟΛΟΓΙΣΩΝ ΣΟΜΕΑ ΗΛΕΚΣΡΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΤΠΟΛΟΓΙΣΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΕΡΓΑΙΑ Αμανατιάδης Βασίλειος ΑΕΜ 5684 ΜΕΣΡΗΕΙ Ε ΠΟΛΤ ΤΧΗΛΕ ΤΦΝΟΣΗΣΕ(RF) Επιβλέπων: Καθηγητής Αλ.Χατζόπουλος ΑΠΘ ΘΕΑΛΟΝΙΚΗ 2012

2 H παροφςα διπλωματική εργαςία εκπονήθηκε ςτα πλαίςια του υποζργου MIΚΡO2-47 Next Generation Millimeter Wave Backhaul Radio υπό το Ευρωπαϊκό Σαμείο Περιφερειακήσ Ανάπτυξησ μζςω του Εθνικοφ τρατηγικοφ Πλαιςίου Αναφοράσ Σο Έργο εντάςςεται ςτο Ε.Π. «Επιχειρηματικότητα - Ανταγωνιςτικότητα» ςτο πλαίςιο του Προγράμματοσ «Φάςη-2 Ενίςχυςησ Ελληνικών Σεχνολογικών υνεργατικών χηματιςμών ςτη Μικροηλεκτρονική».

3 Αφιερώνεται ςτoυσ γονείσ μου για την υπομονή και τη ςυμπαράςταςη τουσ ςε όλη τη διάρκεια των ςπουδών μου.

4 ΠΡΟΛΟΓΟ Τα τελευταία χρόνια οι αςφρματεσ τθλεπικοινωνίεσ ζχουν γίνει μζροσ τθσ κακθμερινότθτασ του κακενόσ. Το Bluetooth και το WiFi είναι μόνο μερικζσ από τισ τεχνολογίεσ με τισ οποίεσ ερχόμαςτε κακθμερινά ςε επαφι και που χρθςιμοποιοφν ςυχνότθτεσ τθσ τάξεωσ των GHz. Οι RF μετριςεισ είναι ζνασ ςυνεχϊσ αναπτυςςόμενοσ κλάδοσ ςτισ τθλεπικοινωνίεσ, κακϊσ εξερευνοφνται ςυνεχϊσ καινοφριεσ, υψθλότερεσ ςυχνότθτεσ για τθν αςφρματθ μετάδοςθ δεδομζνων. Πλα τα τθλεπικοινωνιακά εξαρτιματα που αποτελοφν τουσ πομποφσ και τουσ δζκτεσ, αφοφ ςχεδιαςτοφν και καταςκευαςτοφν, πρζπει να περάςουν από τθν διαδικαςία των μετριςεων, ϊςτε να πιςτοποιθκεί θ ςωςτι λειτουργία τουσ ςτισ ςυχνότθτεσ ςτισ οποίεσ προορίηονται να λειτουργιςουν. Στθν παροφςα διπλωματικι γίνεται παρουςίαςθ των ςθμαντικότερων οργάνων μετριςεων ςτισ πολφ υψθλζσ ςυχνότθτεσ(rf) και περιγράφεται ο τρόποσ λειτουργίασ τουσ (αναλυτισ δικτφου, αναλυτισ φάςματοσ, γεννιτριεσ RF ςθμάτων, μετρθτζσ ιςχφοσ). Επιπλζον, παρουςιάηονται μζκοδοι μετριςεων παραμζτρων ςε αναλογικά τθλεπικοινωνιακά εξαρτιματα πομποδεκτϊν. Τζλοσ, παρουςιάηονται τα αποτελζςματα και θ επεξεργαςία πραγματικϊν μετριςεων ςε αναλογικά τθλεπικοινωνιακά εξαρτιματα που πραγματοποιικθκαν ςτον αναλυτι δικτφου του ΤΘΜΜΥ. Στο ςθμείο αυτό κα ικελα να ευχαριςτιςω όλουσ όςουσ ςυνζβαλαν ςτθν υλοποίθςθ αυτισ τθσ εργαςίασ, αρχισ γενομζνθσ από τον επιβλζποντα κακθγθτι, Κακθγθτι κ. Άλκθ Χατηόπουλο. Θα ικελα να δϊςω πολλζσ ευχαριςτίεσ επίςθσ ςτον Επίκουρο Κακθγθτι κ. Τραϊανό Γιοφλτςθ και ςτον υποψιφιο διδάκτορα Βαςίλθ Γεράκθ για τθν άριςτθ ςυνεργαςία που είχαμε τόςο κατά τθ διάρκεια τθσ διενζργειασ των μετριςεων όςο και γενικότερα όλο το διάςτθμα τθσ εναςχόλθςθσ μου με τθν εργαςία αυτι. Θα ικελα να ευχαριςτιςω επίςθσ τον Θλεκτρολόγο μθχανικό κ. Γιϊργο Στρατάκο για τθν άμεςθ ανταπόκριςθ και βοικεια του ςτισ μετριςεισ των διπλεκτϊν που παρουςιάηονται ςτο τελευταίο κεφάλαιο τθσ εργαςίασ.

5 Abstract Wireless communication technologies have become part of everyday life for many people during the last few years. Bluetooth and WiFi are two examples of technologies that work at GHz frequencies and find many applications in the life of many people. Against this background, RF(Radio Frequency) measurement is a continuously developing field of electrical engineering, as the research on new and higher frequencies for the wireless transmission of data is a trending topic among academics and practitioners. Moreover, every single device involved in transmitters and receivers has to be tested, after it is designed and constructed, in order to certify that it operates at its prescribed range of frequencies. In this thesis, we offer a characterization of the most common equipments for RF measurements(network analyzer, spectrum analyzer, power meter, RF signal generator etc). Moreover, methods for testing common analog telecommunication devices are analysed. Finally, I present data from real RF measurements of analog devices that were taken with the Vector Network Analyzer of the Department of Electrical and Computer Engineering(AUTH).

6 Περιεχόμενα KΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΘ RF ςυχνότθτεσ To θλεκτρομαγνθτικό κφμα Αναλογία τθσ διάδοςθσ του φωτόσ με τθν RF ενζργεια Δομι εργαςίασ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 :ΡΑΑΜΕΤΟΙ ΔΙΘΥΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ S-παράμετροι Χάρτθσ Smith Γραμμζσ μεταφοράσ Θεωρία γραμμϊν μεταφοράσ Κυκλωματικι προςζγγιςθ γραμμϊν μεταφοράσ Χαρακτθριςτικι ςφνκετθ αντίςταςθ Αντίςταςθ γραμμισ μεταφοράσ μθ τερματιςμζνθσ ςε Μθ ιδανικζσ γραμμζσ Συνικεισ γραμμζσ μεταφοράσ ςτισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ Ομοαξονικό καλϊδιο Κυματοδθγόσ Μικροταινία Οριςμοί μονάδων decibel ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΤΘΤΙΚΟΣ ΕΞΟΡΛΙΣΜΟΣ ΓΙΑ RF ΜΕΤΘΣΕΙΣ Μετρθτζσ ιςχφοσ(power meters) Αιςκθτιρεσ μετρθτϊν ιςχφοσ Κυρίωσ μονάδα μετρθτι ιςχφοσ(power meter unit) Αναλυτισ φάςματοσ (spectrum analyser) Block διάγραμμα αναλυτι φάςματοσ Ραράμετροι ελζγχου του αναλυτι φάςματοσ (control panel) Διανυςματικόσ Αναλυτισ δικτφου(vector Network Analyzer-VNA) Block διάγραμμα αναλυτι δικτφου Γεννιτρια RF ςθμάτων Ομοαξονικά καλϊδια και κοννζκτορεσ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΒΑΘΜΟΝΟΜΘΣΘ(CALIBRATION) ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΥ ΑΝΑΛΥΤΘ ΔΙΚΤΥΟΥ Τφποι λακϊν [6]

7 4.1.1 Συςτθματικά λάκθ Τυχαία λάκθ Λάκθ που εμφανίηονται ςτθν πορεία Τφποι βακμονόμθςθσ Βακμονόμθςθσ απόκριςθσ(response calibration) Μονόκυρθ βακμονόμθςθ (One-Port Calibration) Ρλιρθσ δίκυρθ βακμονόμθςθ(full 2-port calibration) Ενιςχυμζνθ βακμονόμθςθ απόκριςθσ TRL Calibration On wafer Calibration Θ βακμονόμθςθ ςτθν πράξθ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΡΑΑΣΙΤΙΚΑ ΚΑΙ ΑΦΑΙΕΣΘ ΡΑΑΣΙΤΙΚΩΝ(DE-EMBEDDING) Ραραςιτικά γενικά Αφαίρεςθ Ραραςιτικϊν(De-embedding) Τεχνικζσ που βαςίηονται ςε ιςοδφναμα ςυγκεντρωμζνα κυκλϊματα De-embedding μζκοδοι καταρράκτθ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΜΕΤΘΣΕΙΣ ΣΕ ΓΝΩΣΤΑ ΤΘΛΕΡΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΑ ΕΞΑΤΘΜΑΤΑ Ενιςχυτζσ χαμθλοφ κορφβου(lna) Γενικά για τουσ LNA Ραράμετροι που χαρακτθρίηουν τουσ ενιςχυτζσ χαμθλοφ κορφβου Σφνοψθ Ενιςχυτζσ ιςχφοσ Γενικά για τουσ ενιςχυτζσ ιςχφοσ(power Amplifiers ι PA) Μετριςεισ ςε ενιςχυτζσ ιςχφοσ Σφνοψθ VCO Γενικά για το VCO Μετριςεισ ςτο VCO Βρόχοσ κλειδϊματοσ φάςθσ(pll) Γενικά για το PLL Μετριςεισ ςε PLL Ρομπόσ Μετριςεισ πομποφ Δζκτθσ [7]

8 Μετριςεισ ςε δζκτθ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΜΕΤΘΣΕΙΣ ΣΕ ΤΕΤΑΓΩΝΙΚΟ ΔΙΑΧΩΙΣΤΘ ΦΑΣΘΣ(90- degree phase splitter) Ρροετοιμαςία των μετριςεων Στιςιμο μετρθτικισ διάταξθσ ςφμφωνα με τθν τοπολογία του τςιπ Βακμονόμθςθ Μετριςεισ S-παραμζτρων Χρθςιμοποίθςθ λογιςμικοφ (ADS) για απεικόνιςθ των μετριςεων ςε διαγράμματα και για τθ διαδικαςία του de-embedding Συμπεράςματα-Ραρατθριςεισ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8:ΜΕΤΘΣΕΙΣ ΣΕ ΔΙΡΛΕΚΤΕΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΥ ΟΘΟΓΩΝΙΚΟΥ ΚΥΜΑΤΟΔΘΓΟΥ Διαδικαςία των μετριςεων Ρροετοιμαςία των μετριςεων και εφρεςθ του κατάλλθλου εξοπλιςμοφ Βακμονόμθςθ Μζτρθςθ S-παραμζτρων Απεικόνιςθ μετριςεων ςτο ADS Συμπεράςματα ΡΑΑΤΘΜΑ Α ΡΑΑΤΘΜΑ Β ΒΙΒΛΙΟΓΑΦΙΑ-ΑΝΑΦΟΕΣ [8]

9 KΕΥΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΑΓΨΓΗ 1.1 RF ςυχνότητεσ Δεν υπάρχει ξεκάκαροσ οριςμόσ για τον όρο RF(radio frequency). Τυπικά RF μποροφν να χαρακτθριςτοφν όλεσ οι ςυχνότθτεσ πάνω από αυτζσ που μπορεί να ακοφςει ο άνκρωποσ, δθλαδι όλεσ πάνω από τα 20KHz. Δεν υπάρχει πάνω όριο ςε αυτζσ, αφοφ ακόμα και οι μετριςεισ ςτισ χιλιοςτομετρικζσ ςυχνότθτεσ είναι RF μετριςεισ. Οποτεδιποτε το μικοσ κφματοσ είναι μικρότερο από τισ διαςτάςεισ του εξαρτιματοσ ζχουμε RF ςυχνότθτεσ. Ραρακάτω φαίνεται το θλεκτρομαγνθτικό φάςμα ςε ςχζςθ με τισ ςυχνότθτεσ. Εικόνα 1.1: Ηλεκτρομαγνητικό φάςμα Επίςθσ ςφμφωνα με τθν IEEE ιςχφει ο εξισ διαχωριςμόσ ςτισ ηϊνεσ ςυχνοτιτων, ςε ςυχνότθτεσ τθσ τάξθσ των GHz. Εικόνα 1.2: Ζϊνεσ ςυχνότήτων [9]

10 1.2 To ηλεκτρομαγνητικό κύμα Ωσ γνωςτόν τα θλεκτρομαγνθτικά κφματα περιγράφονται από τισ εξιςϊςεισ του Maxwell. Οι ςθμαντικότερεσ ιδιότθτεσ των θλεκτρομαγνθτικϊν κυμάτων είναι θ ςυχνότθτα, το μικοσ κφματοσ, θ ςφνκετθ αντίςταςθ και θ φάςθ. Ζνασ χριςιμοσ οριςμόσ τθσ ςυχνότθτασ για τα θλεκτρομαγνθτικά κφματα είναι ότι: ςυχνότθτα είναι ο αρικμόσ των θλεκτρομαγνθτικϊν κυμάτων που περνοφν από ζνα δοςμζνο ςθμείο ςε χρονικό διάςτθμα ενόσ δευτερολζπτου. Το μικοσ κφματοσ είναι θ απόςταςθ ςτθν οποία το θλεκτρομαγνθτικό κφμα επαναλαμβάνει τον εαυτό του. Εικόνα 1.3: Μήκοσ κφματοσ Θ ςυχνότθτα και το μικοσ κφματοσ ςχετίηονται μεταξφ τουσ με τθ γνωςτι ςχζςθ : που ςτο κενό παίρνει τθ γνωςτι μορφι: Θ ςφνκετθ αντίςταςθ ορίηεται ςαν ο λόγοσ του θλεκτρικοφ πεδίου προσ το μαγνθτικό πεδίο. Θ μονάδα μζτρθςθσ είναι το Ω. Στο κενό θ ςφνκετθ αντίςταςθ ενόσ θλεκτρομαγνθτικοφ κφματοσ είναι 377Ω. Ο λόγοσ αυτόσ κακορίηεται από τθ φφςθ των θλεκτρομαγνθτικϊν κυμάτων και θ τιμι των 377Ω είναι φυςικι ςτακερά. Αντίκετα ςε μία γραμμι μεταφοράσ θ ςφνκετθ αντίςταςθ εξαρτάται από τισ διαςτάςεισ και το υλικό τθσ γραμμισ. Θ φάςθ είναι θ χρονικι διαφορά μεταξφ θλεκτρικϊν ςθμάτων τθσ ίδιασ ςυχνότθτασ. Εικόνα 1.4: φάςη μεταξφ δφο ςημάτων [10]

11 1.3 Αναλογύα τησ διϊδοςησ του φωτόσ με την RF ενϋργεια Θ ανάλυςθ τθσ ςυμπεριφοράσ δικτφου ςτισ υψθλζσ και πολφ υψθλζσ ςυχνότθτεσ ςτθρίηεται ςε οδεφοντα, ανακλϊμενα και διαδιδόμενα κφματα, που διαδίδονται κατά μικοσ των γραμμϊν μεταφοράσ. Για να γίνει κατανοθτι θ διάδοςθ αυτϊν των κυμάτων κατά μικοσ μιασ γραμμισ μεταφοράσ, μπορεί να γίνει ζνασ παραλλθλιςμόσ με τθ διάδοςθ του φωτόσ. Πταν το φωσ προςπίπτει ςε γυάλινθ επιφάνεια(όπωσ πχ ζνασ φακόσ), τότε ωσ γνωςτόν ζνα μζροσ του φωτόσ ανακλάται από τθν επιφάνεια του φακοφ, αλλά το μεγαλφτερο μζροσ ςυνεχίηει διαμζςου του φακοφ. Εάν ο φακόσ ιταν καταςκευαςμζνοσ από ζνα υλικό με απϊλειεσ, τότε ζνα μζροσ του φωτόσ κα απορροφοφνταν μζςα ςτο φακό. Εάν ο φακόσ είχε κατοπτρικζσ επιφάνειεσ, τότε το μεγαλφτερο μζροσ του φωτόσ κα ανακλϊνταν και ζνα μικρό μζροσ ι κακόλου κα ςυνζχιηε μζςω του φακοφ. Αυτζσ οι υποκζςεισ ιςχφουν και για τα RF ςιματα, μόνο που θ θλεκτρομαγνθτικι ενζργεια βρίςκεται ςτο φάςμα των RF αντί για το οπτικό φάςμα και επίςθσ αντί για φακοφσ και κάτοπτρα, υπάρχουν θλεκτρικά εξαρτιματα και κυκλϊματα. Θ ανάλυςθ των δικτφων ςτισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ ςτθρίηεται ςτον ακριβι προςδιοριςμό του λόγου του ανακλϊμενου κφματοσ προσ το προςπίπτων κφμα και του λόγου του διαδιδόμενου προσ το προςπίπτων κφμα. Εικόνα 1.5 : To ηλεκτρομαγνητικό κφμα ςε αναλογία με τη διάδοςη του φωτόσ 1.4 Δομό εργαςύασ Θ παροφςα διπλωματικι εργαςία αποτελείται από 8 κεφάλαια και 2 παραρτιματα. Στο δεφτερο κεφάλαιο γίνεται μία περιγραφι των παραμζτρων των δίκυρων δικτφων και των γραμμϊν μεταφοράσ, κακϊσ και μία περιγραφεί των μεγεκϊν που εκφράηονται ςε decibel. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφι των κυριότερων οργάνων και εξοπλιςμοφ που χρθςιμοποιοφνται ςτισ RF μετριςεισ και παρουςιάηεται ο τρόποσ λειτουργίασ τουσ. Στο τζταρτο κεφάλαιο περιγράφεται θ διαδικαςία τθσ βακμονόμθςθσ για τουσ διανυςματικοφσ αναλυτζσ δικτφου. Στο πζμπτο κεφάλαιο περιγράφονται θ επίδραςθ των παραςιτικϊν ςτισ RF μετριςεισ, κακϊσ και μζκοδοι που χρθςιμοποιοφνται για το de-embedding των παραςιτικϊν ςτισ μετριςεισ. Στο ζκτο κεφάλαιο παρουςιάηονται μζκοδοι μετριςεων των παραμζτρων γνωςτϊν τθλεπικοινωνιακϊν εξαρτθμάτων που χρθςιμοποιοφνται ςτουσ πομποδζκτεσ. [11]

12 Στο ζβδομο κεφάλαιο παρουςιάηονται θ διαδικαςία των μετριςεων ςε ολοκλθρωμζνο διαχωριςτι φάςθσ(splitter) και τα αποτελζςματα των πειραματικϊν αυτϊν μετριςεων. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουςιάηεται αναλυτικά θ διαδικαςία των πειραματικϊν μετριςεων ςε διπλζκτεσ και παρουςιάηονται τα αποτελζςματα αυτϊν των μετριςεων. Στο παράρτθμα Α περιγράφονται τα βιματα τθσ βακμονόμθςθσ του διανυςματικοφ αναλυτι δικτφου 3739D τθσ ANRITSU. Στο παράρτθμα Β περιγράφεται ο τρόποσ επεξεργαςίασ και παρουςίαςθσ των αποτελεςμάτων των μετριςεων με τθ χρθςιμοποίθςθ του λογιςμικοφ ADS. [12]

13 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 :ΠΑΡΑΜΕΣΡΟΙ ΔΙΘΤΡΨΝ ΔΙΚΣΤΨΝ 2.1 S-παρϊμετροι Θ λειτουργία των γραμμικϊν και αςκενϊσ μθ γραμμικϊν ςυςτθμάτων μπορεί να περιγραφεί με τθ βοικεια παραμζτρων που μετρϊνται ςτισ κφρεσ του ςυςτιματοσ(n κφρεσ εν γζνει), χωρίσ να υπάρχει ανάγκθ γνϊςθσ των περιεχομζνων του ςυςτιματοσ. Ειδικότερα οι S-παράμετροι χρθςιμοποιοφνται ςτθ ςχεδίαςθ μικροκυματικϊν ςυςτθμάτων, διότι μποροφν πιο εφκολα να μετρθκοφν ςε ςυνκικεσ υψθλϊν ςυχνοτιτων λειτουργίασ απ ότι άλλεσ παράμετροι[3]. Θ μζτρθςθ των περιςςοτζρων από τισ άλλεσ παραμζτρουσ απαιτεί τθν βραχυκφκλωςθ και ανοικτοκφκλωςθ των κυρϊν ειςόδου και εξόδου του ςυςτιματοσ, κάτι το οποίο είναι πολφ δφςκολο να γίνει ςτισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ, κακϊσ είναι πολφ δφςκολο να παράγουμε ακριβι βραχυκυκλϊματα και ανοικτά κυκλϊματα ςε αυτζσ τισ ςυχνότθτεσ λόγω των παραςιτικϊν επιδράςεων. Οι παράμετροι S από τθν άλλθ μεριά, μετρϊνται με τθ χριςθ αντιςτάςεων ςτθν πθγι και το φορτίο, πράγμα που ικανοποιεί τισ ανάγκεσ προςαρμογισ για λειτουργία ςε υψθλζσ ςυχνότθτεσ. Αντίκετα, τυχόν βραχυκφκλωςθ ι ανοικτοκφκλωςθ μιασ εκ των κυρϊν του ςυςτιματοσ μπορεί να οδθγιςει ςε ταλαντϊςεισ. Πςο αφορά τα δίκυρα δίκτυα οι πιο ςυνθκιςμζνεσ παράμετροι περιγραφισ του δικτφου είναι οι παράμετροι Θ,Υ και Η. Ραρακάτω φαίνεται ζνα δίκυρο δίκτυο με τισ τάςεισ και τα ρεφματα ςτισ κφρεσ του. Οι παράμετροι H,Y και Η ορίηονται ωσ εξισ: Εικόνα 2.1: Δίθυρο δίκτυο Θ μόνθ διαφορά μεταξφ των ανωτζρων παραμζτρων είναι ςτθν επιλογι των ανεξάρτθτων και εξαρτθμζνων μεταβλθτϊν κάκε φορά. Εάν επικυμεί κανείσ να μετριςεισ κάποιεσ από τισ παραμζτρουσ αυτζσ, δεν ζχει παρά να ανοικτοκυκλϊςει ι να βραχυκυκλϊςει τθν αντίςτοιχθ κφρα και να προχωριςει ςτθν μζτρθςθ ςτθν άλλθ κφρα. Για παράδειγμα, ο υπολογιςμόσ τθσ παραμζτρου γίνεται βραχυκυκλϊνοντασ τθ κφρα εξόδου του δίκυρου: [13]

14 οπότε θ είναι ςε αυτι τθν περίπτωςθ θ αντίςταςθ ειςόδου του κυκλϊματοσ, που προκφπτει από τθν βραχυκφκλωςθ τθσ εξόδου. Στισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ ωςτόςο, οι ολικζσ τιμζσ των τάςεων και των ρευμάτων δεν επαρκοφν για τον χαρακτθριςμό των δικτφων. Το φυςικό μζγεκοσ ςε αυτιν τθν περίπτωςθ είναι τα οδεφοντα κφματα. Εικόνα 2.2: Προςπίπτων και ανακλϊμενο κφμα Στο ςχιμα φαίνεται θ περίπτωςθ μιασ πθγισ ιςχφοσ με εςωτερικι αντίςταςθ, θ οποία μεταφζρει ςιμα ςε ζνα φορτίο μζςω των γραμμϊν μεταφοράσ. Ζνα μζροσ του κφματοσ προςπίπτει ςτο φορτίο ανακλάται πίςω ςτθν πθγι όπου εάν ( είναι θ χαρακτθριςτικι αντίςταςθ τθσ γραμμισ μεταφοράσ), μζροσ του κφματοσ ανακλάται πάλι πίςω ςτο φορτίο και ζτςι δθμιουργοφνται ςτάςιμα κφματα. Συνικωσ ςτισ γραμμζσ μεταφοράσ κεωρείται ότι θ χαρακτθριςτικι αντίςταςθ ζχει τιμι 50Ω. Θ τιμι τθσ τάςθσ ςε κάποιο ςθμείο τθσ γραμμισ μεταφοράσ είναι το άκροιςμα του προςπίπτοντοσ και του ανακλϊμενου κφματοσ: Εάν τϊρα παρεμβλθκεί ζνα δίκυρο δίκτυο, κα προκφψουν οδεφοντα κφματα από/προσ και τισ δφο κφρεσ του δικτφου. Εικόνα 2.3: Προςπίπτων και ανακλϊμενο κφμα ςε δίθυρο δίκτυο Εδϊ για παράδειγμα το προκφπτει από το μζροσ εκείνο του που ανακλάται από τθ κφρα εξόδου, κακϊσ και από το μζροσ του που περνά μζςα από το δίκτυο. Αντίςτοιχα ιςχφουν και για τα άλλα μεγζκθ. Ζτςι: [14]

15 Με βάςθ τα ανωτζρω ορίηονται οι ακόλουκεσ μεταβλθτζσ: Οι νζεσ αυτζσ μεταβλθτζσ αναφζρονται πλζον ςε οδεφοντα κφματα και όχι ολικζσ τάςεισ και ρεφματα και μποροφν να ςυνδεκοφν μεταξφ τουσ μζςω των S-παραμζτρων: Θ μζτρθςθ των S-παραμζτρων γίνεται με τρόπο ανάλογο των υπολοίπων παραμζτρων. Για παράδειγμα θ μζτρθςθ τθσ γίνεται κζτοντασ =0. Μθδενιςμόσ τθσ ςθμαίνει μθδενιςμόσ του και κατά ςυνζπεια ςθμαίνει ότι το προςπίπτων κφμα ςτο φορτίο απορροφάται εντελϊσ. Για να επιτευχκεί αυτό, θ κφρα εξόδου τερματίηεται με φορτίο ίςθσ τιμισ με τθ χαρακτθριςτικι αντίςταςθ τθσ γραμμισ μεταφοράσ. Ανάλογεσ διαδικαςίεσ εφαρμόηονται και για τον υπολογιςμό των υπολοίπων S-παραμζτρων. Ζτςι ο είναι ο ςυντελεςτισ ανάκλαςθσ ςτθν είςοδο όταν =, ο είναι ο ςυντελεςτισ ανάκλαςθσ ςτθν ζξοδο όταν, ο είναι το κζρδοσ μεταφοράσ κατά τθν ορκι φορά όταν =, ο είναι το κζρδοσ μεταφοράσ κατά τθν ανάςτροφθ φορά όταν =. Οι ςυντελεςτζσ και ςυνδζονται άμεςα με τισ αντιςτάςεισ ειςόδου και εξόδου του δικφρου. Ζχουμε:,όπου θ αντίςταςθ ειςόδου ςτθ κφρα 1. Θ ανωτζρω ςχζςθ μεταξφ ςυντελεςτι ανάκλαςθ και αντίςταςθσ είναι θ βάςθ τθσ δθμιουργίασ του χάρτθ Smith που κα αναλυκεί παρακάτω. [15]

16 Ραράμετροσ Συντελεςτισ ανάκλαςθσ κατά τθν ορκι φορά(προςαρμογι ειςόδου) Συντελεςτισ ανάκλαςθσ κατά τθν ανάςτροφθ φορά (προςαρμογι εξόδου) Συντελεςτισ διάδοςθσ κατά τθν ορκι φορά(κζρδοσ ι απϊλειεσ) Συντελεςτισ διάδοςθσ κατά τθν ανάςτροφθ φορά(απομόνωςθ) [16]

17 2.2 Φϊρτησ Smith Ζνα βαςικό εργαλείο, που χρθςιμοποιείται τόςο ςτθν ανάλυςθ και ςτθ ςχεδίαςθ, όςο και ςτισ μετριςεισ μικροκυματικϊν ςτοιχείων και κυκλωμάτων, είναι το διάγραμμα Smith. Στισ αρχζσ τθσ δεκαετίασ του 1930, ο Phillip Smith, μθχανικόσ των εργαςτθρίων Bell Lab, επινόθςε μία γραφικι μζκοδο για τθ λφςθ εξιςϊςεων που εμφανίηονται ςτθ μικροκυματικι κεωρία πολφ ςυχνά[4]. Εξιςϊςεισ όπωσ αυτι του ςυντελεςτι ανακλάςεωσ Γ = ( Η-1 ) / ( Η+1 ). Εφόςον όλα τα μεγζκθ ςε αυτιν τθν εξίςωςθ παίρνουν μιγαδικζσ τιμζσ, το πρόβλθμα επίλυςθσ τθσ μειϊνεται χρθςιμοποιϊντασ το γραφικό τρόπο του Smith. Ο τίτλοσ Smith Chart (διάγραμμα smith) λοιπόν, ιταν θ φυςικι κατάλθξθ για αυτιν τθν τεχνικι. Το διάγραμμα είναι ουςιαςτικά θ απεικόνιςθ δφο επιπζδων, τθσ ςφνκετθσ αντίςταςθσ (Η) και του ςυντελεςτι ανάκλαςθσ (Γ). Γνωρίηουμε το επίπεδο τθσ ςφνκετθσ αντίςταςθσ, ζνα ορκογϊνιο επίπεδο με άξονεσ το πραγματικό και το φανταςτικό μζροσ τθσ αντίςταςθσ. Κάκε αντίςταςθ μπορεί να απεικονιςκεί ςε αυτό το επίπεδο. Στθ ςυγκεκριμζνθ περίπτωςθ, κανονικοποιοφμε το επίπεδο ωσ προσ τθ χαρακτθριςτικι αντίςταςθ (Η 0 ) Εικόνα 2.4: (α),(β) Επίπεδο ςφνθετησ αντίςταςησ, (γ) Επίπεδο ςυντελεςτή ανάκλαςησ Ασ επιλζξουμε λίγεσ τιμζσ ςτο κανονικοποιθμζνο επίπεδο, για να διαπιςτϊςουμε πϊσ απεικονίηονται ςτο επίπεδο του ςυντελεςτι ανάκλαςθσ Γ. Για z=1: ςε ζνα ςφςτθμα των 50Ω (δθλ. Η 0 =50Ω),αυτό ςθμαίνει Η=50Ω. Για τθν τιμι αυτι, είναι Γ = 0, το κζντρο του επιπζδου Γ. Δίνοντασ ςτο z μία τιμι κακαρά φανταςτικι ( π.χ. z=jx, όπου το χ μπορεί να είναι οποιοςδιποτε πραγματικόσ αρικμόσ ), το Γ γίνεται Γ = (jx- 1) / (jx+1), Γ =1 και θ φάςθ του μεταβάλλεται από 0 ζωσ 360 μοίρεσ. Θ απεικόνιςθ του ςτο επίπεδο του Γ είναι ζνασ κφκλοσ. Για κετικι αντίδραςθ, κετικό jx, θ ςφνκετθ αντίςταςθ αντιςτοιχίηεται ςτο πάνω θμικφκλιο. Για αρνθτικι αντίδραςθ, αρνθτικό jx, θ αντίςταςθ αντιςτοιχίηεται ςτο κάτω θμικφκλιο. Θ περιοχι πάνω από τον οριηόντιο άξονα είναι επαγωγικι και κάτω από τον άξονα, χωρθτικι. Τϊρα, ασ αςχολθκοφμε με κάποιεσ άλλεσ τιμζσ τθσ ςφνκετθσ αντίςταςθσ. Μία ςτακερι αντίςταςθ, δθλ. μία κατακόρυφθ γραμμι που περνάει από το ςθμείο z=1 του πραγματικοφ άξονα, απεικονίηεται με ζνα κφκλο ςτο επίπεδο του ςυντελεςτι ανάκλαςθσ. Το επάνω θμικφκλιο αναπαριςτά ςφνκετθ αντίςταςθ 1+jx, που είναι επαγωγικι και το κάτω, ομοίωσ, 1-jx, που είναι χωρθτικι. [17]

18 Εικόνα 2.5: Επίπεδο ςφνθετησ αντίςταςησ και Επίπεδο ςυντελεςτή ανάκλαςησ Θ ευκεία r+j1, επίςθσ, αντιςτοιχεί ςε ζνα κφκλο ςτο επίπεδο του Γ. Κακϊσ πλθςιάηουμε το φανταςτικό άξονα, ο Γ προςεγγίηει το μοναδιαίο κφκλο. Ρερνϊντασ το φανταςτικό άξονα, ο κφκλοσ ξεπερνάει τα όρια του μοναδιαίου κφκλου. Αν πάρουμε τθν τιμι z=-1, ο Γ =. Πταν z < 1 και είναι πραγματικόσ αρικμόσ, κινοφμαςτε προσ το μοναδιαίο κφκλο. Πταν το πραγματικό μζροσ του z είναι αρνθτικόσ αρικμόσ, ο ςυντελεςτισ Γ κινείται ςε αυτόν τον κφκλο αόριςτθσ ακτίνασ. Ολόκλθρθ θ περιοχι ζξω από το μοναδιαίο κφκλο αναπαριςτά ςφνκετεσ αντιςτάςεισ με αρνθτικό πραγματικό μζροσ, γεγονόσ που χρθςιμοποιείται ςτθν περίπτωςθ των τρανηίςτορ και άλλων ενεργϊν διατάξεων, που ςυχνά ζχουν τζτοιου είδουσ αντιςτάςεισ. Στο επίπεδο τθσ ςφνκετθσ αντίςταςθσ, οι ευκείεσ ςτακερισ αντίςταςθσ και αντίδραςθσ τζμνονται. Το ίδιο ςυμβαίνει και ςτο επίπεδο του Γ. Ανάμεςα ςτα δφο επίπεδα υπάρχει μία ζνα προσ ζνα αντιςτοίχθςθ. Το διάγραμμα Smith μπορεί να ολοκλθρωκεί με τθν προςκικθ και άλλων κφκλων ςτακερισ αντίςταςθσ και αντίδραςθσ και παίρνει τθν ακόλουκθ μορφι. Εικόνα 2.6: Διάγραμμα Smith [18]

19 2.3 Γραμμϋσ μεταφορϊσ Με τον όρο γραμμι μεταφοράσ αναφερόμαςτε καταρχιν ςε οποιοδιποτε ςφςτθμα αγωγϊν, διθλεκτρικϊν ι ςυνδυαςμϊν τουσ, που μπορεί να χρθςιμοποιθκεί για τθ μεταφορά θλεκτρομαγνθτικισ ενζργειασ από ζνα ςθμείο του κυκλϊματοσ ςε ζνα άλλο[2]. Συνικωσ ςτισ διατάξεισ αυτζσ επιδιϊκεται και θ ελαχιςτοποίθςθ των απωλειϊν κερμότθτασ και ακτινοβολίασ, ϊςτε θ μεταφορά ενζργειασ να γίνεται με τον υψθλότερο δυνατό ρυκμό απόδοςθσ. Σχεδόν πάντα όμωσ, ιδιαίτερα ςε τθλεπικοινωνιακζσ εφαρμογζσ, υπονοείται ταυτόχρονα ότι το μικοσ τθσ γραμμισ είναι ςυγκρίςιμο προσ το μικοσ κφματοσ ι και μεγαλφτερο, με αποτζλεςμα τθν εμφάνιςθ ςε αυτιν κυματικϊν φαινομζνων. Για παράδειγμα, ανάλογα με το φορτίο ςτο οποίο τερματίηεται θ γραμμι μεταφοράσ ζχουμε παρουςία τόςο οδεφοντοσ προσ το φορτίο κφματοσ όςο και ανακλϊμενου από αυτό. Επίςθσ ςε περιπτϊςεισ αςυνεχειϊν ςτθ δομι τθσ γραμμισ μεταφοράσ είναι δυνατό να ζχουμε και παρουςία ςυνκετότερων κυματικϊν μορφϊν. Ζτςι για τθν περιγραφι των γραμμϊν μεταφοράσ δεν αρκεί θ απλι κυκλωματικι ανάλυςθ, αλλά απαιτοφνται και ςτοιχεία από τθν θλεκτρομαγνθτικι κεωρία. Γενικά μια γραμμι μεταφοράσ μπορεί να παρουςιάηει μεταβολι τθσ γεωμετρικισ τθσ δομισ κατά μικοσ τθσ. Συνικωσ όμωσ ζχουμε να κάνουμε με ομοιόμορφεσ γραμμζσ μεταφοράσ, με τθν ζννοια ότι θ διατομι τθσ γραμμισ παραμζνει αμετάβλθτθ ςε όλο το μικοσ τθσ. Οι γραμμζσ μεταφοράσ διακρίνονται ςε δφο μεγάλεσ κατθγορίεσ: (α) ςτισ γραμμζσ εκείνεσ που υποςτθρίηουν τθ διάδοςθ εγκάρςιων θλεκτρομαγνθτικϊν κυμάτων(τεμ) ι κυμάτων που παρουςιάηουν παρόμοια ςυμπεριφορά κατά τθ διάδοςθ τουσ με ΤΕΜ και (β)ςτισ γραμμζσ εκείνεσ που επιτρζπουν τθ διάδοςθ κυμάτων που δεν είναι ΤΕΜ. Στθν πρϊτθ κατθγορία αναφερόμαςτε ςε ρυκμοφσ ΤΕΜ και ςε αυτι ανικουν γραμμζσ που αποτελοφνται από δφο αγωγοφσ και ενιαίο ομογενζσ διθλεκτρικό(όπωσ το ομοαξονικό καλϊδιο), θ διςφρματθ γραμμι(two wire line), θ γραμμι παραλλιλων πλακϊν(parallel plate line) και θ γραμμι ταινίασ(stipline). Αυτζσ οι γραμμζσ μεταφοράσ υποςτθρίηουν τθν μεταφορά ΤΕΜ. Ραρόμοια ςυμπεριφορά με αυτζσ τισ γραμμζσ ΤΕΜ παρουςιάηει μία άλλθ ομάδα γραμμϊν μεταφοράσ δφο αγωγϊν ςτισ οποίεσ το διθλεκτρικό ςτθ διατομι δεν είναι ομογενζσ όπωσ θ μονωμζνθ διςφρματθ γραμμι, θ μικροταινία(microstrip), θ γραμμι εγκοπισ(slotline) ι ο ομοεπίπεδοσ κυματοδθγόσ(coplanar waveguide). Σε αυτι τθν κατθγορία είναι δυνατι θ διάδοςθ κυμάτων οποιαςδιποτε ςυχνότθτασ. Οι γραμμζσ μεταφοράσ τθσ δεφτερθσ κατθγορίασ αποτελοφνται από ζνα αγωγό, δεν υπάρχει δθλαδι ςαφισ οδόσ επιςτροφισ του ρεφματοσ. Τζτοιεσ γραμμζσ λοιπόν δεν μποροφν να λειτουργιςουν ςε χαμθλζσ ςυχνότθτεσ ι ςτο DC. Σε υψθλότερεσ ςυχνότθτεσ όμωσ, πάνω από κάποιο όριο εκδθλϊνονται κυματικά φαινόμενα, όχι μόνο κατά το μικοσ τουσ αλλά και κατά τθ διατομι τουσ. Ζτςι είναι δυνατό να υπάρξει οδθγοφμενο κφμα, που δεν μοιάηει κακόλου όμωσ με ΤΕΜ. Τζτοιεσ γραμμζσ υποςτθρίηουν μόνο ρυκμοφσ ανϊτερθσ τάξθσ, δθλαδι κυματικζσ μορφζσ πιο περίπλοκεσ από το ΤΕΜ, ενϊ θ διάδοςθ είναι δυνατι μόνο για ςυχνότθτεσ μεγαλφτερεσ από κάποια ςυχνότθτα αποκοπισ. Τζτοια γραμμι μεταφοράσ είναι ο μεταλλικόσ κυματοδθγόσ, ςυνικωσ ορκογϊνιασ ι κυκλικισ διατομισ. [19]

20 Εικόνα 2.7: Σφποι γραμμϊν μεταφοράσ Θεωρύα γραμμών μεταφορϊσ Θ ςθμειογραφία που χρθςιμοποιείται είναι ςθμαντικι και κα ςυμβολίηεται με το μεταδιδόμενο και με το ανακλϊμενο κφμα, ζτςι ϊςτε να περιγράφονται από τισ παρακάτω εξιςϊςεισ[4]: Το μεταδιδόμενο κφμα είναι το πραγματικό μζροσ τθσ εκκετικισ ςυνάρτθςθσ, που είναι ζνα θμιτονοειδζσ οδεφον κφμα. Αυτά τα κφματα παρουςιάηουν γραμμικι μεταβολι ςτθ φάςθ ίδιασ μορφισ, τόςο ςτο χρόνο όςο και ςτο χϊρο. Θ φάςθ μεταβάλλεται με το χρόνο, εξαιτίασ τθσ ςυχνότθτασ ωt και ςτο χϊρο, λόγω του ςυντελεςτι διάδοςθσ βz. Να ςθμειωκεί ότι βάςει ςφμβαςθσ, το ευκφ κφμα είναι το - βz και το ανάςτροφο το +βz. Είναι ςθμαντικό να γνωρίηουμε τθν τάςθ και το ρεφμα ςε κάκε ςθμείο τθσ γραμμισ μεταφοράσ. Στθν παρακάτω εξίςωςθ, θ τάςθ ενόσ ςθμείου είναι το διανυςματικό άκροιςμα των μεταδιδόμενων και των ανακλϊμενων κυμάτων: Ομοίωσ προςκζτονται και τα ρεφματα. Ρρζπει να ςθμειωκεί ότι ορίηουμε ςα κετικι φορά του ρεφματοσ αυτιν του μεταδιδόμενου. Οπότε, το άκροιςμα των ρευμάτων είναι θ αφαίρεςθ του ανακλϊμενου από το μεταδιδόμενο: Σφμφωνα με τουσ παραπάνω οριςμοφσ, μποροφμε να εξάγουμε εκφράςεισ για το ςυντελεςτι ανάκλαςθσ ενόσ φορτιοφ ςτο τζλοσ μιασ γραμμισ μεταφοράσ με χαρακτθριςτικι αντίςταςθ Z 0, ςυναρτιςει του και του. Στο ςχιμα, βλζπουμε αυτιν τθν περίπτωςθ, όπου ο ςυντελεςτισ ανάκλαςθσ ρ, είναι ο λόγοσ του ανακλϊμενου προσ το μεταδιδόμενο κφμα : [20]

21 Εικόνα 2.8: υντελεςτήσ ανάκλαςησ φορτίου ZL Ιςχφει ότι: και θ αντίςταςθ Z L είναι ο λόγοσ τθσ ςυνολικισ τάςθσ προσ το ςυνολικό ρεφμα: Αν διαιρζςουμε με το V + για να κανονικοποιιςουμε τθν εξίςωςθ ωσ προσ το μεταδιδόμενο κφμα, τότε: και κακϊσ ζχουμε: [21]

22 ι μποροφμε να γράψουμε: Αν =, τότε ρ = 0, δθλαδι δεν υπάρχει ανακλϊμενο κφμα. Με άλλα λόγια, όλθ θ ιςχφσ απορροφάται από το φορτίο. Αν Z L = O / C (open circuit), ρ = 1 και αν Z L = 0, ρ= -1 (π.χ ). Oι εξιςϊςεισ τάςθσ και ρεφματοσ κατά μικοσ μιασ γραμμισ μεταφοράσ ορίηονται για να κάνουν δυνατό τον υπολογιςμό τθσ χαρακτθριςτικισ αντίςταςθσ τθσ γραμμισ και τθσ μεταβολισ τθσ ςφνκετθσ αντίςταςθσ κατά μικοσ τθσ γραμμισ, όταν αυτι τερματίηεται ςε αυκαίρετθ αντίςταςθ Κυκλωματικό προςϋγγιςη γραμμών μεταφορϊσ Οι γραμμζσ μεταφοράσ είναι πλιρωσ διανεμθμζνα κυκλϊματα με ςθμαντικζσ παραμζτρουσ, όπωσ θ επαγωγι ανά μονάδα μικουσ, θ χωρθτικότθτα ανά μονάδα μικουσ, θ ταχφτθτα και θ χαρακτθριςτικι ςφνκετθ αντίςταςθ[4]. Σε RF ςυχνότθτεσ, θ επίδραςθ μεγαλφτερθσ τάξθσ του εγκάρςιου κφματοσ και του διαμικουσ μπορεί να αγνοθκεί για καλϊδια των οποίων θ διάμετροσ είναι μικρότερθ από λ / 10. Γι αυτό τζτοια καλϊδια μποροφν να μοντελοποιθκοφν ςα διαδοχικοί τομείσ μικρϊν ςτοιχείων επαγωγισ και χωρθτικότθτασ. Οι μεταβολζσ τθσ τάςθσ και του ρεφματοσ κατά μικοσ τθσ γραμμισ υπακοφουν ςτισ γνωςτζσ εξιςϊςεισ των κυκλωμάτων για ρεφματα και τάςεισ ςε πθνία και πυκνωτζσ: και: Πταν ζχουμε γραμμζσ μεταφοράσ, εκφράηονται ςαν μερικά διαφορικά γιατί τόςο οι τάςεισ, όςο και τα ρεφματα μεταβάλλονται ςτο χϊρο και το χρόνο. Ραραδείγματα γραμμισ μεταφοράσ, φαίνονται ςτο παρακάτω ςχιμα: Εικόνα 2.9: Μοντζλο γραμμήσ μεταφοράσ [22]

23 Ραραγωγίηοντασ τθ δεφτερθ εξίςωςθ ωσ προσ t ζχουμε: Ραραγωγίηοντασ τθν τελευταία ωσ προσ z ζχουμε: αντικακιςτϊντασ: Οι λφςεισ αυτϊν των εξιςϊςεων είναι κυματικζσ εξιςϊςεισ, δεδομζνθσ μορφισ, όπου θ ταχφτθτα v είναι: Οι γενικζσ λφςεισ είναι τθσ μορφισ μεταδιδόμενου και ανάςτροφου κφματοσ (forward and reverse wave): [23]

24 Θ ςυνικθσ λφςθ είναι θμιτονοειδισ, τθσ μορφισ: όπου το β είναι ο ςυντελεςτισ μετάδοςθσ: για να υπολογίςουμε το ρεφμα: κακϊσ: και τελικά: Φαρακτηριςτικό ςύνθετη αντύςταςη Θ χαρακτθριςτικι ςφνκετθ αντίςταςθ είναι μία ςθμαντικι παράμετροσ των γραμμϊν μεταφοράσ. Είναι θ ςφνκετθ αντίςταςθ που κα φαινόταν αν μία τάςθ εφαρμοηόταν ςε γραμμι απεριόριςτου μικουσ, χωρίσ απϊλειεσ[4]. Ακόμθ, αν αυτι θ γραμμι τερματιςτεί ςε αυτιν τθν αντίςταςθ, θ αντίςταςθ είναι ανεξάρτθτθ του μικουσ, κακϊσ δεν υπάρχει ανακλϊμενο κφμα (ρ = 0). Οπότε θ χαρακτθριςτικι αντίςταςθ είναι: όπωσ και πριν, το δθλϊνει το μεταδιδόμενο κφμα και το το ανακλϊμενο, δθλαδι ζχουμε: [24]

25 οπότε θ χαρακτθριςτικι αντίςταςθ γίνεται: και τελικά λόγω των ςχζςθσ: ζχουμε: Ρρζπει να ςθμειωκεί ότι θ ςφνκετθ αντίςταςθ κατά μικοσ τθσ γραμμισ μεταβάλλεται αν υπάρχει μεταδιδόμενο και ανακλϊμενο κφμα, εξαιτίασ τθσ διαφοράσ φάςθσ μεταξφ τουσ: Για τα περιςςότερα RF ςυςτιματα θ είναι είτε 50 είτε 75Ω. Για καταςτάςεισ χαμθλισ ιςχφοσ(όπωσ πχ θ καλωδιακι τθλεόραςθ) οι ομοαξονικζσ γραμμζσ μεταφοράσ βελτιςτοποιοφνται για τισ ελάχιςτεσ απϊλειεσ, που ςυμβαίνουν ςτα 75Ω(για ομοαξονικζσ γραμμζσ με αζρα για διθλεκτρικό). Στισ RF και μικροκυματικζσ επικοινωνίεσ, όπου ςυχνά ζχουμε υψθλι ιςχφ, οι ομοαξονικζσ γραμμζσ μεταφοράσ ςχεδιάηονται να ζχουν χαρακτθριςτικι αντίςταςθ 50Ω, που είναι ζνασ ςυμβιβαςμόσ μεταξφ μζγιςτθσ διαχείριςθσ ιςχφοσ(ςυμβαίνει ςτα 30Ω) και ελάχιςτων απωλειϊν Αντύςταςη γραμμόσ μεταφορϊσ μη τερματιςμϋνησ ςε Πταν υπάρχει ταυτόχρονα τόςο μεταδιδόμενο, όςο και ανακλϊμενο κφμα ςτθ γραμμι μεταφοράσ, θ αντίςταςθ ειςόδου μεταβάλλεται κατά μικοσ τθσ γραμμισ, ςφμφωνα με τον τφπο = / [4].. Ασ υποκζςουμε ότι ζχουμε μία γραμμι μεταφοράσ, χαρακτθριςτικισ αντίςταςθσ ςε αυκαίρετθ αντίςταςθ., μικουσ L, τερματιςμζνθ Εικόνα 2.10: Μεταβολή αντίςταςησ κατά μήκοσ γραμμήσ μεταφοράσ μη τερματιςμζνησ ςε [25]

26 Στο είναι = και =. Οπότε θ ςτθν είςοδο, όπου είναι: Ππου: και αφοφ ιςχφει: ζχουμε: Μη ιδανικϋσ γραμμϋσ Σε αυτιν τθν περίπτωςθ είναι: και: όπου ο ςυντελεςτισ διάδοςθσ γ είναι: [26]

27 2.3.6 Λόγοσ ςτϊςιμου κύματοσ(swr) Ο λόγοσ ςτάςιμου κφματοσ είναι ο λόγοσ τθσ μζγιςτθσ AC τάςθσ προσ τθν ελάχιςτθ AC τάςθ ςτθ γραμμι και ςυχνά αναφζρεται ςαν απϊλειεσ επιςτροφισ ςτο φορτίο. Για μία γραμμι τερματιςμζνθ ςτθ ο SWR είναι 1. Για ανοιχτό κφκλωμα ι βραχυκφκλωμα είναι αόριςτοσ κακϊσ το είναι υνόθεισ γραμμϋσ μεταφορϊσ ςτισ υψηλϋσ ςυχνότητεσ Στισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ οι γραμμζσ μεταφοράσ που ςυναντϊνται περιςςότερο είναι : 1. Το ομοαξονικό καλϊδιο 2. οι μεταλλικοί κυματοδθγοί 3. ο ομοεπίπεδοσ κυματοδθγόσ(coplanar waveguide) 4. θ μικροταινία(microstrip) Εικόνα 2.11: υνήθεισ γραμμζσ μεταφοράσ ςτισ υψηλζσ ςυχνότητεσ Ομοαξονικό καλώδιο Σφμφωνα με τισ εξιςϊςεισ που ιςχφουν για τισ γραμμζσ μεταφοράσ και εάν λάβουμε υπόψθ ότι θ χωρθτικότθτα ανά μονάδα μικουσ τθσ γραμμισ δίνεται από τθ ςχζςθ ζχουμε : [27]

28 Εικόνα 2.12: Ομοαξονικό καλϊδιο(διατομή και χαρακτηριςτική μορφή) Κυματοδηγόσ Αν και ωσ κυματοδθγό μποροφμε να χαρακτθρίςουμε υπό τθν ευρεία ζννοια, οποιοδιποτε ςφςτθμα αγωγϊν ι διθλεκτρικϊν που υποςτθρίηει τθ διάδοςθ θλεκτρομαγνθτικοφ κφματοσ, άρα και οποιαδιποτε γραμμι μεταφοράσ, θ ζννοια αυτι αναφζρεται ςε κλειςτοφσ μεταλλικοφσ αγωγοφσ, διατομι των οποίων είναι μπορεί να είναι ορκογωνικι, κυκλικι ι να ζχει και πιο πολφπλοκεσ μορφζσ[2]. Οι κυματοδθγοί ζχουν τα εξισ χαρακτθριςτικά: Ππωσ ζχει προαναφερκεί οι κυματοδθγοί επιτρζπουν τθ διάδοςθ ρυκμϊν ανϊτερθσ τάξθσ, αντίκετα προσ τθ γραμμζσ μεταφοράσ εκείνεσ που επιτρζπουν τθ διάδοςθ εγκαρςίων κυμάτων. Ενϊ ςτισ άλλεσ γραμμζσ μεταφοράσ είναι δυνατι θ διάδοςθ θλεκτρομαγνθτικϊν κυμάτων οποιαςδιποτε ςυχνότθτασ, ςτουσ κυματοδθγοφσ θ διάδοςθ είναι δυνατι μόνο όταν θ ςυχνότθτα του κφματοσ είναι μεγαλφτερθ από μία κατϊτατθ ςυχνότθτα που ονομάηεται ςυχνότθτα αποκοπισ. Στισ γραμμζσ μεταφοράσ θ ταχφτθτα διάδοςθσ του κφματοσ είναι ίςθ προσ τθ φαςικι ταχφτθτα διάδοςθσ του επίπεδου θλεκτρομαγνθτικοφ κφματοσ ςτο περιβάλλον τθ γραμμι μζςο. Αντίκετα, ςτουσ κυματοδθγοφσ τόςο θ φαςικι ταχφτθτα όςο και θ ταχφτθτα ομάδασ διαφζρουν από τθν ταχφτθτα διάδοςθσ του κφματοσ ςτο διθλεκτρικό μζςο του κυματοδθγοφ. Εικόνα 2.13: (α)κυματοδηγόσ ορθογωνικήσ διατομήσ και (β)τμήματα και εξαρτήματα κυματοδηγϊν [28]

29 2.4.3 Μικροταινύα Μία από τισ πλζον χρθςιμοποιοφμενεσ διατάξεισ γραμμϊν μεταφοράσ είναι θ μικροταινία(microstrip), κυρίωσ λόγω τθσ ευκολίασ καταςκευισ τθσ με τεχνικζσ φωτολικογραφίασ και ενςωμάτωςθσ τθσ ςε άλλα πακθτικά και ενεργά μικροκυματικά κυκλϊματα[2]. Ππωσ φαίνεται ςτθ φωτογραφία που ακολουκεί, ζνασ αγωγόσ πλάτουσ W και πάχουσ t, τυπϊνεται ςε μια λεπτι διθλεκτρικι πλάκα πλάτουσ d και ςχετικισ διθλεκτρικισ ςτακεράσ, θ οποία βρίςκεται πάνω από άπειρο αγϊγιμο επίπεδο. Ραρακάτω φαίνεται και ζνα γράφθμα των γραμμϊν του θλεκτρικοφ και μαγνθτικοφ πεδίου ςε αυτι. 2.5 Οριςμού μονϊδων decibel Εικόνα 2.14: Μικροταινία Οι μονάδεσ decibel εκφράηουν ςχετικά μεγζκθ. Αν και είναι το πλάτοσ ειςόδου και εξόδου ενόσ ενιςχυτι για παράδειγμα, τότε το κζρδοσ τάςθσ ςε db είναι : db Αν και είναι θ ιςχφσ ειςόδου και θ ιςχφσ εξόδου ενόσ ενιςχυτι, τότε το κζρδοσ ιςχφοσ ςε db είναι: db Αν P είναι θ ιςχφσ ςε Watt, τότε μπορεί να εκφραςτεί ςε dbw: dbw Αν P είναι θ ιςχφσ ςε mw, τότε μπορεί να εκφραςτεί ςε dbm: dbm [29]

30 Δθλαδι τα dbw και dbm εκφράηουν ιςχφ ςε ςχζςθ με το 1 Watt ι το 1mW αντίςτοιχα. Θ ιςχφσ ενόσ ςιματοσ πλάτουσ V ι μιασ πλευρικισ V ωσ προσ το φζρον μπορεί να εκφραςτεί ςε dbc: dbc [30]

31 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΣΡΗΣΙΚΟ ΕΞΟΠΛΙΜΟ ΓΙΑ RF ΜΕΣΡΗΕΙ 3.1 Μετρητϋσ ιςχύοσ(power meters) Οι μετρθτζσ ιςχφοσ παρζχουν τθν πιο ακριβι μζτρθςθ τθσ ιςχφοσ από οποιοδιποτε άλλο όργανο RF μετριςεων[1]. Οι μετρθτζσ ιςχφοσ μποροφν να ςυναντθκοφν ςαν αυτόνομα όργανα ι ενςωματωμζνοι ςε άλλα όργανα, όπωσ γεννιτριεσ ςθμάτων, μετρθτζσ ςυχνότθτασ και αναλυτζσ φάςματοσ. Οι μετρθτζσ ιςχφοσ δεν παρζχουν καμία πλθροφορία για τθν κατανομι τθσ ιςχφοσ ςε ςχζςθ με τθ ςυχνότθτα. Θ ιςχφσ που δείχνει το όργανο είναι ςυνολικι ιςχφσ που προκφπτει ςε αυτό. Εάν ζχουμε ςιμα μίασ ςυχνότθτασ, ο μετρθτισ ιςχφοσ δείχνει τθν ιςχφ του. Εάν όμωσ είναι παρόντα πολλαπλά ςιματα διαφόρων ςυχνοτιτων, τότε ο μετρθτισ ιςχφοσ δείχνει τθ ςυνολικι RF ιςχφ όλων των ςθμάτων. Εν ολίγοισ ο μετρθτισ ιςχφοσ ςτισ RF ςυχνότθτεσ αντιςτοιχεί ςε ζνα βολτόμετρο ςε DC μετριςεισ. Οι μετρθτζσ ιςχφοσ αποτελοφνται από δφο μζρθ: 1. Αιςκθτιρεσ(sensors) οι οποίοι μετατρζπουν τθν RF ιςχφ ςε θλεκτρικι τάςθ, θ οποία είναι ανάλογθ με τθν RF ιςχφ. 2. Τθν κυρίωσ μονάδα του μετρθτι ιςχφοσ, θ οποία αναλφει τθν θλεκτρικι τάςθ, υπολογίηει τθν RF ιςχφ ςτθν οποία αντιςτοιχεί και εν ςυνεχεία δείχνει τθν ιςχφ αυτι. Εικόνα 3.1: RF Μετρητήσ ιςχφοσ Αιςθητόρεσ μετρητών ιςχύοσ Ο πιο ςυνθκιςμζνοσ αιςκθτιρασ που χρθςιμοποιείται ςτουσ μετρθτζσ ιςχφοσ ςτισ RF ςυχνότθτεσ είναι θ δίοδοσ Schottky. Θ δίοδοσ Schottky είναι παρόμοια με μία ζνωςθ pn, με τθ διαφορά όμωσ ότι θ p-περιοχι ζχει αντικαταςτακεί από ζναν αγωγό. Ππωσ και θ ζνωςθ pn, ζτςι και θ δίοδοσ Schottky λειτουργεί ςαν ανορκωτισ, αλλά ξεκινάει να άγει μόνον όταν θ εφαρμοηόμενθ τάςθ γίνει κετικι, ενϊ ςτθν ζνωςθ pn θ τάςθ πρζπει να είναι τουλάχιςτον 0.6 Volt για να ξεκινιςει να άγει. Θ ανορκωτικι λειτουργία τθσ διόδου μετατρζπει το RF ςιμα ςε μία ςειρά από κετικά μζρθ(μιςά) του RF κφματοσ, τα οποία όταν εφαρμοςτοφν ςε ζνα πυκνωτι, δίνουν DC τάςθ που είναι ανάλογθ ςτθν RF ιςχφ. Ραρακάτω φαίνονται τα χαρακτθριςτικά διαγράμματα μιασ διόδου Schottky. [31]

32 Εικόνα 3.2: Χαρακτηριςτικά διαγράμματα διόδου Shottky Ππωσ φαίνεται από τα διαγράμματα, αρχικά θ τάςθ εξόδου μεταβάλλεται γραμμικά ςε ςχζςθ με τθν RF ιςχφ ειςόδου. Αυτό ονομάηεται περιοχι λειτουργίασ «νόμου τετραγϊνων». Πταν θ ιςχφσ ειςόδου όμωσ γίνει -20dBm, θ χαρακτθριςτικι τθσ διόδου α ςταματάει να είναι γραμμικι. Σε ιςχφ ειςόδου μεγαλφτερθ από τα +20 dbm θ δίοδοσ καταςτρζφεται, ενϊ ςτα -70 dbm το ανορκωμζνο RF ςιμα κα χακεί ςτο κόρυβο τθσ διόδου. Ζτςι λοιπόν το εφροσ των μετριςεων ιςχφοσ είναι από -70 dbm ζωσ +20 dbm. Οι περιςςότεροι μετρθτζσ ιςχφοσ χρθςιμοποιοφν αιςκθτιρεσ διόδου Schottky ςε ςυνδυαςμό με αντιςτάςεισ, οφτωσ ϊςτε το ςιμα ειςόδου να εξαςκενεί ςε επίπεδα κάτω των -20 dbm και θ δίοδοσ να παραμζνει ςτθ γραμμικι τθσ λειτουργία. Με αυτό τον τρόπο ο αιςκθτιρασ μπορεί να μετριςει επίπεδα ιςχφοσ ζωσ τα +40 dbm. Εάν κζλουμε ακόμα μεγαλφτερα επίπεδα ιςχφοσ μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν εξωτερικοί εξαςκενθτζσ πριν από τον αιςκθτιρα. Κάκε δίοδοσ Schottky ζχει ελαφρϊσ διαφορετικι ευαιςκθςία που προζρχεται από τθν καταςκευι. Επίςθσ θ ευαιςκθςία μεταβάλλεται με τα επίπεδα ιςχφοσ, τθν κερμοκραςία και το εφροσ του RF ςιματοσ που εφαρμόηεται. Εικόνα 3.3: Αιςθητήρασ μετρητή ιςχφοσ [32]

33 3.1.2 Κυρύωσ μονϊδα μετρητό ιςχύοσ(power meter unit) Τα ςιματα από τουσ αιςκθτιρεσ μεταφζρονται ςτθν κυρίωσ μονάδα του μετρθτι ιςχφοσ με ειδικά κωρακιςμζνα καλϊδια, όπου όπωσ προαναφζρκθκε γίνεται θ μετατροπι τθσ DC τάςθσ ςτθν ιςχφ τθν οποία αντιςτοιχεί. Εάν ο μετρθτισ ιςχφοσ διακζτει δφο κφρεσ ειςόδου, τότε μποροφν να μετρθκοφν δφο διαφορετικά ςιματα ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, κατά τθν μζτρθςθ ενόσ ενιςχυτι, μπορεί να μετρθκεί ταυτόχρονα θ ιςχφσ ειςόδου και θ ιςχφσ εξόδου και το power meter να υπολογίςει και να εμφανίςει τθν αναλογία τθσ ιςχφοσ εξόδου προσ τθν ιςχφ ειςόδου. Ο μετρθτισ ιςχφοσ περιλαμβάνει επίςθσ μία πθγι αναφοράσ των 50MHz και 1mW, που χρθςιμοποιείται για να βακμονομεί τθν κυρίωσ μονάδα και τουσ αιςκθτιρεσ. Ρριν ξεκινιςουμε οποιαδιποτε μζτρθςθ, ο αιςκθτιρασ τοποκετείται ςτθν ζξοδο τθσ ιςχφοσ αναφοράσ και το όργανα βακμονομείται αυτόματα. Ζνα άλλο βιμα που γίνεται πριν από οποιαδιποτε μζτρθςθ είναι ο μθδενιςμόσ του αιςκθτιρα. Σε αυτό το βιμα όλα τα ςιματα ιςχφοσ απενεργοποιοφνται και οποιαδιποτε απόκλιςθ ςτο αιςκθτιρα λόγω μεταβολϊν τθσ κερμοκραςίασ διορκϊνεται. Αυτό το βιμα είναι πολφ ςθμαντικό όταν πρζπει να μετριςουμε ζνα ςιμα μικρισ ιςχφοσ, αμζςωσ μετά από τθ μζτρθςθ ενόσ ςιματοσ μεγάλθσ ιςχφοσ. Χωρίσ αυτό το βιμα, θ υπερκζρμανςθ του αιςκθτιρα λόγω τθσ ενζργειασ από το ςιμα μεγάλθσ ιςχφοσ, κα προςκζςει ςτθν ζνδειξθ του ςιματοσ χαμθλισ ιςχφοσ μια DC απόκλιςθ από τθν κανονικι ζνδειξθ. Οι μετρθτζσ ιςχφοσ μποροφν να κάνουν διάφορα είδθ μετριςεων ιςχφοσ, ςυμπεριλαμβανομζνων και μετριςεων τθσ μεταβολισ ιςχφοσ ςε ςχζςθ με το χρόνο. Μία άλλθ μζτρθςθ που μπορεί να γίνει είναι θ μζτρθςθ τθσ υψθλότερθσ(peak) ιςχφοσ ενόσ ςιματοσ. Σε αυτιν τθν περίπτωςθ ο χρόνοσ απόκριςθσ του αιςκθτιρα πρζπει να λθφκεί υπόψθ. 3.2 Αναλυτόσ φϊςματοσ (spectrum analyser) Ο αναλυτισ φάςματοσ είναι το όργανο που χρθςιμοποιείται για να μετριςει τθν ιςχφ εξόδου(πλάτοσ) ενόσ ςιματοσ ειςόδου ωσ προσ τθν ςυχνότθτα, ςε ζνα κακοριςμζνο εφροσ ςυχνοτιτων. Θ κφρια λειτουργία του είναι θ μζτρθςθ τθσ ιςχφοσ του φάςματοσ γνωςτϊν ι αγνϊςτων ςθμάτων. Τα ςιματα που μετριοφνται είναι κατά κφριο λόγο θλεκτρικά[1]. Θ οκόνθ του αναλυτι δείχνει τθν ςυχνότθτα ςτον οριηόντιο άξονα και το πλάτοσ ςτον κάκετο. Εξωτερικά μοιάηει με παλμογράφο. Με τον αναλυτι φάςματοσ μποροφν να γίνουν διαφόρων ειδϊν μετριςεισ. Αυτζσ περιλαμβάνουν ςυχνότθτεσ, ιςχφ, διαμόρφωςθ, παραμόρφωςθ και κόρυβο. Καταρχιν με ζναν αναλυτι δικτφου μποροφν να γίνουν αντιλθπτζσ και να μετρθκοφν οι ςυχνότθτεσ που υπάρχουν ςε ζνα ςφνκετο ςιμα ι οι ςυχνότθτεσ που προκφπτουν από μία διαμόρφωςθ. Θ μζτρθςθ τθσ ποιότθτασ μίασ διαμόρφωςθσ είναι ςθμαντικι για να διαπιςτωκεί αν ζνα ςφςτθμα λειτουργεί ςωςτά και εάν θ επικυμθτι πλθροφορία μεταδίδεται ςωςτά από το ςφςτθμα. Ραραδείγματα μετριςεων διαμόρφωςθσ είναι ο βακμόσ διαμόρφωςθσ(modulation degree), θ ποιότθτα διαμόρφωςθσ(modulation quality) και το απαςχολοφμενο εφροσ(occupied bandwidth). Στισ τθλεπικοινωνίεσ θ παραμόρφωςθ(distortion) είναι κρίςιμθ τόςο για τον πομπό, όςο και για τον δζκτθ. Ραραδείγματα μετριςεων παραμόρφωςθσ είναι θ μζτρθςθ των προϊόντων ενδοδιαμόρφωςθσ, θ μζτρθςθ των αρμονικϊν και θ μζτρθςθ των ανεπικφμθτων εκπομπϊν(spurious emissions). Τζλοσ, ςθμαντικζσ είναι και θ μετριςεισ κορφβου. Οποιοδιποτε ενεργό κφκλωμα κα δθμιουργιςει επιπλζον κόρυβο. Μετριςεισ όπωσ θ εικόνα κορφβου και ο ςθματοκορυβικόσ λόγοσ(snr) είναι αυτζσ που μασ δίνουν πλθροφορίεσ για το κόρυβο. [33]

34 Εικόνα 3.4: Αναλυτήσ φάςματοσ Σε αντίκεςθ με τουσ αναλυτζσ δικτφου που ζχουν ενςωματωμζνθ πθγι-γεννιτρια ςθμάτων, οι αναλυτζσ φάςματοσ πρζπει να ςυνδεκοφν με εξωτερικι γεννιτρια ςθμάτων Block διϊγραμμα αναλυτό φϊςματοσ Για να γίνει πιο κατανοθτι θ λειτουργία ενόσ αναλυτι φάςματοσ παρατίκεται το block διάγραμμα ενόσ τυπικοφ αναλυτι φάςματοσ[6]. Εικόνα 3.5: Μπλοκ διάγραμμα αναλυτή φάςματοσ Θ γενικι αρχι τθσ λειτουργίασ ενόσ αναλυτι φάςματοσ είναι θ εξισ: Το ςιμα που πρζπει να αναλυκεί τοποκετείται ςτθν είςοδο του αναλυτι. Αυτό το ςιμα εν ςυνεχεία ςυνδυάηεται με τον τοπικό ταλαντωτι μζςω του μίκτθ για να μετατραπεί ςε IF. Αυτά τα ςιματα ςτζλνονται ςτο IF φίλτρο, του οποίου θ ζξοδοσ ανιχνεφεται, δείχνοντασ τθν παρουςία ενόσ ςιματοσ ςτθν ρυκμιςμζνθ ςυχνότθτα του αναλυτι δικτφου. Θ τάςθ εξόδου του ανιχνευτι κακορίηει τον κάκετο άξονα ςτθν LCD οκόνθ. Θ γεννιτρια ςαρϊςεων παρζχει ςυγχρονιςμό μεταξφ του οριηοντίου άξονα και τθσ ρφκμιςθσ του τοπικοφ ταλαντωτι. Θ τελικι ζνδειξθ είναι το πλάτοσ (κάκετοσ άξονασ) ωσ προσ τθν ςυχνότθτα των φαςματικϊν περιεχομζνων κάκε ςιματοσ ειςόδου. [34]

35 3.2.2 Παρϊμετροι ελϋγχου του αναλυτό φϊςματοσ (control panel) Κεντρική ςυχνότητα και ζκταςη Πταν ρυκμίηουμε μία μζτρθςθ ςτον αναλυτι δικτφου, ο οριηόντιοσ άξονασ παριςτάνει τθν ζκταςθ ςυχνοτιτων. Θ κλίμακα για τον οριηόντιο άξονα κακορίηεται ειςάγοντασ τθν κεντρικι ςυχνότθτα που μασ ενδιαφζρει, κακϊσ και τθν ζκταςθ που κζλουμε να ςαρϊςει το όργανο. Εφροσ ανάλυςησ(resolution bandwidth) Το εφροσ τθσ ανάλυςθσ, δθλαδι το πλάτοσ του φίλτρου εφρουσ ανάλυςθσ, είναι ςτουσ αναλυτζσ φάςματοσ ρυκμιηόμενο. Θ ρφκμιςθ αυτι είναι ζνασ ςυμβιβαςμόσ μεταξφ ταχφτθτασ και λεπτομζρειασ. Ζνα ςτενό φίλτρο κα προκαλζςει μεγάλο χρόνο ςάρωςθσ. Ζτςι εάν πρόκειται να ςαρϊςουμε ςε ζνα μεγάλο εφροσ ςυχνοτιτων κα πρζπει το πλάτοσ του φίλτρου να είναι μεγάλο. Εφροσ video (video bandwidth) Στουσ αναλυτζσ φάςματοσ είναι δυνατι θ ρφκμιςθ και του φίλτρου εφρουσ video. Αυτό χρθςιμοποιείται για τθ διαδικαςία του averaging, αφοφ το ςιμα ζχει μετατραπεί ςε λογαρικμικι κλίμακα. 3.3 Διανυςματικόσ Αναλυτόσ δικτύου(vector Network Analyzer-VNA) Ο διανυςματικόσ αναλυτισ δικτφου είναι ζνα όργανο που μετράει τθν απόκριςθ RF εξαρτθμάτων ι δικτφων ςαν ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ ενόσ ςυνεχοφσ εφαρμοηόμενου μθ-διαμορφωμζνου RF ςιματοσ. Ο αναλυτισ δικτφου μετράει τθν απόκριςθ του δικτφου ανά μία ςυχνότθτα τθ φορά, αλλά μεταβάλει τθ ςυχνότθτα μζτρθςθσ ςε ζνα εφροσ ςυχνοτιτων πολφ γριγορα, κάνοντασ ζτςι εκατοντάδεσ μετριςεων μζςα ςε ζνα δευτερόλεπτο. Ο όροσ διανυςματικόσ καταδεικνφει το γεγονόσ ότι ο αναλυτισ δικτφου μετράει τόςο το πλάτοσ όςο και τθ φάςθ ενόσ RF ςιματοσ. Οι αναλυτζσ δικτφου ςυνδυάηουν μία εςωτερικι RF πθγι και ζναν ανιχνευτι(detector) για να μετριςουν τα RF εξαρτιματα. Θ ζξοδοσ ςτθν οκόνθ είναι είτε χαρακτθριςτικζσ ςε Χ-Υ άξονεσ, είτε πολικζσ απεικονίςεισ ι απεικονίςεισ ςε διάγραμμα Smith. Θ κφρια λειτουργία του αναλυτι δικτφου λοιπόν είναι θ μζτρθςθ των S- παραμζτρων ενόσ δικτφου. Επίςθσ με αναλυτι δικτφου μποροφν να γίνουν μετριςεισ προςαρμογισ, μετριςεισ φάςθσ και μετριςεισ κακυςτζρθςθσ ομάδασ(group delay). Τζλοσ μποροφν να γίνουν μετριςεισ ιςχφοσ (ιςχφσ εξόδου ςυναρτιςει ιςχφοσ ειςόδου, 1dB compression point). Εξαιτίασ του γεγονότοσ ότι οι αναλυτζσ δικτφου περιλαμβάνουν και εςωτερικι RF πθγι, είναι εξαιρετικά ακριβά όργανα. Εικόνα 3.6: Διανυςματικόσ αναλυτήσ δικτφου [35]

36 3.3.1 Block διϊγραμμα αναλυτό δικτύου Ραρακάτω παρατίκεται το block διάγραμμα ενόσ τυπικοφ αναλυτι δικτφου, για να γίνει κατανοθτόσ ο τρόποσ λειτουργίασ του[5]. Εικόνα 3.7: Μπλοκ διάγραμμα αναλυτή δικτφου Για να μπορζςει να μετρθκεί το προςπίπτων, το ανακλϊμενο και το διαδιδόμενο ςιμα απαιτοφνται τζςςερα τμιματα: Ρθγι για διζγερςθ Εξαρτιματα διαχωριςμοφ ςιματοσ Δζκτεσ οι οποίοι μετατρζπουν προσ τισ χαμθλζσ ςυχνότθτεσ και ανιχνεφουν τα ςιματα Επεξεργαςτι και οκόνθ για υπολογιςμό και προβολι των αποτελεςμάτων Ραρακάτω εξετάηονται αυτά τα μζρθ ζνα προσ ζνα. Πηγή Θ πθγι ςθμάτων παρζχει τθ διζγερςθ για το αυτοδιαγειρόμενο ςφςτθμα του αναλυτι δικτφου. Μπορεί να γίνει είτε ςάρωςθ τθσ ςυχνότθτασ τθσ πθγισ, είτε ςάρωςθ του επιπζδου ιςχφοσ τθσ. Διαχωριςμόσ ςήματοσ Τθ ςθμαντικότερθ λειτουργία τθν επιτελεί το τμιμα του διαχωριςμοφ ςιματοσ. Το υλικό(hardware) του τμιματοσ αυτοφ πρζπει να επιτελεί δφο λειτουργίεσ. Θ πρϊτθ είναι θ μζτρθςθ του προςπίπτοντοσ ςιματοσ για να υπάρχει μία αναφορά για τθ δθμιουργία τθσ αναλογίασ(ratioing). Αυτό μπορεί να γίνει είτε με διαχωριςτζσ(splitters) είτε με κατευκυντικοφσ ηεφκτεσ(directional couplers). Θ δεφτερθ λειτουργία είναι ο διαχωριςμόσ των προςπιπτόντων(forward) και των ανακλϊμενων (reverse) διαδιδόμενων κυμάτων ςτθν είςοδο του εξαρτιματοσ. Και ςε αυτι τθν περίπτωςθ είναι ιδανικι θ χρθςιμοποίθςθ ηευκτϊν που είναι κατευκυντικοί, ζχουν χαμθλζσ απϊλειεσ και υψθλι ανάςτροφθ απομόνωςθ. Αλλά επειδι υπάρχει δυςκολία καταςκευισ πλιρωσ ευρυηωνικϊν ηευκτϊν, χρθςιμοποιοφνται αντί αυτϊν γζφυρεσ. Δυςτυχϊσ ο διαχωριςμόσ των ςθμάτων δεν είναι πότε τζλειοσ. Στθν πραγματικότθτα ζνα ςιμα που διαδίδεται ςτθν κατεφκυνςθ ανάκλαςθσ ενόσ ηεφκτθ δεν κα εμφανιςτεί ολόκλθρο ςτθν άλλθ κφρα. Ζτςι, μία ςθμαντικι [36]

37 παράμετροσ για τουσ ηεφκτεσ είναι θ κατεκυντικότθτα που είναι θ μζτρθςθ τθσ δυνατότθτασ ενόσ ηεφκτθ να διαχωρίηει ςιματα που διαδίδονται ςε αντίκετεσ κατευκφνςεισ μζςα ςτο ηεφκτθ. Σφποι ανιχνευτϊν(detectors) Tο επόμενο ςτάδιο είναι το τμιμα ανίχνευςθσ ςθμάτων. Υπάρχουν δφο διαφορετικοί τρόποι για τθν ανίχνευςθ αυτι ςτουσ αναλυτζσ δικτφου. Ο πρϊτοσ είναι θ χρθςιμοποίθςθ διόδων ανίχνευςθσ που μετατρζπουν το RF ςιμα ςε ζνα αντίςτοιχο DC επίπεδο. Εάν το διεγερμζνο ςιμα είναι διαμορφωμζνο κατά πλάτοσ, τθν RF ςυνιςτϊςα από τθ διαμόρφωςθ. Αυτό ονομάηεται AC ανίχνευςθ. Θ ανίχνευςθ τθσ διόδου είναι βακμωτι, κακϊσ οι πλθροφορίεσ φάςθσ τθσ RF ςυνιςτϊςασ χάνονται. Ο δεφτεροσ είναι θ χρθςιμοποίθςθ ςυντονιςμζνου δζκτθ(tuned receiver), που χρθςιμοποιεί ζναν τοπικό ταλαντωτι και ζνα μείκτθ για να μετατρζψει το RF ςιμα ςε χαμθλότερθ (μεςαία) ςυχνότθτα(if). Ο τοπικόσ ταλαντωτισ κλειδϊνει είτε ςτο RF είτε ςτο IF ςιμα, ζτςι ϊςτε ο αναλυτισ δικτφου να είναι ςυντονιςμζνοσ πάντα ςτθν παρουςία του RF ςιματοσ ςτθν είςοδο του. Το IF ςιμα φιλτράρεται από ηωνοπερατό φίλτρο, το οποίο ςτενεφει το εφροσ του δζκτθ και βελτιϊνει το δυναμικό εφροσ. Οι ςφγχρονοι αναλυτζσ δικτφου χρθςιμοποιοφν A-D μετατροπζα και ψθφιακι επεξεργαςία ςιματοσ για να εξάγουν τισ πλθροφορίεσ πλάτουσ και φάςθσ από το IF ςιμα. Εικόνα 3.8: Σφποι ανιχνευτϊν(detectors) Επεξεργαςτήσ και οθόνη Το τελευταίο ςτάδιο είναι το τμιμα επεξεργαςίασ και απεικόνιςθσ. Σε αυτό το ςτάδιο τα δεδομζνα τθσ ανάκλαςθσ και τθσ διάδοςθσ μετατρζπονται ςε τζτοια μορφι ϊςτε να είναι εφκολο να μεταφραςτοφν ςε κατανοθτά αποτελζςματα μετριςεων. Οι περιςςότεροι αναλυτζσ δικτφου διακζτουν παρόμοια χαρακτθριςτικά, όπωσ γραμμικζσ και λογαρικμικζσ ςαρϊςεισ, γραμμικζσ και λογαρικμικζσ μορφζσ, πολικζσ απεικονίςεισ, απεικονίςεισ ςε διάγραμμα Smith κτλ. [37]

38 3.4 Γεννότρια RF ςημϊτων Για να μετρθκεί θ ςυμπεριφορά RF εξαρτθμάτων είναι απαραίτθτθ θ φπαρξθ RF ςθμάτων, που παράγονται από μία RF γεννιτρια ςθμάτων. Θ γεννιτρια RF ςθμάτων παράγει ζνα ςιμα τθ φορά, του οποίου τα χαρακτθριςτικά κακορίηονται από το χριςτθ και παραμζνουν ςτακερά ζωσ ότου αλλαχκοφν[1]. Τυπικά χαρακτθριςτικά του ςιματοσ που μποροφν να ρυκμιςτοφν είναι : Θ ςυχνότθτα Θ ιςχφσ Ο τφποσ τθσ διαμόρφωςθσ(am ι FM) O τφποσ τθσ ψθφιακισ διαμόρφωςθσ Θ γεννιτρια RF ςθμάτων μπορεί να ρυκμιςτεί να παρζχει μία ομάδα πολλαπλϊν ςθμάτων. Επίςθσ με γεννιτρια ςθμάτων μποροφν να γίνουν μετριςεισ BER. Επειδι θ γεννιτρια ςθμάτων μπορεί να επιτελζςει PM διαμόρφωςθ ςε RF ςιματα, πολλζσ φορζσ ονομάηεται διανυςματικι γεννιτρια ςθμάτων. Εικόνα 3.9: Γεννήτρια RF ςημάτων 3.5 Ομοαξονικϊ καλώδια και κοννϋκτορεσ Θ δυνατότθτα να μποροφν να παρκοφν αξιόπιςτεσ επαναλαμβανόμενεσ μετριςεισ εξαρτάται από τθ δυνατότθτα ςφνδεςθσ των εξαρτθμάτων και του μετρθτικοφ εξοπλιςμοφ με ακριβι και αξιόπιςτο τρόπο. Τα ςιματα υψθλϊν ςυχνοτιτων και τα RF ςιματα πρζπει να παραμζνουν ςε καλι προςαρμογι αντίςταςθσ κάκε φορά που γίνεται μία νζα ςφνδεςθ. Θ χρθςιμοποίθςθ υψθλισ ποιότθτασ καλωδίων και κοννεκτόρων κα ζχει ςαν αποτζλεςμα χαμθλζσ απϊλειεσ και καλι προςαρμογι ςε όλο το εφροσ ςυχνοτιτων ενδιαφζροντοσ. Κακϊσ αυξάνεται θ ςυχνότθτα, το μικοσ κφματοσ μειϊνεται και οι φυςικζσ ανοχζσ γίνονται πολφ απαιτθτικζσ, ειδικά όταν υπάρχουν εφκαμπτα καλϊδια. Ακόμα και όταν χρθςιμοποιείται αναλυτισ δικτφου, οπότε και θ επίδραςθ των κοννεκτόρων και των ςυνδζςεων αφαιρείται με τθ βακμονόμθςθ, θ χρθςιμοποίθςθ κακισ ποιότθτασ κοννεκτόρων κα κάνει το όργανο ευαίςκθτο ςε περαιτζρω λάκθ. Ωσ γνωςτόν τα RF καλϊδια είναι ςτθν ουςία γραμμζσ μεταφοράσ με απαιτιςεισ για καλι προςαρμογι και δεν ζχουν ουδεμία ςχζςθ με τα ςυμβατικά DC καλϊδια. Ακόμα και όταν ζχουμε υψθλισ ποιότθτασ καλϊδια που παρουςιάηουν τθν ςυμπεριφορά που απαιτείται, ςυχνά θ ςυμπεριφορά τουσ επθρεάηεται προσ το χειρότερο από τθ ςυμπεριφορά των κοννεκτόρων. Οι κοννζκτορεσ ςυνικωσ καταςκευάηονται ςε 2 τφπουσκθλυκό(female) και αρςενικό(male). Ανάλογα με το εφροσ ςυχνοτιτων που ενδιαφζρει, υπάρχου διαφορετικά είδθ κοννεκτόρων. Ραρακάτω παρουςιάηονται τα πιο ςυνθκιςμζνα είδθ κοννεκτόρων[1]. [38]

39 Είδη κοννεκτόρων APC-7 Εικόνα 3.10: APC-7 connector O APC-7 κοννζκτορασ παρζχει τθν μικρότερθσ ςτακερά ανάκλαςθσ και τθν υψθλότερθ επαναλθψιμότθτα για ςυχνότθτεσ ζωσ 18 GHz. Κάκε τζτοιοσ κοννζκτορασ είναι χωρίσ φφλο(κθλυκό-αρςενικό), κακϊσ το μζροσ που βιδϊνει μπορεί να αναςυρκεί ι να επεκτακεί για να μπορζςει να κλειδϊςει με τον άλλο κοννζκτορα. SMA Εικόνα 3.11: SMA connector O SMA /3.5 mm ομοαξονικόσ κοννζκτορασ είναι ζνασ από τουσ πιο ςυχνά χρθςιμοποιοφμενοσ κοννζκτορεσ. Θ ςυμπεριφορά ενόσ SMA είναι ικανοποιθτικι ζωσ τα 18 GHz. Κάποιοι υψθλισ ποιότθτασ SMA μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν ζωσ τα 26.5GHz. O ςυγκεκριμζνοσ SMA /3.5 mm ςχεδιάςκθκε για να είναι αποδοτικόσ ζωσ τα 34GHz, ενϊ μπορεί να ςυνδεκεί και με απλοφσ SMA. Αυτι θ αφξθςθ ςτισ ςυχνότθτεσ επιτυγχάνεται προςαρμόηοντασ τισ διαςτάςεισ του κζντρου και των εξωτερικϊν αγωγϊν και χρθςιμοποιϊντασ ςαν διθλεκτρικό αζρα, αντί για πλαςτικό. ΒΝC Εικόνα 3.12: BNC connector O BNC(bayonet Navy) κοννζκτορασ χρθςιμοποιείται ευρφτατα για ςυνδζςεισ ζωσ τα 2GHz. Ρζρα από τα 4 GHz τα αγϊγιμα μζρθ του αρχίηουν να ακτινοβολοφν και δεν μπορεί να χρθςιμοποιθκεί πάνω από αυτι τθ ςυχνότθτα. Ν κοννζκτορασ Εικόνα 3.13: N connector O N (Navy type) κοννζκτορασ, οποίοσ ζχει βελτιωκεί από τότε που πρωτοκαταςκευάςτθκε( δεκαετία1940), μπορεί τϊρα να ανταποκρικεί ςε ςιματα ςυχνοτιτων ζωσ 18GHz. Κάποιοι N κοννζκτορεσ που ςχεδιάηονται [39]

40 για 75Ω αγωγοφ. δεν είναι ςυμβατοί με τουσ 50Ω κοννζκτορεσ, λόγω διαφορετικισ διαμζτρου του κεντρικοφ Κ κοννζκτορασ/2.92mm Εικόνα 3.14: K connector Ο Κ κοννζκτορασ πρωτοκαταςκευάςτθκε το 1983 και είναι επίςθσ γνωςτόσ ςαν κοννζκτορασ των 2.9 mm. O Κ μπορεί να ςυνδεκεί απευκείασ με τον SMA/3.5mm (ταιριάηει), και μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ζωσ τα 46 GHz. V κοννζκτορασ Εικόνα 3.15: V connector Αυτόσ ο κοννζκτορασ χρθςιμοποιεί γεωμετρία 1.85mm. Είναι αποδοτικόσ ζωσ τα 65GHz. W κοννζκτορασ Εικόνα 3.16: W connector Αυτόσ ο κοννζκτορασ χρθςιμοποιεί γεωμετρία 1 mm και επιτρζπει τισ μετριςεισ ςτθν W περιοχι(70-110ghz) χωρίσ τθ χριςθ κυματοδθγοφ. Ππωσ προαναφζρκθκε θ εξωτερικι διάμετροσ είναι μόλισ 1mm. Ενδείκνυται για μετριςεισ ςτισ οποίεσ χρθςιμοποιείται ςτακμόσ μικροακίδων, δθλαδι ςτθ μζτρθςθ ολοκλθρωμζνων κυκλωμάτων(rf MMICs) [40]

41 ΚΟΝΝΕΚΣΟΡΑ APC-7 SMA /3.5 mm ΒΝC Ν K/2.92mm V(1.85mm) W(1mm) ΤΧΝΟΣΗΣΑ ζωσ 18GHz ζωσ 34GHz ζωσ 4GHz ζωσ 18GHz ζωσ 46GHz ζωσ 67GHz ζωσ 110GHz [41]

42 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 4: ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΗ(CALIBRATION) ΔΙΑΝΤΜΑΣΙΚΟΤ ΑΝΑΛΤΣΗ ΔΙΚΣΤΟΤ Μόνο ζνασ ιδανικόσ εξοπλιςμόσ μετριςεων δεν κα χρειαηόταν διορκϊςεισ. Ατζλειεσ υπάρχουν ακόμα και ςτον καλφτερο και ακριβότερο εξοπλιςμό. Υπάρχουν κάποιοι παράγοντεσ που οδθγοφν ςε λάκθ οι οποίοι είναι επαναλαμβανόμενοι και προβλζψιμοι ςε ςχζςθ με το χρόνο και τθ κερμοκραςία. Θ ζννοια τθσ βακμονόμθςθσ ςτθρίηεται ςτον εντοπιςμό αυτϊν των λακϊν και ςτθν απαλοιφι τθσ επίδραςθσ τουσ από μελλοντικζσ μετριςεισ. 4.1 Σύποι λαθών Ππωσ ςε όλεσ τισ μετρθτικζσ διατάξεισ, ζτςι και ςτουσ αναλυτζσ δικτφων εμφανίηονται 3 τφποι λακϊν: Τα ςυςτθματικά λάκθ(systematic errors) Τα τυχαία λάκθ(random errors) Τα λάκθ που εμφανίηονται ςτθν πορεία(drift errors) υςτηματικϊ λϊθη Αυτά οφείλονται ςε ατζλειεσ του αναλυτι δικτφου και των ρυκμίςεων μετριςεων. Πταν αυτά τα λάκθ δεν μεταβάλλονται με το χρόνο, μποροφν να εντοπιςτοφν με τθ βακμονόμθςθ και να απαλείφουν μακθματικά κατά τθ διαδικαςία των μετριςεων. Τα ςυςτθματικά λάκθ που εμφανίηονται ςε μετριςεισ δικτφων ςχετίηονται με τθ διαρροι του ςιματοσ, τισ ανακλάςεισ του ςιματοσ και με τθν απόκριςθ ςυχνότθτασ. Υπάρχουν ζξι τφποι ςυςτθματικϊν λακϊν: Θ κατευκυντικότθτα (directivity) και απομόνωςθ(crosstalk) που ςχετίηονται με τθ διαρροι του ςιματοσ Οι αςτοχίεσ ςτθν προςαρμογή τησ πηγήσ και ςτθ προςαρμογή του φορτίου που ςχετίηονται με τθν ανάκλαςθ του ςιματοσ Θ ευθυγράμμιςη ανάκλαςησ(reflection tracking) και θ ευθυγράμμιςη μετάδοςησ(transmission tracking) που ςχετίηονται με τθν απόκριςθ ςυχνότθτασ. Σφμφωνα με το δίκυρο μοντζλο λακϊν υπάρχουν 12 ςυνολικά παράγοντεσ που προκαλοφν λάκθ. Οι ζξι προαναφερκζντεσ για τθν ευκεία κατεφκυνςθ και οι ίδιοι ζξι για τθν αντίκετθ Συχαύα λϊθη Αυτά δεν μποροφν να προβλεφκοφν και άρα δεν μποροφν να εντοπιςτοφν και να απομακρυνκοφν με τθ βακμονόμθςθ. Οι κυριότερεσ αιτίεσ αυτϊν των λακϊν είναι ο κόρυβοσ του οργάνου και θ επαναλθψιμότθτα των ςυνδζςεων και των ςυνδετιρων Λϊθη που εμφανύζονται ςτην πορεύα Τζτοια λάκθ προκφπτουν όταν αλλάηει θ ςυμπεριφορά του ςυςτιματοσ παρά το γεγονόσ ότι ζχει προθγθκεί βακμονόμθςθ. Ρροκαλοφνται από τθ μεταβολι τθσ κερμοκραςίασ και μποροφν να απαλείφουν με νζα βακμονόμθςθ. 4.2 Σύποι βαθμονόμηςησ Κατά τθ διαδικαςία τθσ βακμονόμθςθσ γίνεται χαρακτθριςμόσ των ςυςτθματικϊν παραγόντων λακϊν, μετρϊντασ γνωςτά πρότυπα(standards), αποκθκεφονται οι μετριςεισ αυτζσ ςτθ μνιμθ του αναλυτι και [42]

43 ςτθ ςυνζχεια χρθςιμοποιϊντασ ςυγκεκριμζνα μοντζλα λακϊν αφαιρείται θ επίδραςθ τουσ από τισ μελλοντικζσ μετριςεισ που κα γίνουν. Τα πρότυπα αυτά ςυνοδεφουν τον αναλυτι δικτφου και είναι ςυνικωσ ανοικτά κυκλϊματα(open), βραχυκυκλϊματα(short), through ι γνωςτά φορτία(loads). Ζχουμε διάφορουσ τφπουσ βακμονόμθςθσ, οι οποίοι διακρίνονται ανάλογα με τουσ παράγοντεσ ςυςτθματικϊν λακϊν τουσ οποίουσ αφαιροφν και τα γνωςτά πρότυπα που χρειάηονται για να υλοποιθκοφν. Οι κυριότεροι τφποι βακμονόμθςθσ περιγράφονται παρακάτω[5]: Βαθμονόμηςησ απόκριςησ(response calibration) Θ βακμονόμθςθ απόκριςθσ είναι απλι ςτθν υλοποίθςθ, αλλά από τουσ δϊδεκα παράγοντεσ ςυςτθματικϊν λακϊν διορκϊνει μόνο τθν ευκυγράμμιςθ μετάδοςθσ(transmission tracking) και τθν ευκυγράμμιςθ ανάκλαςθσ(reflection tracking), με αποτζλεςμα να μθν οδθγεί ςε μετριςεισ μεγάλθσ ακρίβειασ. Για μετριςεισ ςτθν κατεφκυνςθ τθσ μετάδοςθσ γίνεται θ ςφνδεςθ ενόσ through μεταξφ των δφο κυρϊν μζτρθςθσ του αναλυτι δικτφου(πριν ςυνδεκεί το εξάρτθμα που πρόκειται να μετρθκεί). Ζτςι μετριζται το πλάτοσ και θ φάςθ τθσ ςφνδεςθσ του though και ςτθ ςυνζχεια θ επίδραςθ τουσ αφαιρείται από τα δεδομζνα που κα προκφψουν από τισ μετριςεισ των εξαρτθμάτων. Για μετριςεισ ανάκλαςθσ το πρότυπο που ςυνδζεται είναι βραχυκφκλωμα(short) ι ανοιχτό κφκλωμα(open). Είναι θ απλοφςτερθ και ςυντομότερθ χρονικά διαδικαςία βακμονόμθςθσ, αλλά ενδείκνυται μόνο για μετριςεισ που δεν απαιτείται ακρίβεια Μονόθυρη βαθμονόμηςη (One-Port Calibration) Κατά τθ διαδικαςία τθσ μονόκυρθσ βακμονόμθςθσ μποροφν να μετρθκοφν και να απομακρυνκοφν τρεισ ςυςτθματικοί παράγοντεσ λακϊν (κατευκυντικότθτα, προςαρμογι πθγισ, ευκυγράμμιςθ ανάκλαςθσ), μόνο όμωσ ςε ανακλαςτικζσ μετριςεισ. Για να εξάγουμε αυτοφσ τουσ παράγοντεσ καταςτρϊνουμε 3 εξιςϊςεισ με 3 αγνϊςτουσ, μετρϊντασ 3 γνωςτά πρότυπα βακμονόμθςθσ. Αυτά μπορεί να είναι ζνα ανοιχτό κφκλωμα, ζνα βραχυκφκλωμα και ζνα φορτίο( το φορτίο λαμβάνεται ςυνικωσ ίςο με τθ χαρακτθριςτικι αντίςταςθ του ςυςτιματοσ μετριςεων δθλ. 50 ι 75Ω). Λφνοντασ αυτζσ τισ εξιςϊςεισ εντοπίηονται οι παράγοντεσ λακϊν και γίνεται δυνατό να εξαχκοφν οι πραγματικζσ S-παράμετροι ανάκλαςθσ του εξαρτιματοσ που μετριζται. Πταν μετριοφνται δίκυρα εξαρτιματα, θ πραγματοποίθςθ μονόκυρθσ βακμονόμθςθσ προχποκζτει καλό τερματιςμό τθσ αχρθςιμοποίθτθσ κφρασ του DUT. Εάν ιςχφει αυτι θ προχπόκεςθ (π.χ ςυνδζοντασ ζνα πρότυπο φορτίου), θ μονόκυρθ βακμονόμθςθ είναι αρκετά ακριβισ. Αν θ κφρα 2 του εξαρτιματοσ είναι ςυνδεδεμζνθ ςτον αναλυτι δικτφου και θ ανάςτροφθ απομόνωςθ είναι χαμθλι (για παράδειγμα όταν ζχουμε ηωνοπερατά φίλτρα ι καλϊδια χαμθλϊν απωλειϊν) τότε θ προχπόκεςθ του καλοφ τερματιςμοφ δεν ιςχφει. Σε αυτιν τθν περίπτωςθ θ δίκυρθ βακμονόμθςθ κα δϊςει πολφ καλφτερο αποτζλεςμα. Ζνα παράδειγμα εξαρτιματοσ που θ μονόκυρθ βακμονόμθςθ είναι αποδοτικι είναι ο ενιςχυτισ(amplifier). Λόγω τθσ ανάςτροφθσ απομόνωςισ του, θ προςαρμογι φορτίου που παρουςιάηεται από τον αναλυτι δικτφου δεν επθρεάηει τισ μετριςεισ τθσ προςαρμογισ ειςόδου του ενιςχυτι Πλόρησ δύθυρη βαθμονόμηςη(full 2-port calibration) Με τθ πλιρθ δίκυρθ βακμονόμθςθ επιτυγχάνεται θ μζγιςτθ δυνατι ακρίβεια ςτισ μετριςεισ δίκυρων εξαρτθμάτων.μετράει και τουσ δϊδεκα ςυςτθματικοφσ παράγοντεσ λακϊν. Συνικωσ απαιτεί δϊδεκα μετριςεισ πάνω ςε 4 γνωςτά πρότυπα(βραχυκφκλωμα-ανοικτό κφκλωμα φορτίο-through ι ςυντομογραφικά SOLT), για αυτό είναι και γνωςτι ωσ SOLT βακμονόμθςθ. Κάποια πρότυπα μετριοφνται παραπάνω από μία φορζσ(π.χ το through μετριζται 4 φορζσ). Για να μετρθκοφν όλεσ οι S-παράμετροι πρζπει ο αναλυτισ δικτφου να κάνει αρχικά εμπρόςκια και ςτθ ςυνζχεια αντίκετθ ςάρωςθ. Είναι αποδοτικι τόςο ςε μετριςεισ μετάδοςθσ όςο και ςε ανακλαςτικζσ μετριςεισ. [43]

44 Πταν πραγματοποιείται δίκυρθ βακμονόμθςθ μπορεί να παραλθφκεί το μζροσ τθσ βακμονόμθςθσ που χαρακτθρίηει τθν απομόνωςθ(crosstalk). Γενικά θ βακμονόμθςθ απομόνωςθσ προςκζτει κόρυβο ςτο μοντζλο λακϊν, κακϊσ ςυνικωσ οι μετριςεισ γίνονται κοντά ςτο πάτωμα κορφβου του αναλυτι. Για αυτό πρζπει να εκτελείται μόνο όταν είναι απαραίτθτθ(πχ ςε εξαρτιματα με υψθλι απομόνωςθ όπωσ διακόπτθσ ςε ανοικτι κζςθ ι εξαρτιματα με υψθλό δυναμικό εφροσ), ςε περιπτϊςεισ δθλαδι που θ απομόνωςθ αποτελεί πρόβλθμα. Εικόνα 4.1: Παράγοντεσ λαθϊν ςτην πλήρη δίθυρη βαθμονόμηςη Ενιςχυμϋνη βαθμονόμηςη απόκριςησ Αυτι ςυνδυάηει τθ βακμονόμθςθ απόκριςθσ με τθ μονόκυρθ βακμονόμθςθ για να μπορζςει να διορκϊςει τθν προςαρμογι πθγισ κατά τθ διάρκεια μετριςεων μετάδοςθσ, πράγμα το οποίο δεν μπορεί να πετφχει θ απλι βακμονόμθςθ απόκριςθσ. Απαιτεί τθ μζτρθςθ των προτφπων βραχυκφκλωμα-ανοιχτό κφκλωμαφορτίο-through(solt) για μετριςεισ μετάδοςθσ TRL Calibration Κατά τθν πραγματοποίθςθ δίκυρθσ βακμονόμθςθσ, εκτόσ από τθν επιλογι τθσ πλζον διαδεδομζνθσ SOLT βακμονόμθςθσ, υπάρχει και θ επιλογι τθσ TRL(through-reflect-line) βακμονόμθςθσ που είναι ιδιαίτερα χριςιμθ για μικροκυματικζσ μετριςεισ ςε μθ-ομοαξονικά περιβάλλοντα, όπωσ όταν ζχουμε κυματοδθγοφσ ι μετριςεισ πάνω ςε πλακζτα(on-wafer measurements). Θ TRL βακμονόμθςθ χρθςιμοποιεί το ίδιο μοντζλο λακϊν των 12 παραγόντων με τθν SOLT, αλλά με διαφορετικά πρότυπα. Το κυριότερο πλεονζκτθμά τθσ είναι ότι τα πρότυπα που χρθςιμοποιεί είναι εφκολο να καταςκευαςτοφν ςτισ μικροκυματικζσ ςυχνότθτεσ, ςε ςυνδυαςμό με το γεγονόσ ότι είναι δφςκολο να καταςκευαςτοφν καλά μθ-ομοαξονικά πρότυπα ανοικτϊν κυκλωμάτων και φορτίων ςε αυτζσ τισ ςυχνότθτεσ. Χρθςιμοποιεί ςαν πρότυπο μία γραμμι μετάδοςθσ(transmission line) με γνωςτό μικοσ και αντίςταςθ. Ο μόνοσ περιοριςμόσ είναι ότι θ γραμμι αυτι πρζπει να ζχει ςθμαντικά μεγαλφτερο θλεκτρικό μικοσ από το through, το οποίο ζχει κεωρθτικά μθδενικό μικοσ. Θ TRL απαιτεί και ζνα πρότυπο υψθλισ ανάκλαςθσ ( ςυνικωσ ζνα βραχυκφκλωμα ι ανοικτό κφκλωμα) του οποίου θ αντίςταςθ δεν χρειάηεται να είναι καλά χαρακτθριςμζνθ, αλλά πρζπει να είναι θ ίδια και για τισ δφο κφρεσ του αναλυτι. Επειδι θ TRL απαιτεί αναλυτι δικτφου με 4 δζκτεσ, ςε αναλυτζσ με 3 δζκτεσ χρθςιμοποιείται θ παραλλαγι τθσ TRL*, θ οποία υποκζτει ότι θ προςαρμογι πθγισ [44]

45 και φορτίου τθσ κφρασ μζτρθςθσ είναι ίςεσ(δθλαδι ότι υπάρχει ςυμμετρία αντίςταςθσ ςτισ μετριςεισ μετάδοςθσ και ανάκλαςθσ). Άλλεσ παραλλαγζσ τθσ TRL είναι θ LRL(Line-Reflect-Line), θ LRM(Line-Reflect- Match) και θ TRM(Thru-Reflect-Match) On wafer Calibration Μία πολφ ςθμαντικι κατθγορία μετριςεων είναι αυτζσ που γίνονται ςε εξαρτιματα που βρίςκονται πάνω ςε πλακζτα(on-wafer measurements). Σε αυτιν τθν περίπτωςθ και τα πρότυπα για τθ βακμονόμθςθ βρίςκονται ςε πλακζτα. Οι κυριότεροι τφποι βακμονομιςεων που χρθςιμοποιοφνται ςε αυτιν τθν περίπτωςθ είναι θ SOLT(Short-Open-Load-Through), θ LRL(Line-Reflect-Line) και θ θ TRM(Thru-Reflect- Match). Θ SOLT είναι και εδϊ θ πλζον διαδεδομζνθ και βρίςκει εφαρμογι ςε μετριςεισ ςε υψθλζσ ςυχνότθτεσ μζχρι και τα 110 GHz. Θ LRL ςτθρίηεται ςτθν ςε γραμμζσ μετάδοςθσ γνωςτοφ μικουσ(μεγάλθσ ακρίβειασ) για το πρότυπο τθσ αντίςταςθσ, ενϊ απαιτεί και ζνα πρότυπο ανάκλαςθσ όπωσ πχ ζνα ανοικτό κφκλωμα. Απαιτεί δφο γραμμζσ μετάδοςθσ διαφορετικοφ μικουσ. Θ διαφορά του θλεκτρικοφ μικουσ των γραμμϊν είναι περιττό πολλαπλάςιο του λ/4(όπου λ το μικοσ κφματοσ), ενϊ θ βζλτιςτθ διαφορά που μπορεί να ζχουν είναι 90 ο. Ζνα μεγάλο πλεονζκτθμα τθσ LRL είναι ότι άπαξ και πραγματοποιθκεί, μποροφν να μετρθκοφν οι παράμετροι ςκζδαςθσ δίκυρων δικτφων με οποιοδιποτε ςυνδυαςμό ςυνδετιρων. Τα πρότυπα τθσ LRL μποροφν να καταςκευαςτοφν και πάνω ςε πλακζτα(on wafer). H LRM χρθςιμοποιείται επίςθσ για μετριςεισ πάνω ςε πλακζτα. Θ προςαρμογι (Μatch) πρζπει να είναι ζνασ τζλειοσ ευρυηωνικόσ τερματιςμόσ. Ππωσ και ςτθν LRL το πρότυπο τθσ ανάκλαςθσ απλά πρζπει να είναι επαναχρθςιμοποιοφμενο. Εικόνα 4.2: TRL βαθμονόμηςη 4.3 Η βαθμονόμηςη ςτην πρϊξη Ουςιαςτικά θ διαδικαςία τθσ βακμονόμθςθσ είναι θ αφαίρεςθ τθσ επίδραςθσ από οτιδιποτε(καλϊδια, προςαρμογείσ, κεφαλζσ) παρεμβάλλεται μεταξφ των κυρϊν του αναλυτι δικτφου και του εξαρτιματοσ προσ μζτρθςθ(dut). Αρχικά το επίπεδο των μετριςεων(measurement plane) είναι ςτισ κφρεσ του αναλυτι δικτφου. Μετά τθν βακμονόμθςθ το επίπεδο των μετριςεων βρίςκεται ςτισ κφρεσ του εξαρτιματοσ. Εικόνα 4.4: Επίπεδο μετρήςεων μετά τη βαθμονόμηςη Εικόνα 4.3: Επίπεδο μετρήςεων πριν τη βαθμονόμηςη [45]

46 Στθν πράξθ θ διαδικαςία τθσ βακμονόμθςθσ ςτουσ αναλυτζσ δικτφου είναι μία αυτοματοποιθμζνθ διαδικαςία. Υπάρχουν ζτοιμα πρότυπα(φορτία, ανοικτά κυκλϊματα, βραχυκυκλϊματα,thru κτλ.) για κάκε περιβάλλον, που διατίκενται ομαδοποιθμζνα ςτο εμπόριο ςαν calibration kit. Το calibration kit μπορεί να περιλαμβάνει είτε ομοαξονικά πρότυπα, είτε πρότυπα ςε ολοκλθρωμζνθ μορφι(on chip). Κάκε calibration kit ςυνοδεφεται από τα ιδανικά αποτελζςματα των μετριςεων των προτφπων(calibration set), οι οποίεσ ειςάγονται και αποκθκεφονται ςτθ ενςωματωμζνθ μνιμθ του αναλυτι δικτφου. Ζτςι κάκε φορά που γίνεται βακμονόμθςθ του αναλυτι δικτφου με ζνα ςυγκεκριμζνο calibration kit, ο αναλυτισ δικτφου βάςει των μετριςεων που ζχει αποκθκευμζνεσ και των αποτελεςμάτων που μετράει ςτα πρότυπα, εκτελεί τισ κατάλλθλεσ μακθματικζσ πράξεισ και αφαιρεί μακθματικά τθν επίδραςθ του οτιδιποτε παρεμβάλλεται ανάμεςα ςτισ κφρεσ του και ςτο εξάρτθμα προσ μζτρθςθ. Για τον τρόπο με τον οποίο κα ςυνδεκοφν τα πρότυπα, κακϊσ και το εφροσ ςυχνοτιτων για το οποίο κα γίνει θ βακμονόμθςθ δίνεται κακοδιγθςθ με απλά βιματα από το λογιςμικό του αναλυτι δικτφου. Εικόνα 4.5: Σφποι βαθμονόμηςησ [46]

47 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 5: ΠΑΡΑΙΣΙΚΑ ΚΑΙ ΑΥΑΙΡΕΗ ΠΑΡΑΙΣΙΚΨΝ(DE-EMBEDDING) 5.1 Παραςιτικϊ γενικϊ Πταν γίνεται προςομοίωςθ ενόσ κυκλϊματοσ με λογιςμικό ςε Θ/Υ υποκζτουμε ότι ζχουμε ιδανικά πακθτικά ςτοιχεία(πυκνωτζσ, πθνία, αντιςτάςεισ). Στθν πραγματικότθτα θ ςυμπεριφορά των πραγματικϊν ςτοιχείων ςε ζνα κφκλωμα απζχει αρκετά από τθν ιδανικι και θ απόκλιςθ αυτι μεγαλϊνει όςο προχωράμε προσ τισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ. Για παράδειγμα ζνασ πυκνωτισ ςτισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ, εκτόσ από τθν κφρια χωρθτικότθτα παρουςιάηει και παραςιτικζσ επαγωγζσ, αντιςτάςεισ και χωρθτικότθτεσ. Για αυτό ςτισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ χρθςιμοποιοφμε για τα ςτοιχεία ιςοδφναμα ςυγκεντρωμζνα κυκλϊματα(lumped equivalent circuits), ςτα οποία μοντελοποιοφμε ςαν ςτοιχεία τα παραςιτικά(χωρθτικότθτεσ, αντιςτάςεισ, επαγωγζσ). Ζτςι το ιςοδφναμο ςυγκεντρωμζνο κφκλωμα φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 5.1: Ιςοδφναμο ςυγκεντρωμζνο κφκλωμα πυκνωτή ςτισ υψηλζσ ςυχνότητεσ Θ επαγωγι που εμφανίηεται ςτον πυκνωτι οφείλεται κατά κφριο λόγο ςτο γεγονόσ ότι κακϊσ το εναλλαςςόμενο ρεφμα ρζει μζςω ενόσ πυκνωτι, δθμιουργείται από τον πυκνωτι μαγνθτικό πεδίο. Αυτι θ επαγωγι προςαυξάνεται από τα leads του πυκνωτι. Τα επαγωγικά παραςιτικά ςτοιχεία ςυγκεντρϊνονται και μοντελοποιοφνται ςαν μία επαγωγι Ls βρίςκεται ςε ςειρά με τθ χωρθτικότθτα του πυκνωτι. Θ πεπεραςμζνθ αγωγιμότθτα των πλακϊν και των leads του πυκνωτι, οδθγοφν ςε απϊλειεσ ςε ςειρά που μοντελοποιοφνται ςαν Rs(πολλζσ φορζσ ςυναντϊνται ςαν ESR ι effective series resistance). Πταν ο πυκνωτισ δεν καταςκευάηεται ςτο κενό, το διθλεκτρικό υλικό παρουςιάηει επίςθσ απϊλειεσ που μοντελοποιοφνται ςτθν παράλλθλθ Rdi. Επιπλζον όταν ζνασ πυκνωτισ τοποκετθκεί πάνω ςε τυπωμζνο κφκλωμα(pcb), υπάρχει παραςιτικι χωρθτικότθτα μεταξφ των pads και του επιπζδου γείωςθσ, που μοντελοποιείται ςτουσ πυκνωτζσ Cp ςτο ιςοδφναμο μοντζλο. Σθμαντικό γεγονόσ που πρζπει να λάβουμε υπόψθ είναι ότι ςε κάποια ςυχνότθτα ζνασ πραγματικόσ πυκνωτισ παρουςιάηει αυτοςυντονιςμό, ο οποίοσ [47]

48 είναι αναπόφευκτοσ, γεγονόσ που επιδράει ςτο εφροσ ςυχνοτιτων. Αυτό φαίνεται από τθ γραφικι παράςταςθ τθσ αντίςταςθσ ειςόδου ενόσ πυκνωτι που φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 5.2: Διάγραμμα αντίςταςησ ειςόδου πυκνωτή Κατά παρόμοιο τρόπο κάκε πθνίο ζχει παραςιτικά, τα οποία μοντελοποιοφνται όπωσ φαίνεται ςτο αντίςτοιχο ςυγκεντρωμζνο ιςοδφναμο κφκλωμα του πθνίου, το οποίο φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 5.3: ιςοδφναμο ςυγκεντρωμζνο κφκλωμα πηνίου ςτισ υψηλζσ ςυχνότητεσ Θ αντίςταςθ ςε ςειρά μοντελοποιεί τθν αντίςταςθ των τυλιγμάτων, ενϊ θ χωρθτικότθτα μοντελοποιεί τθ χωρθτικότθτα που αναπτφςςεται μεταξφ δφο ςπειρϊν. Το ςτοιχείο αυτοςυντονίηεται ςε μία ςυχνότθτα περίπου ίςθ με 1/, ενϊ όταν ςυντελεςτι ποιότθτασ ω. Πταν το πθνίο τοποκετείται επάνω ςε τυπωμζνο κφκλωμα υπάρχει επιπλζον χωρθτικότθτα με το ζδαφοσ που μοντελοποιείται ςαν που μειϊνει τθ ςυχνότθτα αυτοςυντονιςμοφ ςε 1/. [48]

49 Παραςιτικά Πλακζτασ Εκτόσ από τα παραςιτικά που ςυνδζονται με το ίδιο το ςτοιχείο υπάρχουν και ςθμαντικά παραςιτικά που ςυνδζονται με το PCB. Πταν τοποκετείται ζνα ςτοιχείο πάνω ςτο PCB, θ ςχετικι του κζςθ ςε ςχζςθ με το επίπεδο γείωςθσ κα επθρεάςει τθν επαγωγι και τθν αγωγιμότθτα του ςτοιχείου. Ππωσ και όταν τοποκετοφμε ζνα ςτοιχείο ςτο ζδαφοσ, θ επίδραςθ του via path κα επθρεάςει τθν επαγωγι. Η προζλευςη των παραςιτικϊν του ςτοιχείου Ππωσ προαναφζρκθκε τα παραςιτικά ενόσ μθ-ιδανικοφ πθνίου περιλαμβάνουν τισ απϊλειεσ ςειράσ, τθ χωρθτικότθτα τυλιγμάτων, και τθν παραςιτικι χωρθτικότθτα. Αυτά τα παραςιτικά προζρχονται από δφο πθγζσ: (1) Τα παραςιτικά που οφείλονται ςτον τρόπο με τον οποίο ζχει γίνει θ φυςικι καταςκευι του πθνίου(ενδογενι παραςιτικά) και (2) Αυτά που ςχετίηονται με τον τρόπο με τον οποίο τοποκετείται το ςτοιχείο πάνω ςτο υπόςτρωμα του τυπωμζνου κυκλϊματοσ(εξωγενι παραςιτικά). Στθν περίπτωςθ των ολοκλθρωμζνων πθνίων (ICs), προκφπτουν τα ίδια παραςιτικά, αλλά τα extrinsic παραςιτικά ςχετίηονται με το υπόςτρωμα πυριτίου( ςε αντιςτοιχία με το υπόςτρωμα του τυπωμζνου κυκλϊματοσ). Ζτςι το ιςοδφναμο ςυγκεντρωμζνο κφκλωμα μπορεί να χωριςτεί ςτο intrinsic και extrinsic μζροσ. Οι διακεκομμζνεσ γραμμζσ δείχνουν το intrinsic μζροσ. Εικόνα 5.4: intrinsic και extrinsic μζροσ ιςοδφναμου ςυγκεντρωμζνου κυκλϊματοσ Οι ενδογενισ(intrinsic) απϊλειεσ μποροφν εφκολα να γίνουν κατανοθτζσ, κακϊσ από τθ ςτιγμι που το ςφρμα των τυλιγμάτων ζχει αντίςταςθ, το πθνίο πρζπει να περιλαμβάνει ζνα ςτοιχείο ςτο ιςοδφναμο κφκλωμα. Επίςθσ κακϊσ τα τυλίγματα του πθνίου βρίςκονται αρκετά κοντά, ςτισ πολφ υψθλζσ ςυχνότθτεσ το ςιμα μπορεί να αγνοιςει το βρόχο και να ταξιδζψει ευκεία από ςπείρα ςε ςπείρα μζςω τθσ χωρθτικότθτασ(intrinsic) μεταξφ των ςπειρϊν. Αυτι θ επίδραςθ τθσ χωρθτικισ ςφηευξθσ των ςπειρϊν μοντελοποιείται από τον πυκνωτι H ςυχνότθτα αυτό-ςυντονιςμοφ(srf) ορίηεται ωσ θ ςυχνότθτα ςτθν [49]

50 οποία το φανταςτικό μζροσ τθσ ςφνκετθσ αντίςταςθσ του πθνίου μθδενίηεται. Ρζρα από αυτι τθ ςυχνότθτα το πθνίο αρχίηει και ςυμπεριφζρεται ςαν πυκνωτισ, κακϊσ περιςςότερθ ενζργεια αποκθκεφεται λόγω του θλεκτρικοφ πεδίου που προζρχεται από τθ ςφηευξθ των ςπειρϊν, από αυτι που προζρχεται από το μαγνθτικό πεδίο. Πταν ζνα πθνίο χρθςιμοποιείται ςε πραγματικό κφκλωμα, πρζπει να ςυνδζεται με τα άλλα ςτοιχεία μζςω των leads(ακροδεκτϊν) όπωσ φαίνεται ςτθν παρακάτω εικόνα: Εικόνα 5.5: φνδεςη πηνίου πάνω ςε πλακζτα Εδϊ μποροφμε να δοφμε ότι χρθςιμοποιοφνται pads για τοποκετιςουμε τα leads του ςτοιχείου ςτο υπόςτρωμα του τυπωμζνου κυκλϊματοσ. Μεταξφ των pads και του υποςτρϊματοσ υπάρχει χωρθτικότθτα και ζτςι χρειάηονται ςτο ιςοδφναμο μοντζλο πυκνωτζσ για να τθν μοντελοποιιςουν. Επίςθσ λόγω των leads, παρά το γεγονόσ ότι τα ςθμεία A και Β απζχουν αρκετά, αναπτφςςεται μεταξφ τουσ μία μικρι θλεκτρικι ςφηευξθ. Εκτόσ από χωρθτικότθτα όμωσ, τα leads παρουςιάηουν και επαγωγι. Για να υπάρξει επαγωγι πρζπει να υπάρχει κλειςτόσ βρόχοσ ρεφματοσ. Για να εξθγθκεί θ φπαρξθ αυτισ τθσ επαγωγισ ασ φανταςτοφμε ότι ςυνδζονται πθγζσ τάςθσ ςτα ςθμεία Α και Β. Σε αυτι τθν περίπτωςθ το ρεφμα ρζει μζςα ςε ζνα βρόχο, κακϊσ ρζει μζςω του επιπζδου γείωςθσ μεταξφ των ςθμείων Α και Β. Αυτόσ ο βρόχοσ αποκθκεφει μαγνθτικι ενζργεια και επομζνωσ ζχει επαγωγι ςτο ιςοδφναμο ςυγκεντρωμζνο κφκλωμα. Το ςθμαντικό είναι ότι αυτι θ επαγωγι είναι ανεξάρτθτθ από τθν τιμι τθσ επαγωγισ του πθνίου, κακϊσ το ρεφμα ρζει μζςα ςτον ίδιο δρόμο όποια και να είναι θ επαγωγι του πθνίου. Ππωσ άλλωςτε ανεξάρτθτεσ είναι και οι χωρθτικότθτεσ και. Εικόνα 5.6: Ροή ρεφματοσ εάν ςυνδεθεί τάςη ςτα ςημεία Α και Β [50]

51 Πςο αφορά τα ολοκλθρωμζνα κυκλϊματα ιςχφουν οι ίδιεσ κεωριςεισ με κάποιεσ μικρζσ προςαρμογζσ. Ζνα τυπικό ολοκλθρωμζνο πθνίο γίνεται ςυνικωσ ςε ςπειροειδι μορφι. Θ αντίςταςθ των ςπειρϊν και θ χωρθτικότθτα λόγω τθσ ςφηευξθσ μεταξφ των ςπειρϊν υπάρχουν όπωσ και πριν. Το υπόςτρωμα είναι πολφ λεπτό ςε ςχζςθ με τισ διαςτάςεισ των ςπειρϊν(τυπικά 700μm λεπτό). Το πίςω μζροσ του υποςτρϊματοσ δεν είναι πάντα επίπεδο γείωςθσ και ο δρόμοσ επιςτροφισ του ρεφματοσ βρίςκεται ςτθν επιφάνεια του υποςτρϊματοσ μζςω των μεταλλικϊν ςτρωμάτων. Από τθ ςτιγμι που τα leads μποροφν να γίνουν πολφ κοντά ςτο πθνίο, θ επαγωγι των leads μπορεί να μειωκεί ςθμαντικά. Θ επιπλοκι ςτα ολοκλθρωμζνα πθνία προζρχεται από τθ χωρθτικι ςφηευξθ του ςιματοσ μζςω ενόσ ενιςχυμζνου υποςτρϊματοσ, το οποίο μοντελοποιείται με μία εν ςειρά αντίςταςθ. H ςφηευξθ μεταξφ των leads εξαρτάται από τα το πάχοσ και τθν αγωγιμότθτα του υποςτρϊματοσ. Μία επιπλζον αντίςταςθ μοντελοποιεί τθ ςφηευξθ του ςιματοσ μζςω του υποςτρϊματοσ. Πλεσ οι ενδογενείσ και εξωγενείσ επαγωγζσ μποροφν να ςυγκεντρωκοφν ςε μία επαγωγι και όλεσ οι αντιςτάςεισ ςε μία. Ζτςι προκφπτει το ακόλουκο μoντζλο για ολοκλθρωμζνα πθνία ςε πλακζτα(on chip). Εικόνα 5.7: Μοντζλο ολοκληρωμζνου πηνίου ςε πλακζτα Το μοντζλο αυτό είναι ακριβζσ ςε ςυχνότθτεσ αρκετά μικρότερεσ από τθν ςυχνότθτα αυτό-ςυντονιςμοφ. Σε ςυχνότθτεσ κοντά ι πάνω από αυτιν το ςτοιχείο παρουςιάηει κατανεμθμζνθ ςυμπεριφορά και δεν μπορεί να παραςτακεί από ςυγκεντρωμζνα μοντζλα. [51]

52 5.2 Αφαύρεςη Παραςιτικών(De-embedding) Πταν ζχουμε εξαρτιματα πάνω ςε πλακζτα(on wafer), όπωσ για παράδειγμα ολοκλθρωμζνα πθνία, για το χαρακτθριςμό τουσ και τθν εξαγωγι των παραμζτρων τουσ δεν αρκεί από μόνθ τθσ θ θλεκτρομαγνθτικι προςομοίωςθ με κάποιο λογιςμικό. Αυτό ςυμβαίνει διότι εξαιτίασ τθσ δυνατισ αλλθλεπίδραςθσ του DUT με το υπόςτρωμα πυριτίου, αναπτφςςονται παραςιτικά(όπωσ είδαμε προθγουμζνωσ). Θ επίδραςθ των παραςιτικϊν που ςχετίηονται με τον εξοπλιςμό των μετριςεων, όπωσ τισ επαφζσ(contacts) πάνω ςτθν πλακζτα, τα pads των μικροακίδων (probe pads) και τισ διαςυνδζςεισ(interconnects) που ςυνδζουν το DUT με τα pads, πρζπει να απομακρυνκεί. Η διαδικαςία λοιπόν με τθν οποία αφαιρείται θ επίδραςθ των παραςιτικών από τισ μετριςεισ, ώςτε να μπορζςουμε να εξάγουμε τισ πραγματικζσ παραμζτρουσ του εξαρτιματοσ που εξετάηεται, ονομάηεται de-embedding. Οι τεχνικζσ de-embedding που ζχουν αναπτυχκεί μζχρι ςιμερα χωρίηονται ςε δφο κατθγορίεσ. Θ πρϊτθ κατθγορία βαςίηεται ςτα ιςοδφναμα ςυγκεντρωμζνα κυκλϊματα(equivalent lumped circuits) και υποκζτει ςυγκεντρωμζνο μοντζλο για τισ διαςυνδζςεισ. Αυτι θ υπόκεςθ μειϊνει τθν ακρίβεια του de-embedding ςτισ υψθλότερεσ ςυχνότθτεσ. Χρθςιμοποιϊντασ ψευδοδομζσ-κλϊνουσ τθσ πλακζτασ(dummy structures), ςτουσ οποίουσ ζχει αντικαταςτακεί το DUT από γνωςτά κυκλϊματα όπωσ ανοικτό κφκλωμα, βραχυκφκλωμα ι thru, μετριοφνται τα παραςιτικά που βρίςκονται ςε ςειρά ι παράλλθλα ςτο ιςοδφναμο ςυγκεντρωμζνο κφκλωμα, και ςτθ ςυνζχεια αφαιροφνται από τισ μετριςεισ του DUT ςφμφωνα με εξιςϊςεισ. Οι πιο διαδεδομζνεσ τεχνικζσ είναι θ short, θ short-open και θ short-open-thru, οι οποίεσ κα αναλυκοφν παρακάτω. Πςο κινοφμαςτε προσ τισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ τα ιςοδφναμα ςυγκεντρωμζνα κυκλϊματα γίνονται όλο και πιο πολφπλοκα και λιγότερο ακριβι, κακϊσ αυξάνονται και τα παραςιτικά. Θ δεφτερθ κατθγορία αποτελείται από τισ τεχνικζσ καταρράκτθ(cascade based). Ονομάηονται ζτςι γιατί παριςτάνουν τα παραςιτικά ςαν ξεχωριςτά δίκτυα λακϊν(error networks), ςυνδεδεμζνα ςε μορφι καταρράκτθ με το εξάρτθμα. Χρθςιμοποιϊντασ τισ Τ-παραμζτρουσ ι τισ ABCD παραμζτρουσ, με κατάλλθλεσ πράξεισ πινάκων καταλιγουν ςτισ παραμζτρουσ του εξαρτιματοσ. Επιτρζπουν ζτςι το de-embedding χωρίσ μοντελοποίθςθ των παραςιτικϊν. Επίςθσ λαμβάνουν υπόψθ τθν διανεμθμζνθ φφςθ των διαςυνδζςεων, γι αυτό ςτισ υψθλζσ ςυχνότθτεσ παρουςιάηουν μεγαλφτερθ ακρίβεια. Εικόνα 5.8: Σεχνικζσ καταρράκτη για την αφαίρεςη παραςιτικϊν [52]

53 5.2.1Σεχνικϋσ που βαςύζονται ςε ιςοδύναμα ςυγκεντρωμϋνα κυκλώματα Open de-embedding μϋθοδοσ Σε αυτιν τθν περίπτωςθ χρθςιμοποιείται ψευδοδομι με open για να απομακρφνει τθν παράλλθλθ παραςιτικι χωρθτικότθτα που οφείλεται ςτα pads και τισ διαςυνδζςεισ, θ οποία αναπαριςτά τθ ηεφξθ μζςω του υποςτρϊματοσ[16]. Θ δομι του open και το ιςοδφναμο ςυγκεντρωμζνο κφκλωμα φαίνονται ςτισ παρακάτω εικόνεσ: Εικόνα 5.9: open μζθοδοσ de-embedding Οι παράμετροι και αντιςτοιχοφν ςτθν αγωγιμότθτα των pads των μικροακίδων ςτθν κφρα 1(P1) και ςτθν κφρα 2(P2). Θ αγωγιμότθτα ςε ςειρά Θ διαδικαςία ζχει ωσ εξισ: 1)Μετριοφνται οι S-παράμετροι τθσ δομισ με το open είναι θ ςυμβολι των διαςυνδζςεων. 2)Οι S-παράμετροι του open που μετρικθκαν μετατρζπονται ςε y-παραμζτρουσ ςφμφωνα με τισ παρακάτω ςχζςεισ: όπου =1/ ( θ χαρακτθριςτικι ςφνκετθ αντίςταςθ ςτθ κφρα) και ΔS=(1 + )(1 + )- 3) Οι παράμετροι, και μποροφν να βρεκοφν ωσ εξισ: [53]

54 4)Μετράμε τισ S-παραμζτρουσ τθσ δομισ με το DUT και τισ μετατρζπουμε ςε Υ-παραμζτρουσ με τθν ςχζςθ που ακολουκικθκε παραπάνω. 5)Αφαιροφμε τα, και ςφμφωνα με τθ ςχζςθ: Tϊρα πλζον ζχουμε τισ κακαρζσ Υ-παραμζτρουσ του DUT. 6)Αν χρειάηεται οι Υ-παράμετροι του DUT ξαναμετατρζπονται ςε S-παραμζτρουσ ςφμφωνα με τθ ςχζςθ: (1) όπου =( + )( + )- Open short de-embedding μϋθοδοσ Ρροςκζτοντασ ςτθν προθγοφμενθ μζκοδο μία δομι με short, μποροφν να απομακρυνκοφν τα ςειριακά παραςιτικά όπωσ θ ςφνκετθ αντίςταςθ των επαφϊν (contacts) μεταξφ των ακίδων και των pads, και οι ςειριακζσ απϊλειεσ των διαςυνδζςεων[16]. Ραρακάτω φαίνονται οι ψευδοδομζσ που χρθςιμοποιοφνται, κακϊσ και το ιςοδφναμο ςυγκεντρωμζνο κφκλωμα. Εικόνα 5.10: ψευδοδομζσ ςτην open-short μζθοδο de-embedding [54]

55 Για να βροφμε τισ τιμζσ των ςτοιχείων του ιςοδφναμου κυκλϊματοσ ξεκινοφμε τθν ανάλυςθ από τισ εξωτερικζσ κφρεσ και κινοφμαςτε προσ το εξάρτθμα. Υποκζτουμε ςυμμετρία. 1)Μετριοφνται οι s-παράμετροι τθσ δομισ του βραχυκυκλϊματοσ και μετατρζπονται ςε z-παραμζτρουσ. Από τθ ςτιγμι που θ δομι είναι ςυμμετρικι χρθςιμοποιοφμε τθ ςχζςθ: 2) Μετριοφνται οι s-παράμετροι τθσ δομισ του ανοικτοφ κυκλϊματοσ και μετατρζπονται ςε z-παραμζτρουσ με τθν ςχζςθ που χρθςιμοποιικθκε για τθν μετατροπι των παραμζτρων του βραχυκυκλϊματοσ. Ζτςι βρίςκουμε το. Μποροφμε τϊρα να βροφμε τα ςφμφωνα με τθ ςχζςθ: = = = 1/( - ) 3) Μετριοφνται οι S-παράμετροι του DUT μαηί με τθ δομι μζτρθςθσ και μετατρζπονται ςε z-παραμζτρουσ ςφμφωνα με: (2) Το απομακρφνεται χρθςιμοποιϊντασ τθ ςχζςθ : 4) Μετατρζπουμε τον Ηϋςε Υϋ, όπου Υϋ=. Στθ ςυνζχεια απομακρφνουμε τα ςφμφωνα με: Οι S-παράμετροι του εξαρτιματοσ μποροφν να ανακτθκοφν με τθν ςχζςθ 1. Open-short-thru de-embedding μϋθοδοσ Ρροςκζτοντασ μία δομι με thru, μποροφμε να απομακρφνουμε τθν επίδραςθ των γραμμϊν των διαςυνδζςεων[16]. Οι δομζσ που χρθςιμοποιοφνται και το ιςοδφναμο κφκλωμα φαίνεται παρακάτω: [55]

56 Εικόνα 5.11:ψευδοδομζσ ςτην open-short-thru μζθοδο de-embedding 1)Τα και μποροφν να μετρθκοφν και να απομακρυνκοφν όπωσ περιγράφθκε ςτθ μζκοδο open-short, μετρϊντασ τισ παραμζτρουσ των δομϊν με το βραχυκφκλωμα και το ανοικτό κφκλωμα. 2)Για να βροφμε το πρϊτα μετράμε τισ S-παραμζτρουσ τθσ δομισ με το thru, και ςτθ ςυνζχεια τισ μετατρζπουμε ςε z-παραμζτρουσ(ηthru) χρθςιμοποιϊντασ τθ ςχζςθ (9). 3)Αφαιροφμε τθν επίδραςθ των χρθςιμοποιϊντασ: 4)Μετατρζπουμε το ςε Υ-παραμζτρουσ ( ) και απομακρφνουμε τθν επίδραςθ του των ςφμφωνα με: Το μπορεί να εκφραςκεί ςαν: Εδϊ υποκζτουμε ςυμμετρία. Εάν δεν ιςχφει αυτό και κζλουμε να βροφμε το ςτθ κφρα 2, τότε ςτθ ςτθ ςχζςθ μποροφμε να χρθςιμοποιιςουμε το. Ο ςυντελεςτισ διόρκωςθσ μπορεί να εκφραςτεί ςαν: [56]

57 όπου το είναι το ενεργό μικοσ μεταξφ των pads του ςιματοσ, ενϊ το το ενεργό μικοσ του εξαρτιματοσ. Τα μικθ αυτά φαίνονται ςτθν εικόνα που περιφράφει τθ δομι του thru. 5) Mετράμε τισ S-παραμζτρουσ τθσ δομισ με το εξάρτθμα(dut) και τισ μετατρζπουμε ςε Η-παραμζτρουσ. Αφαιροφμε το ςφμφωνα με τθν ςχζςθ (12) και το με τθ ςχζςθ (13). Μετατρζπουμε τισ Υ-παραμζτρουσ ξανά ςε Η-παραμζτρουσ και αφαιροφμε το : De-embedding 4 βημϊτων με 2 βραχυκυκλώματα και 2 ανοικτϊ κυκλώματα Εδϊ κα περιγραφεί μία μζκοδοσ 4 βθμάτων που χρθςιμοποιεί 2 βραχυκυκλϊματα και 2 ανοικτά κυκλϊματα(πρότυπα βακμονόμθςθσ). Αυτά μαηί με τα ιςοδφναμα κυκλϊματα των προτφπων και το ιςοδφναμο κφκλωμα του εξαρτιματοσ με τθ δομι τθσ μζτρθςθσ φαίνονται παρακάτω[16]. [57]

58 Εικόνα 5.12: Ψευδοδομζσ ςτην μζθοδο με 2 βραχυκυκλϊματα και 2 ανοικτά κυκλϊματα H αναπαριςτά τθν αντίςταςθ των επαφϊν. Θ αναπαριςτά τθ ςφηευξθ μεταξφ των pads ςιματοσ και των pads γθσ(ground pads), που περιλαμβάνει τθν χωρθτικότθτα μεταξφ των pads και τθ ςφηευξθ μζςω του θμιαγϊγιμου υποςτρϊματοσ. Οι και δθλϊνουν τθν ςφνκετθ αντίςταςθ μεταξφ των pads και του ςυνόρου του εξαρτιματοσ. Θ αναπαριςτά τθν ςφνκετθ αντίςταςθ των ςυνδζςεων που χρθςιμοποιοφνται για να ςυνδεκεί το εξάρτθμα και το υπόςτρωμα ςτο ζδαφοσ. Το είναι θ ςφηευξθ μεταξφ του εδάφουσ και τθσ ειςόδου/εξόδου του εξαρτιματοσ(και ευκεία και μζςω του υποςτρϊματοσ). Το είναι θ ςφηευξθ μεταξφ ειςόδου και εξόδου(και ευκεία και μζςω υποςτρϊματοσ). Τα παραςιτικά μποροφν να βρεκοφν ωσ εξισ: όπου το ss είναι το simple short και το so είναι το simple short. [58]

59 όπου το o αναφζρεται ςτο ανοικτό κφκλωμα και το s ςτο βραχυκφκλωμα. Θ παράμετροσ α ειςάγεται για να μετριςει το μθ μθδενικό μικοσ του βραχυκυκλϊματοσ. Ζνασ εφκολοσ τρόποσ για να κακοριςτεί το α είναι ο ακόλουκοσ: Συγκρίνοντασ τθν αντίςταςθ του βραχυκυκλϊματοσ με τθν αντίςταςθ από τα pad ςτο ςφνορο του εξαρτιματοσ. Αφοφ υπολογίςουμε τισ τιμζσ των παραςιτικϊν, ξεκινάει θ διαδικαςία του de-embedding. 1)Ρρϊτα μετράμε τισ S-παραμζτρουσ τθσ δομισ με το εξάρτθμα και τισ μετατρζπουμε ςε Η- παραμζτρουσ ςφμφωνα με: Το αφαιρείται ςφμφωνα με: 2) Μετατρζπουμε το ςτον πίνακα Υ-παραμζτρων To απομακρφνεται ςφμφωνα με: 3) Το τρίτο βιμα είναι θ απομάκρυνςθ των + και του. Καταρχιν μετατρζπεται το ξανά ςε Z- παραμζτρουσ και ςτθν ςυνζχεια αφαιρείται θ επίδραςθ των ςφνκετων αντιςτάςεων ωσ εξισ: Ρριν το τζταρτο βιμα ο πίνακασ Η-παραμζτρων μετατρζπεται ςε πίνακα Υ-παραμζτρων. 4) Το τζταρτο και τελευταίο βιμα του de-embedding είναι το εξισ : [59]

60 5.2.2 De-embedding μϋθοδοι καταρρϊκτη Ππωσ αναφζρκθκε ςτθ ειςαγωγι αυτζσ οι μζκοδοι δεν χρθςιμοποιοφν ιςοδφναμα ςυγκεντρωμζνα κυκλϊματα, αλλά παριςτάνουν τα παραςιτικά ςαν δίκτυα (Ν κυρϊν)[16]. Δύθυρο δύκτυο με thru Εδϊ χρθςιμοποιοφμε ζνα δίκυρο δίκτυο για να παραςτιςουμε τθ διαςφνδεςθ μεταξφ μικροακίδων (probe tips) και του εξαρτιματοσ. Αυτι θ μζκοδοσ απαιτεί μόνο ζνα thru πρότυπο βακμονόμθςθσ, όπωσ φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 5.13: δίθυρο δίκτυο με δομή thru 1)Υποκζτουμε ότι οι διαςυνδζςεισ ειςόδου και εξόδου είναι ιδανικζσ. Αφοφ μετριςουμε τισ S-παραμζτρουσ του δομισ του thru, τισ χρθςιμοποιοφμε για να βροφμε τισ τιμζσ των ςφμφωνα με: 2)Στθ ςυνζχεια μετατρζπουμε τα ςε Τ-παραμζτρουσ: Θ διαδικαςία του de-embedding γίνεται ςφμφωνα με: [60]

61 όπου είναι οι μετρθμζνεσ S-παράμετροι τθσ δομισ με το εξάρτθμα που ζχουν μετατραπεί ςε Τ- παραμζτρουσ. Οι Τ-παράμετροι μποροφν να μετατραποφν πίςω ςε S-παραμζτρουσ ςφμφωνα με: Το πλεονζκτθμα αυτισ τθσ μεκόδου είναι ότι ςφνκετα pads και διαςυνδζςεισ δεν αποτελοφν πρόβλθμα. Αλλά εάν το μικοσ του thru γίνει πολφ μεγάλο κα υπάρξει πρόβλθμα ςτθν ακρίβεια. Δύθυρο δύκτυο με μύα δομό με ανοικτό κύκλωμα και μύα δομό με thru Εδϊ χρθςιμοποιείται μία ψευδοδομι με ανοικτό κφκλωμα και μία ψευδοδομι με thru. Εικόνα 5.14: Δίθυρο δίκτυο με thru και ανοικτό κφκλωμα Εδϊ το μοντζλο που χρθςιμοποιείται είναι το ακόλουκο: όπου και Θ διαδικαςία του de embedding ςυνοψίηεται ωσ εξισ: [61]

62 1)Μετράμε τισ S-παραμζτρουσ τθσ δομισ με το εξάρτθμα, τθσ δομισ με το ανοικτό κφκλωμα και τθσ δομισ με το thru. Δθλαδι τα * και *. 2)Μετατρζπουμε τισ S-παραμζτρουσ ςε Υ- παραμζτρουσ και υπολογίηουμε τα: και το 3) Μετατρζπουμε τισ S-παραμζτρουσ ςτον ABCD πίνακα. Απομακρφνουμε τα παραςιτικά των pads ωσ εξισ: και ςτθ ςυνζχεια μετατρζπουμε τον πίςω ςε S-παραμζτρουσ. 4) Θ χαρακτθριςτικι αντίςταςθ και θ ςτακερά διάδοςθσ γ μετριοφνται ωσ εξισ: όπου θ ςφνκετθ αντίςταςθ του ςυςτιματοσ μετριςεων, l το μικοσ των διαςυνδζςεων και Το ± χρθςιμοποιείται για να διορκϊςει μθ λογικζσ λφςεισ. 5) Δθμιουργοφμε τουσ ABCD πίνακεσ των διαςυνδζςεων ειςόδου και εξόδου και αντικακιςτϊντασ τα μικθ των διαςυνδζςεων ςτθν εξίςωςθ: 6) Υπολογίηουμε τα και χρθςιμοποιϊντασ τισ ςχζςεισ και. 7) Μετατρζπουμε το ςε και υπολογίηουμε: 8)Εάν χρειάηεται μετατρζπουμε τον ςε. [62]

63 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 6: ΜΕΣΡΗΕΙ Ε ΓΝΨΣΑ ΣΗΛΕΠΙΚΟΙΝΨΝΙΑΚΑ ΕΞΑΡΣΗΜΑΣΑ 6.1 Ενιςχυτϋσ χαμηλού θορύβου(lna) Γενικϊ για τουσ LNA Οι ενιςχυτζσ χαμθλοφ κορφβου είναι ενιςχυτζσ που τυπικά χρθςιμοποιοφνται ςυνικωσ ωσ θ πρϊτθ ενιςχυτικι βακμίδα ςε ζνα δζκτθ(front end). Οι ενιςχυτζσ χαμθλοφ κορφβου(lna) είναι ςυχνά το πιο κρίςιμο εξάρτθμα ςε ζνα δζκτθ, κακϊσ ο ςκοπόσ τθσ λειτουργίασ τουσ είναι να ενιςχφςουν με μεγάλεσ τιμζσ κζρδουσ τα εξαιρετικά αδφναμα ςιματα που λαμβάνονται από τθν κεραία, προςκζτοντασ όμωσ όςο το δυνατό ελάχιςτο κόρυβο ςε αυτά. Εκεί ζγκειται και θ ςχεδιαςτικι τουσ δυςκολία. Ο κόρυβοσ που προςτίκεται από τον ενιςχυτι περνάει και ςτισ επόμενεσ βακμίδεσ του δζκτθ και ζτςι θ απαίτθςθ για όςο το δυνατό χαμθλότερεσ τιμζσ κορφβου είναι απαραίτθτθ για τθν μετζπειτα ςωςτι ανάκτθςθ του ςιματοσ που ζχει λθφκεί. Τυπικζσ τιμζσ παραμζτρων ενόσ καλοφ ενιςχυτι χαμθλοφ κορφβου είναι για τθν εικόνα κορφβου το 1dB και για το κζρδοσ τα 20dB(ι μεγαλφτερο). Ραρακάτω φαίνονται το block διάγραμμα του LNA, το block διάγραμμα ενόσ δζκτθ, κακϊσ και ζνασ ολοκλθρωμζνοσ ενιςχυτισ χαμθλοφ κορφβου. Εικόνα 6.1: φμβολο ενιςχυτή χαμηλοφ θορφβου Εικόνα 6.2: Ενιςχυτήσ χαμηλοφ θορφβου μζςα ςε κφκλωμα Εικόνα 6.3: Ενιςχυτήσ χαμηλοφ θορφβου ςε ολοκληρωμζνη μορφή [63]

64 6.1.2 Παρϊμετροι που χαρακτηρύζουν τουσ ενιςχυτϋσ χαμηλού θορύβου Οι παράμετροι που πρζπει να μετρθκοφν για να χαρακτθριςτεί ζνασ ενιςχυτισ χαμθλοφ κορφβου[1] είναι οι εξισ: Οι S-παράμετροι (που κακορίηουν το κζρδοσ, τθν προςαρμογι και τθν απομόνωςθ) Το IIP3 και το 1db compression point(p 1db), που ςχετίηονται με τθ γραμμικότθτα Θ εικόνα θορφβου(noise Figure) Μϋτρηςη S-παραμϋτρων Για τθν μζτρθςθ των S-παραμζτρων χρθςιμοποιείται ο διανυςματικόσ αναλυτισ δικτφου(vna). H είςοδοσ του ενιςχυτι χαμθλοφ κορφβου ςυνδζεται ςτθ κφρα 1 του αναλυτι δικτφου και θ ζξοδοσ ςτθ κφρα 2. Ζτςι, ο αναλυτισ δικτφου μετράει τισ S-παραμζτρουσ ςτο εφροσ ςυχνοτιτων που ζχει κακοριςτεί κατά τθ βακμονόμθςθ. Καλό είναι να γίνονται οι μετριςεισ ςε λίγο μεγαλφτερο εφροσ ςυχνοτιτων από αυτό που ζχει ςχεδιαςτεί να λειτουργεί ο ενιςχυτισ, για να ζχουμε μία καλφτερθ εποπτεία τθσ ςυμπεριφοράσ του ςε ςχζςθ με τθ μεταβολι των ςυχνοτιτων. Εικόνα 6.4: Διάταξη μζτρηςησ S-παραμζτρων ενιςχυτή χαμηλοφ θορφβου Ζτςι ζχουμε μετριςει τισ γραμμικζσ παραμζτρουσ του ενιςχυτι χαμθλοφ κορφβου. Θ ςθμαντικότερθ από τισ S-παραμζτρουσ είναι το που είναι το κζρδοσ του ενιςχυτι. Οι άλλεσ παράμετροι όπωσ ζχει αναφερκεί είναι: - ςυντελεςτισ ανάκλαςθσ ειςόδου - ανάςτροφθ απομόνωςθ -κζρδοσ ι απϊλεια - ςυντελεςτισ ανάκλαςθσ εξόδου Θεωρϊντασ ότι είχαμε εξαρχισ τθν επιλογι ςτον ενιςχυτι για ςάρωςθ ςυχνότθτασ( frequency sweep), ζχουμε τισ S-παραμζτρουσ ωσ προσ τθ ςυχνότθτα. [64]

65 Για τθ μζτρθςθ του κζρδουσ υπάρχει και εναλλακτικόσ τρόποσ, που επιτρζπει μάλιςτα τθ μζτρθςθ του ςε μία ςυγκεκριμζνθ ςυχνότθτα ειςόδου. Για αυτόν τον τρόπο χρειαηόμαςτε μία γεννιτρια παραγωγισ ςθμάτων και ζναν αναλυτι φάςματοσ(spectrum analyzer). Θ διαδικαςία είναι θ εξισ: Συνδζουμε τθν είςοδο του ενιςχυτι χαμθλοφ κορφβου ςτθν ζξοδο τθσ γεννιτριασ, και τθν ζξοδο του ενιςχυτι ςτθν είςοδο του αναλυτι φάςματοσ. Σε αυτι τθν περίπτωςθ μετράμε ςτον αναλυτι φάςματοσ τθν ιςχφ που λαμβάνεται από τθν ζξοδο του ενιςχυτι, κακϊσ είναι γνωςτι θ ιςχφσ ειςόδου των ςθμάτων τθσ γεννιτριασ. Εικόνα 6.5: Διάταξη μζτρηςησ S-παραμζτρων ενιςχυτή χαμηλοφ θορφβου με αναλυτή φάςματοσ Μϋτρηςη 1dB compression point Το 1dB compression point ι αλλιϊσ P 1dB είναι θ τιμι τθσ ιςχφοσ ειςόδου ςε dbm για τθν οποία το κζρδοσ του ενιςχυτι μειϊνεται κατά 1dB ςε ςχζςθ με τθν τιμι που κα είχε αν ςυνζχιηε να ςυμπεριφερόταν όπωσ ςτισ χαμθλότερεσ ςυχνότθτεσ. Είναι ζνα μζτρο γραμμικότθτασ, αφοφ καταδεικνφει τθν τιμι τθσ ιςχφοσ ειςόδου ςτθν οποία το εξάρτθμα αποκλίνει αρκετά από τθ γραμμικότθτα του. Εικόνα 6.6: 1 db compression point Οι διανυςματικοί αναλυτζσ δικτφου εκτόσ από τθ δυνατότθτα να κάνουν ςάρωςθ ςυχνότθτασ, ζχουν τθ δυνατότθτα να κάνουν και ςάρωςθ ιςχφοσ( power sweep). Ζτςι θ κφρα 1 μπορεί να λειτουργιςει ςαν γεννιτρια ςθμάτων, ενϊ θ κφρα 2 ςαν δζκτθσ. Μποροφμε με αυτόν τον τρόπο να ζχουμε μετριςεισ για το κζρδοσ και τθν ιςχφ εξόδου του ενιςχυτι ςαν ςυναρτιςεισ τθσ ιςχφοσ ειςόδου, και άρα μποροφμε να εντοπίςουμε το 1dB compression point. Αυτό που μασ χρειάηεται προαιρετικά πζρα από τον αναλυτι δικτφου είναι ζνασ μετρθτισ ιςχφοσ(power meter), ςυμβατόσ με τον αναλυτι δικτφου, που κα χρειαςτεί για να τον βακμονομιςουμε ωσ προσ τθ γραμμικότθτα. Οι ςφγχρονοι αναλυτζσ δικτφου, όπωσ ο ANRITSU 3739d που χρθςιμοποιοφμε, περιλαμβάνουν απευκείασ τισ λειτουργίεσ SWEPT POWER GAIN COMPRESSION και SWEPT FREQUENCY GAIN COMPRESSION για τον απευκείασ υπολογιςμό του 1dB compression point, κακϊσ δίνουμε εκ των προτζρων ςτον αναλυτι δικτφου το εφροσ των τιμϊν τθσ ιςχφοσ ειςόδου και το βιμα αφξθςθσ τθσ και δεν χρειάηεται να αλλάηουμε κάκε φορά εμείσ τθν ιςχφ ειςόδου. Επίςθσ μποροφμε να δϊςουμε ςτον αναλυτι και διαφορετικζσ τιμζσ ςυχνοτιτων, οφτωσ ϊςτε να [65]

66 επιτφχουμε μεγαλφτερθ ακρίβεια ςτο P-1dB, κακϊσ αυτό μεταβάλλεται όταν αλλάηει θ ςυχνότθτα. Θ διαδικαςία ςε απλά βιματα είναι θ εξισ: Συνδζουμε τον LNA ανάμεςα ςτισ δφο κφρεσ του αναλυτι δικτφου. Από το μενοφ επιλογϊν των ςαρϊςεων επιλζγουμε τθ ςάρωςθ ιςχφοσ(power sweep) Επιλζγουμε τθν αρχικι τιμι τθσ ιςχφοσ από τθν επιλογι START POWER και τθν τελικι από τθν επιλογι STOP POWER. Επιλζγουμε ςυχνότθτα (CW FREQUENCY). Eπιλζγουμε εξαςκζνθςθ ςτθν κφρα 2(πχ 10 db), διότι θ κφρα 2 ςαν δζκτθσ ζχει ζνα ςυγκεκριμζνο εφροσ τιμϊν ιςχφοσ που μπορεί να δεχκεί και κζλουμε να εξαςφαλίςουμε ότι ακόμα και εάν θ τιμι τθσ ιςχφοσ τθσ εξόδου του ενιςχυτι είναι εκτόσ των ορίων, δεν κα δθμιουργθκεί πρόβλθμα. Επιλζγουμε ςτθν κλίμακα εμφάνιςθσ ανά κουτί το 1dB και πλζον μποροφμε εφκολα να διακρίνουμε το P 1dB. IIP3 Πταν τα ενεργά ςτοιχεία οδθγοφνται ςε μθ γραμμικι λειτουργία, εμφανίηονται ςτθν ζξοδο τουσ ανεπικφμθτεσ αρμονικζσ. Επιπλζον όταν βρεκοφν ςτθν είςοδό τουσ περιςςότεροι του ενόσ τόνοι διαφορετικϊν ςυχνοτιτων, τότε μπορεί να ςυμβεί ανεπικφμθτθ μίξθ μεταξφ των τόνων αυτϊν και των αρμονικϊν τουσ. Πταν λοιπόν ςυμβαίνει αυτι θ μίξθ, ζχουμε τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωςθσ(intermodulation products). Aπό αυτι τθ μίξθ προκφπτουν νζεσ ςυχνότθτεσ. Το προϊόν ενδοδιαμόρφωςθσ που γίνονται περιςςότερο αιςκθτά είναι τα προϊόντα 3 θσ τάξθσ(ip3s) που ονομάηονται ζτςι γιατί προζρχονται από τθ μίξθ τθσ βαςικοφ τόνου ενόσ ςιματοσ και τθσ δεφτερθσ αρμονικισ του άλλου ςιματοσ. Τα προϊόντα 3 θσ τάξθσ πλθςιάηουν περιςςότερο από κάκε άλλο προϊόν ενδοδιαμόρφωςθσ ςε ιςχφ τουσ βαςικοφσ τόνουσ, γι αυτό και ενδιαφερόμαςτε μόνο για αυτά, αφοφ αν είναι ικανοποιθτικά μικρότερα ςε ιςχφ από το επικυμθτό ςιμα ςτθν ζξοδο, τότε τα υπόλοιπα προϊόντα κα είναι ακόμα μικρότερα. Θ μετρικι που κακορίηει το πρόβλθμα τθσ ενδοδιαμόρφωςθσ ονομάηεται IP3. Πςο μεγαλφτερθ είναι θ ποςότθτα αυτι, τόςο μεγαλφτερο είναι το ςιμα που μπορεί να εφαρμοςτεί ςτθν είςοδο χωρίσ να προκαλζςει ενοχλθτικά προϊόντα ενδοδιαμόρφωςθσ. Το IP3 λοιπόν είναι ζνα μζτρο γραμμικότθτασ για το εξάρτθμα, αφοφ τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωςθσ προκαλοφν απόκλιςθ από τθ γραμμικι ςυμπεριφορά. Το ΙP3 μπορεί να εκφραςτεί είτε για τθν είςοδο(iip3), είτε για τθν ζξοδο (OIP3), αλλά μεταξφ τουσ ιςχφει θ ςχζςθ: (1) Tα προϊόντα 3 θσ τάξθσ ςυνειςφζρουν τισ ςυχνότθτεσ 2f1-f2 και 2f2-f1. Εικόνα 6.7: Προϊόντα ενδοδιαμόρφωςησ [66]

67 Θ επίλυςθ του IP3 γίνεται από το παρακάτω διάγραμμα γεωμετρικά, κακϊσ το ςθμείο αυτό είναι το ςθμείο που ενϊνονται οι προεκτάςεισ των ευκειϊν τθσ γραμμικισ περιοχισ λειτουργίασ από τον βαςικό τόνο και τα προϊόντα 3 θσ τάξθσ. Λαμβάνουμε επίςθσ υπόψθ το γεγονόσ ότι για κάκε άυξθςθ τθσ ιςχφοσ ειςόδου κατά 1dB, θ ζξοδοσ του βαςικοφ τόνου αυξάνεται κατά 1dB(αναλογία 1:1), ενϊ θ ζξοδοσ των προϊόντων 3 θσ τάξθσ κατά 3dB(αναλογία 3:1). Από εδϊ προκφπτει ότι : (2) Εικόνα 6.8: Γεωμετρική επίλυςη IP3 όπου θ ιςχφσ εξόδου ςτθ ςυχνότθτα 2f1-f2. Μζτρηςη του IP3 Για τθν μζτρθςθ του IP3 χρειαηόμαςτε 2 γεννιτριεσ ςιματοσ, ζναν ςυνδυαςτι ιςχφοσ(power combiner) και ζναν αναλυτι φάςματοσ με τθν ακόλουκθ ςυνδεςμολογία. Εικόνα 6.9: Διάταξη μζτρηςησ IP3 Οι γεννιτριεσ παράγουν δφο τόνουσ ίδιου πλάτουσ και διαφορετικισ ςυχνότθτασ, οι οποίοι ακροίηονται ςτον ςυνδυαςτι. Ο ςυνδυαςτισ ζχει 2 ειςόδουσ και μία ζξοδο. Αφοφ λάβουμε υπόψθ τισ απϊλειεσ των [67]

68 καλωδίων ςτθν όλθ μζτρθςθ και τθν αφαιρζςουμε, από εξιςϊςεισ (2) και (1) βρίςκουμε το IIP3. τθν ζνδειξθ του αναλυτι φάςματοσ και τισ Αντί για δεφτερθ γεννιτρια μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ζνασ αναλυτισ δικτφου ςτο CW mode. Εικόνα θορύβου Για το χαρακτθριςμό τθσ ςυμπεριφοράσ ενόσ εξαρτιματοσ ωσ προσ το κόρυβο χρθςιμοποιοφμε ςυνικωσ τθν εικόνα κορφβου(noise Figure ι NF), που είναι θ ζκφραςθ του ςυντελεςτι κορφβου ςε db. Μακθματικά ορίηεται ωσ εξισ: Αν ο ςθματοκορυβικόσ λόγοσ(snr) ορίηεται ωσ εξισ, ζ φ ή ζ φ φ φ ή τότε λόγοσ ονομάηεται παράγοντασ κορφβου και θ λογαρικμικι ζκφραςθ του είναι θ εικόνα κορφβου. Μζτρηςη εικόνασ θορφβου Για τθ μζτρθςθ εικόνασ κορφβου απατοφνται μία δίοδοσ κορφβου που κα λειτουργιςει ςαν πθγι κορφβου(noise source) και ζνασ αναλυτισ φάςματοσ με δυνατότθτα μζτρθςθσ τθσ εικόνασ κορφβου. Ζνασ τζτοιοσ αναλυτισ περιλαμβάνει τθν επιλογι μζτρθςθσ εικόνασ κορφβου και του κζρδουσ του εξαρτιματοσ. Ο αναλυτισ δικτφου μετράει το κόρυβο του κυκλϊματοσ ςε δφο διαφορετικά επίπεδα θλεκτρικισ κερμοκραςίασ. Ζνα ςιμα ελζγχου των 28 V που παράγεται από το όργανο ενεργοποιεί τθ δίοδο κορφβου για να παρκεί θ μζτρθςθ ςε μία υψθλι κερμοκραςία και τθν απενεργοποιεί για να παρκεί μία μζτρθςθ ςτθ κερμοκραςία δωματίου. Αφοφ γίνει αυτό ο αναλυτισ φάςματοσ κα δείξει τισ τιμζσ του κορφβου και του κζρδουσ του εξαρτιματοσ. Ο λόγοσ που παίρνουμε μετριςεισ ςε δφο κερμοκραςίεσ είναι ο εξισ. Εάν R1 είναι το επίπεδο του κορφβου που ειςάγεται ςτθν είςοδο, ςτθν ζξοδο κα ζχουμε ζνα κόρυβο (GxR1)+Na, όπου G είναι το κζρδοσ του εξαρτιματοσ και Na ο κόρυβοσ που ειςάγεται από το εξάρτθμα. Εάν γίνει μία μζτρθςθ ςε άλλθ κερμοκραςία τότε ζνασ κόρυβοσ (GxR2)+Na κα μετρθκεί ςτθν ζξοδο. Τα R1 και R2 είναι γνωςτά, αφοφ προζρχονται από τθν πθγι κορφβου, όπωσ και το κζρδοσ και ζτςι από τισ δφο εξιςϊςεισ που δθμιουργοφνται βρίςκεται το Na. Αναλυτικά τα βιματα για τθ μζτρθςθ τθσ εικόνασ κορφβου είναι τα εξισ: Αρχικά βιματα Ανοίγουμε τον αναλυτι φάςματοσ και πατϊντασ το κουμπί MODE, επιλζγουμε μζτρθςθ NOISE FIGURE. [68]

69 Συνδζουμε με ζνα καλϊδιο (ςυνικωσ BNC-BNC) τθν ζξοδο +28 V PULSED που βρίςκεται ςτο πίςω μζροσ του αναλυτι δικτφου, με τθν πθγι κορφβου Βακμονόμθςθ Συνδζουμε ζνα καλϊδιο κατάλλθλου τφπου ςτθν είςοδο του αναλυτι φάςματοσ Συνδζουμε ζνα thru μεταξφ τθσ πθγισ κορφβου και του καλωδίου (από τθν άλλθ πλευρά θ πθγι κορφβου είναι ςυνδεδεμζνθ με τθν ζξοδο +28 V PULSED ), ςφμφωνα με το ςχιμα. Εικόνα 6.10: Βαθμονόμηςη αναλυτή φάςματοσ για μζτρηςη εικόνασ θορφβου Ορίηουμε το εφροσ ςυχνοτιτων ςτο οποίο κα γίνουν οι μετριςεισ(με το κουμπί FREQ). Από το MEAS SETUP επιλζγουμε να ενεργοποιιςουμε το AVG NUMBER(AVG NUMBER ON). Ριζηουμε το κουμπί CALIBRATE και περιμζνουμε να τελειϊςει θ διαδικαςία τθσ βακμονόμθςθσ. Μετριςεισ Στθ κζςθ του thru ςυνδζουμε το εξάρτθμα Ραίρνουμε από τον αναλυτι φάςματοσ τθν εικόνα κορφβου και το κζρδοσ για τον ενιςχυτι. Εικόνα 6.11: Μζτρηςη εικόνασ θορφβου με αναλυτή φάςματοσ [69]

70 Βζβαια θ μζτρθςθ του αναλυτι φάςματοσ κα μποροφςε να γίνει χωρίσ τθ χρθςιμοποίθςθ αναλυτι φάςματοσ, αλλά με τθ χρθςιμοποίθςθ μετρθτι κορφβου(noise figure meter). Αλλά αυτι θ μζκοδοσ δεν κα αναλυκεί περαιτζρω. Εικόνα 6.12: Μζτρηςη εικόνασ θορφβου με figure meter ύνοψη Συνοψίηοντασ, οι μετριςεισ που απαιτοφνται για το χαρακτθριςμό ενόσ ενιςχυτι χαμθλοφ κορφβου(lna) φαίνονται ςτον παρακάτω πίνακα. Παράμετροσ S-παράμετροι Εξοπλιςμόσ VNA(ΑΝΑΛΥΤΘΣ ΔΙΚΤΥΟΥ) Κζρδοσ Αναλυτισ δικτφου /αναλυτισ φάςματοσ 1dB compression point Αναλυτισ δικτφου και μετρθτισ ιςχφοσ(power meter). IIP3 2 Γεννιτριεσ παραγωγισ ςιματοσ(signal generator), ςυνδυαςτισ ιςχφοσ(power combiner), Αναλυτισ φάςματοσ. Noise Figure Δίοδοσ κορφβου ςαν πθγι κορφβου, Αναλυτισ φάςματοσ/δίοδοσ κορφβου, Μετρθτισ κορφβου. [70]

71 6.2 Ενιςχυτϋσ ιςχύοσ Γενικϊ για τουσ ενιςχυτϋσ ιςχύοσ(power Amplifiers ό PA) Ο ςκοπόσ των ενιςχυτϊν ιςχφοσ(pa) ςε ζνα αςφρματο τθλεπικοινωνιακό ςφςτθμα είναι να αυξιςουν το επίπεδο ιςχφοσ του RF κφματοσ που ζχει διαμορφωκεί, ζτςι ϊςτε όταν εκπζμπεται από τθν κεραία του πομποφ και ταξιδεφει προσ τον δζκτθ να είναι αρκετά μεγάλο για να επιτφχει τον επικυμθτό λόγο S/N. Ζνασ ενιςχυτισ ιςχφοσ πρζπει να ζχει τα ακόλουκα χαρακτθριςτικά: Υψθλι απόδοςθ για να ελαχιςτοποιεί τθν κατανάλωςθ ενζργειασ Να μθν παραμορφϊνει τθν διαμορφωμζνθ πλθροφορία που μεταφζρει το RF κφμα. 1-dB compression point ςε υψθλι τιμι τθσ ιςχφοσ εξόδου. Συνεπϊσ θ ςχεδίαςθ τουσ πρζπει να γίνεται ϊςτε και οι δφο αυτζσ προχποκζςεισ να είναι να τθροφνται ικανοποιθτικά. Ανάλογα με το ποςοςτό τθσ περιόδου του ςιματοσ ειςόδου ςτο οποίο παρατθρείται αγωγιμότθτα του transistor του ενιςχυτι, οι ενιςχυτζσ ιςχφοσ ταξινομοφνται ςε τάξεισ: Τάξθ Α Τάξθ Β Τάξθ ΑΒ Τάξθ C Τάξθ D Τάξθ Ε Ζνασ ενιςχυτισ ιςχφοσ ζχει 3 περιοχζσ λειτουργίασ: τθν γραμμικι, τθν μθ-γραμμικι και τον κόρο. Για τθν καλφτερθ κατανόθςθ των διαφορετικϊν περιοχϊν λειτουργίασ ενόσ ενιςχυτι ιςχφοσ, δίνεται παρακάτω ζνα παράδειγμα ενόσ ενιςχυτι που ζχει ςχεδιαςτεί να λειτουργεί ςτα 1.9GHz μζςα από τθν γραφικι παράςταςθ ιςχφοσ ειςόδου-ιςχφοσ εξόδου. Εικόνα 6.13: Διάγραμμα 3 περιοχϊν λειτουργίασ ενιςχυτή ιςχφοσ Από εδϊ βλζπουμε ότι από τα -10 dbm ζωσ τα -2dBm το κζρδοσ είναι ςτακερό και ίςο με 23dB. Αυτι είναι θ γραμμικι περιοχι λειτουργίασ. Κακϊσ αυξάνεται θ ιςχφσ ειςόδου πάνω από τα -2 dbm, θ ιςχφσ εξόδου [71]

72 ςυνεχίηει να αυξάνεται, αλλά κακϊσ το κζρδοσ δεν είναι πλζον ςτακερό(μεταβάλλεται με τθν τιμι τθσ ιςχφοσ ειςόδου), θ αφξθςθ αυτι είναι μθ-γραμμικι. Στα 3 dbm το κζρδοσ ζχει πζςει 1dB κάτω από τθ ευκεία γραμμι του κζρδουσ τθσ γραμμικισ περιοχισ και άρα είναι το 1-dB compression point. Θ ιςχφσ ειςόδου ςε αυτό το ςθμείο είναι θ μζγιςτθ τιμι που μπορεί να εφαρμοςτεί ςτθν είςοδο χωρίσ να υπάρχει παραμόρφωςθ ςτθν ζξοδο. Κακϊσ θ ιςχφσ ειςόδου αυξάνεται ςτα 10 dbm, ο ενιςχυτισ φτάνει ςτον κόρο, όπου περαιτζρω αφξθςθ τθσ ιςχφοσ ειςόδου δεν μεταβάλλει τθν τιμι τθσ ιςχφοσ εξόδου. Σε αυτό το ςθμείο θ ζξοδοσ του ενιςχυτι είναι +27 dbm, δθλαδι 0.5W. Θ μθ αφξθςθ τθσ εξόδου οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι ο ενιςχυτισ δεν μπορεί να παρζχει περιςςότερθ ιςχφ από τθν DC ιςχφ που τον τροφοδοτεί. Θ λειτουργία κοντά ςτον κόρο προκαλεί παραμόρφωςθ, ενϊ θ λειτουργία ςτθ γραμμικι περιοχι προκαλεί μικρι απόδοςθ. Γιϋ αυτό ζνα καλό ςθμείο λειτουργίασ για τον ενιςχυτι είναι το 1-dB compression point, όπου ζχουμε ζνα ςυμβιβαςμό μεταξφ παραμόρφωςθσ και απόδοςθσ Μετρόςεισ ςε ενιςχυτϋσ ιςχύοσ Για να χαρακτθριςτεί ζνασ ενιςχυτισ ιςχφοσ πρζπει να μετρθκοφν οι ακόλουκεσ παράμετροι[1]: Κζρδοσ(μζτρο και φάςθ) και ιςχφσ εξόδου ςαν ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ( ) Κζρδοσ και ιςχφσ εξόδου ςαν ςυνάρτθςθ τθσ ιςχφοσ ειςόδου( ) 1-dB compression point Μετατροπι AM ςε PM(AM to PM conversion) Ιςχφσ αρμονικϊν Οι πρϊτεσ τζςςερισ παράμετροι μετριοφνται με διανυςματικό αναλυτι δικτφου(vna) ςφμφωνα με τθν παρακάτω απλι ςυνδεςμολογία. Θ ιςχφσ αρμονικϊν απαιτεί αναλυτι φάςματοσ. Εικόνα 6.14: Διάταξη μζτρηςησ S-παραμζτρων ενιςχυτϊν ιςχφοσ Εδϊ βλζπουμε ότι μεταξφ του εξαρτιματοσ και τθσ κφρασ 2 του αναλυτι δικτφου ζχουμε ςυνδζςει ζναν εξαςκενθτι των 10dB. Θ ςφνδεςθ του εξαςκενθτι είναι απαραίτθτθ, διότι ο αναλυτισ δικτφου ζχει ζνα ανϊτερο όριο ςτθν ιςχφ που μπορεί να δεχκεί, γιατί μετά από κάποια τιμι ιςχφοσ ο αναλυτισ δικτφου αρχίηει να λειτουργεί και αυτόσ μθ γραμμικά και ζτςι υπάρχει ο κίνδυνοσ λανκαςμζνων μετριςεων. Ο ενιςχυτισ ιςχφοσ ςτθ ζξοδό του ζχει μεγάλθ τιμι ιςχφοσ και ζτςι για να αποφφγουμε αυτι θ τιμι να είναι [72]

73 μεγαλφτερθ από το επιτρεπτό όριο που μπορεί να δεχκεί ο αναλυτισ δικτφου, τοποκετοφμε πριν τθ κφρα 2 εξαςκενθτι. Για να αφαιρεκεί θ επίδραςθ του εξαςκενθτι από τισ μετριςεισ, πρζπει να είναι ςυνδεδεμζνοσ κατά τθ διαδικαςία τθσ βακμονόμθςθσ. Μϋτρηςη S-παραμϋτρων Θ μζτρθςθ των S-παραμζτρων ςυναρτιςει τθσ ςυχνότθτασ γίνεται κατά τα γνωςτά. Αφοφ κάνουμε τθν βακμονόμθςθ και ςυνδζςουμε το εξάρτθμα όπωσ προαναφζρκθκε, βλζπουμε τθν ζνδειξθ του αναλυτι δικτφου για το μζτρο και τθ φάςθ τουσ ςυναρτιςει τθσ ςυχνότθτασ. Το είναι το κζρδοσ ςυναρτιςει τθσ ςυχνότθτασ. Μετρόςεισ ςυναρτόςει τησ ιςχύοσ ειςόδου Ακολουκϊντασ τθν ίδια διαδικαςία που αναφζρκθκε ςτουσ ενιςχυτζσ χαμθλοφ κορφβου για τθν μζτρθςθ του 1-dB compression point με τθν επιλογι SWEPT POWER GAIN COMPRESSION και αφοφ γίνει ςτο μεταξφ βακμονόμθςθ ιςχφοσ(αν δεν ζχει ιδθ γίνει ςε προθγοφμενεσ μετριςεισ), παίρνουμε από τον αναλυτι δικτφου τα αποτελζςματα των μετριςεων για το ςυναρτιςει τθσ ιςχφοσ ειςόδου και το 1-dB compression point. Μϋτρηςη μετατροπόσ AM ςε PM(AM to PM conversion) Θ φάςθ του με τθν αφξθςθ τθσ ιςχφοσ ειςόδου πζρα από το 1-dB compression point, αρχίηει και μεταβάλλεται με τθ μεταβολι τθσ ιςχφοσ ειςόδου, ενϊ πιο πριν ιταν ςτακερι. Θ μεταβολι τθσ αυτι τθσ φάςθσ μετά το P 1-dB ςε μοίρεσ/db είναι θ παράμετροσ μετατροπι AM ςε PM. Για παράδειγμα για ζνα ενιςχυτι που ζχει τθν ακόλουκθ ςυμπεριφορά, θ μετατροπι AM ςε PM είναι 0.5 /db (αφοφ το κάκε κελί ςτον οριηόντιο άξονα είναι 2dB). Εικόνα 6.15: Μετατροπή AM ςε PM Μϋτρηςη ιςχύοσ αρμονικών Για αυτι τθ μζτρθςθ χρειαηόμαςτε μία γεννιτρια παραγωγισ ςθμάτων και ζναν αναλυτι φάςματοσ. Ζτςι ςτινεται θ παρακάτω διάταξθ: [73]

74 Εικόνα 6.16: Μζτρηςη ιςχφοσ αρμονικϊν Αφοφ ςιγουρευτοφμε ότι θ γεννιτρια ςθμάτων δεν δθμιουργεί από μόνθ τθσ αρμονικζσ, παίρνουμε από τον αναλυτι φάςματοσ το φάςμα ιςχφοσ του ενιςχυτι, όπου φαίνεται κακαρά θ ιςχφσ τθσ κάκε αρμονικισ. Κανονικά θ ιςχφσ των αρμονικϊν πρζπει να είναι πολφ χαμθλότερθ από τθν ιςχφ τθσ βαςικισ ςυχνότθτασ. Το αποτζλεςμα μίασ τζτοιασ μζτρθςθσ με κεντρικι ςυχνότθτα τα 2.5GΘz είναι ζτςι: Εικόνα 6.17: Παράδειγμα μζτρηςησ ιςχφοσ αρμονικϊν ύνοψη Συνοψίηοντασ τισ μετριςεισ που χρειάηονται για τον χαρακτθριςμό ενόσ ενιςχυτι ιςχφοσ ζχουμε τον παρακάτω πίνακα. Μζτρηςη S-παράμετροι ςυναρτιςει τθσ ςυχνότθτασ ςυναρτιςει τθσ ιςχφοσ ειςόου 1-dB compression point Εξοπλιςμόσ Αναλυτισ Δικτφου Αναλυτισ δικτφου(και μετρθτισ ιςχφοσ για τθ βακμονόμθςθ) Αναλυτισ δικτφου(και μετρθτισ ιςχφοσ για τθ βακμονόμθςθ) Μετατροπι AM ςε PM Αναλυτισ δικτφου(και μετρθτισ ιςχφοσ για τθ βακμονόμθςθ) Ιςχφσ αρμονικϊν Γεννιτρια παραγωγισ ςθμάτων και αναλυτισ φάςματοσ [74]

75 6.3 VCO Γενικϊ για το VCO Ζνασ ταλαντωτισ ελεγχόμενοσ από τάςθ(voltage control oscillator) είναι ζνασ ταλαντωτισ του οποίου θ ςυχνότθτα εξόδου ελζγχεται από μία DC τάςθ ειςόδου. Aυτό ςθμαίνει ότι θ ςυχνότθτα εξόδου μεταβάλλεται, αν μεταβλθκεί θ DC τάςθ ελζγχου. Σε ζναν ιδανικό ταλαντωτι ελεγχόμενο από τάςθ αυτι θ μεταβολι τθσ ςυχνότθτασ εξόδου είναι γραμμικι, όταν θ είςοδοσ μεταβάλλεται γραμμικά. Εικόνα 6.18: VCO Στα VCO ορίηουμε ωσ κζρδοσ ι ευαιςθηςία ι αλλιϊσ ςταθερά απόκλιςησ, μία παράμετρο που είναι θ κλίςθ ςυχνότθτασ ωσ προσ τθν τάςθ και ορίηεται ωσ εξισ: [Hz/V] Εικόνα 6.19:Κζρδοσ ή ευαιςθηςία VCO Πταν θ τάςθ τθσ ειςόδου ελζγχου είναι μθδενικι, τότε το VCO δθμιουργεί ζνα θμιτονοειδζσ ςτακερισ ςυχνότθτασ. Πταν εφαρμόηεται τάςθ ειςόδου, τότε θ ςυχνότθτα εξόδου του VCO είναι : = και δεδομζνου ότι θ φάςθ είναι το ολοκλιρωμα τθσ ςυχνότθτασ ςτο πεδίο του χρόνου, θ ζξοδοσ ενόσ θμιτονικοφ VCO είναι: ] [75]

76 Ζνα τυπικό VCO αποτελείται από τζςςερα μζρθ : Ζνα RF τρανηίςτορ για να δθμιουργθκεί το RF ςιμα Ζναν ηεφκτθ μίασ κατεφκυνςθσ(directional coupler) για να πάρει δείγμα από το RF ςιμα. Ζναν RF resonator για να ρυκμίηει τθ ςυχνότθτα του ταλαντωτι Μία δίοδο varactor για να προςαρμόηει τθ ςυχνότθτα του resonator. Είναι μία δίοδοσ που αποτελείται από μια ανάςτροφα πολωμζνθ pn επαφι, τθσ οποίασ θ χωρθτικότθτα εξαρτάται από τθν τιμι τθσ ανάςτροφθσ τάςθσ που εφαρμόηεται ςτα άκρα τθσ. Εικόνα 6.20: Μζρη που αποτελοφν το VCO Πταν το VCO τίκεται αρχικά ςε λειτουργία, το τρανηίςτορ ενιςχφει τον ευρυηωνικό κόρυβο. Ζνα δείγμα του ενιςχυμζνου κορφβου ενϊνεται με τον resonator μζςω του ηεφκτθ. Ζτςι μόνο ο ενιςχυμζνοσ κόρυβοσ ςτθν επικυμθτι ςυχνότθτα μεταδίδεται μζςω του resonator πίςω ςτθν είςοδο του ενιςχυτι. Ο ευρυηωνικόσ κόρυβοσ και θ μία ςυχνότθτα που πζραςε από τον resonator ενιςχφονται ξανά. Ο resonator μπλοκάρει ξανά τον ενιςχυμζνο κόρυβο, αλλά θ ςυχνότθτα που πζραςε αρχικά από τον resonator ενιςχφεται τϊρα για δεφτερθ φορά. Αυτι θ διαδικαςία ςυνεχίηεται ζωσ ότου θ ςυχνότθτα που περνάει να φτάςει ςτθν ιςχφ του κόρου του ενιςχυτι, δθλαδι περίπου ςτα 0 dbm Μετρόςεισ ςτο VCO Οι παράμετροι που μετριοφνται για να χαρακτθριςτεί πλιρωσ ζνα VCO είναι οι εξισ[9]: 1. Ιςχφσ και ςυχνότθτα εξόδου 2. Ευαιςκθςία ελζγχου(tuning sensitivity) και γραμμικότθτα 3. Αρμονικζσ και ανεπικφμθτεσ ςυχνότθτεσ(spurious frequencies) 4. Frequency pushing 5. Frequency pulling 6. Εφροσ διαμόρφωςθσ(modulation bandwidth) 7. Φάςθ κορφβου(phase noise) [76]

77 Ιςχύσ και ςυχνότητα εξόδου Μία προτεινόμενθ διάταξθ για τθ μζτρθςθ τθσ ιςχφοσ και τθσ ςυχνότθτασ εξόδου είναι θ εξισ: Εικόνα 6.21: Διάταξη μζτρηςησ ιςχφοσ και ςυχνότητασ εξόδου VCO Το bias tee είναι ζνα τρίκυρο δίκτυο που χρθςιμοποιείται για τθ ρφκμιςθ τθσ DC πόλωςθσ θλεκτρονικϊν εξαρτθμάτων, χωρίσ να ενοχλοφνται άλλα εξαρτιματα. Το bias tee είναι ζνασ τριπλζκτθσ, Θ κφρα χαμθλισ ςυχνότθτασ χρθςιμοποιείται για να ρυκμίςει τθν πόλωςθ, θ κφρα υψθλισ ςυχνότθτασ επιτρζπει να περνάνε τα RF ςιματα, αλλά μπλοκάρει τθν πόλωςθ, ενϊ θ ςυνδυαςμζνθ κφρα ζχει και το RF ςιμα και τθν πόλωςθ. Ονομάηεται tee γιατί ςυχνά οι τρεισ κφρεσ διατάςςονται ςαν Τ. Εικόνα 6.22: bias tee Τα bias tees εδϊ χρθςιμοποιοφνται ςτθ γραμμζσ των τάςεων τροφοδοςίασ για μειωκεί ο κόρυβοσ. Θ ζξοδοσ Α του VCO διαιρείται ςε ςε δφο ςιματα B και C, τα οποία ςυνδζονται ςτον αναλυτι φάςματοσ(d) και ςτον μετρθτι ιςχφοσ(e) αντίςτοιχα. Οι ςφγχρονοι αναλυτζσ φάςματοσ ζχουν ικανοποιθτικι ακρίβεια ςτθ μζτρθςθ τθσ ςυχνότθτασ και ζτςι ο αναλυτισ φάςματοσ χρθςιμοποιείται για τθ μζτρθςθ τθσ ςυχνότθτασ. Το άνοιγμα(span) και το εφροσ ανάλυςθσ ρυκμίηονται ανάλογα για τθν μζτρθςθ. Το ςφςτθμα βακμονομείται μετρϊντασ τισ απϊλειεσ του δρόμου από το Α ζωσ το Ε ςαν ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ. Αυτζσ οι απϊλειεσ χρθςιμοποιοφνται για να μετρθκεί θ πραγματικι ιςχφσ εξόδου του VCO. Θ ςυχνότθτα του VCO αλλάηει μεταβάλλοντασ τθν τάςθ ελζγχου(tuning voltage). Ζτςι για διαφορετικζσ τάςεισ ελζγχου, θ ιςχφσ εξόδου του VCO διαβάηεται από τον μετρθτι ιςχφοσ. Θ ςυχνότθτα διαβάηεται από τον αναλυτι φάςματοσ χρθςιμοποιϊντασ ςυνάρτθςθ εφρεςθσ κορυφισ(peak search). Ζνασ υπολογιςτισ μπορεί να ςυνδεκεί ςτο ςφςτθμα για να αυτοματοποιθκοφν οι μετριςεισ. [77]

78 Ευαιςθηςύα ελϋγχου(tuning sensitivity) και γραμμικότητα Θ ευαιςκθςία ελζγχου ορίηεται ωσ θ αλλαγι τθσ ςυχνότθτασ ανά μονάδα τάςθσ τθσ τάςθσ ελζγχου. Χρθςιμοποιείται θ διάταξθ που χρθςιμοποιικθκε παραπάνω. Για διαφορετικζσ τάςεισ ςυντονιςμοφ, διαβάηονται από τον αναλυτι φάςματοσ διαφορετικζσ ςυχνότθτεσ. Δθμιουργείται ζτςι θ χαρακτθριςτικι ςυχνότθτασ τάςθσ. Θ κλίςθ αυτισ τθσ χαρακτθριςτικισ είναι θ ευαιςκθςία τάςθσ ςυντονιςμοφ. Αρμονικϋσ και ανεπιθύμητεσ ςυχνότητεσ(spurious frequencies) Τα VCO ςυνικωσ λειτουργοφν με υψθλι μθ-γραμμικότθτα και επομζνωσ δθμιουργοφν αρμονικζσ. Θ διάταξθ που χρθςιμοποιικθκε παραπάνω για τον αναλυτι φάςματοσ μπορεί να χρθςιμοποιθκεί και για αυτιν τθν μζτρθςθ. Το επίπεδο των αρμονικϊν μετριζται ςε ςχζςθ με το επίπεδο του ςιματοσ τθσ βαςικισ ςυχνότθτασ. Ζνασ marker τοποκετείται ςτο βαςικό ςιμα και χρθςιμοποιϊντασ delta markers τα επίπεδα των αρμονικϊν μετριοφνται ςυγκριτικά με το βαςικό ςιμα. Frequency pushing Το ςπρϊξιμο ςυχνότθτασ (frequency pushing) προκαλείται από τθν ευαιςκθςία του VCO ςτισ τάςεισ τροφοδοςίασ. Το ςπρϊξιμο λοιπόν είναι ζνα μζτρο τθσ ευαιςκθςίασ του VCO ωσ προσ τθ τάςθ και εκφράηεται ςε MHz/Volt. Θ ίδια διάταξθ με τα παραπάνω επίςθσ μπορεί να χρθςιμοποιθκεί και για αυτι τθ μζτρθςθ. Θ DC τάςθ τροφοδοςίασ(vcc) ρυκμίηεται ςτθν ονομαςτικι τθσ τιμι και θ ςυχνότθτα του VCO καταγράφεται για τισ διαφορετικζσ τάςεισ ελζγχου(tune voltages). Στθ ςυνζχεια θ τάςθ τροφοδοςίασ αυξάνεται κατά 1 volt και θ ςυχνότθτα μετριζται ξανά για διαφορετικζσ τάςεισ ελζγχου. Σε μία δοκείςα τάςθ ελζγχου θ αλλαγι τθσ ςυχνότθτασ για αλλαγι τθσ τάςθσ τροφοδοςίασ κατά 1 volt είναι το ςπρϊξιμο ςυχνότθτασ(frequency pushing). Ρροφανϊσ είναι διαφορετικό για διαφορετικζσ τάςεισ ελζγχου. Frequency pulling To τράβθγμα ςυχνότθτασ(frequency pulling) είναι μία μζτρθςθ τθσ αλλαγισ τθσ ςυχνότθτασ ωσ προσ ζνα μθ-ιδανικό φορτίο. Μετριζται ςθμειϊνοντασ τθν αλλαγι τθσ ςυχνότθτασ που προκαλείται από ζνα φορτίο με ονομαςτικζσ απϊλειεσ ανάκλαςθσ(return loss) 2dB με όλεσ τισ πικανζσ φάςεισ. Θ RF απομόνωςθ του VCO ςτθν Vcc κφρα είναι αρκετι για να απεικονίςουμε τθν ςυχνότθτα. Θ διάταξθ που χρθςιμοποιείται για τθν μζτρθςθ του pulling φαίνεται παρακάτω. Το pulling κα διαφζρει κακϊσ κινοφμαςτε ςτο εφροσ ςυχνοτιτων λειτουργίασ και ενδζχεται να χρειάηεται να μετρθκεί ςε αρκετά ςθμεία αυτοφ του εφρουσ λειτουργίασ. Θ ςυχνότθτα εξόδου του αναλυτι φάςματοσ ρυκμίηεται ςτθν ςτθ ςυχνότθτα εξόδου του VCO. Οι μετριςεισ αποτελοφνται από τα εξισ βιματα: 1. υκμίηεται το phase shifter να πάρει τθ μζγιςτθ ςυχνότθτα ςυνδζοντασ ζνα βραχυκφκλωμα ςτο τζλοσ τθσ γραμμισ. 2. Χρθςιμοποιοφμε τθν εφρεςθ κορυφϊν(peak search) και κανονικοποιοφμε τον marker ςτο Αλλάηουμε τθν φάςθ ανάκλαςθσ κατά 180 ο, αντικακιςτϊντασ το βραχυκφκλωμα με ανοικτό κφκλωμα. 4. υκμίηεται το phase shifter ςτο ελάχιςτο. 5. Χρθςιμοποιοφμε τθν εφρεςθ κορυφϊν και βρίςκουμε τθν τιμι του frequence pulling. [78]

79 Εικόνα 6.23: Διάταξη μζτρηςησ frequency pulling ςε VCO Εύροσ διαμόρφωςησ Το εφροσ ελζγχου είναι μία μζτρθςθ τθσ απόκριςθσ ςυχνότθτασ τθσ κφρασ ελζγχου. Μετριζται χρθςιμοποιϊντασ τθ διάταξθ παρακάτω: ϋ Εικόνα 6.24: Διάταξη μζτρηςησ εφρουσ ελζγχου ςε VCO με παλμογράφο Θ αρχι ςτθν οποία ςτθρίηεται θ μζτρθςθ είναι θ διαμόρφωςθ του VCO με ζνα θμιτονικό κφμα και ςτθ ςυνζχεια θ χρθςιμοποίθςθ ενόσ αποδιαμορφωτι για να αποδιαμορφϊςει το αρχικό διαμορφωμζνο ςιμα. Εάν θ απόκριςθ ςυχνότθτασ του αποδιαμορφωτι είναι αρκετά ευρεία, αυτι θ τεχνικι είναι καλι για να χαρακτθριςτεί θ απόκριςθ ςυχνότθτασ τθσ κφρασ διαμόρφωςθσ. Θ ζξοδοσ του VCO διαιρείται ςε δφο μζρθ χρθςιμοποιϊντασ ζναν διαχωριςτι ιςχφοσ(power splitter). O μίκτθσ λειτουργεί ςαν ανιχνευτισ φάςθσ(phase detector) και αποδιαμορφϊνει το FM ςιμα. Το ςιμα εξόδου καταλιγει ςτον παλμογράφο μζςω ενόσ χαμθλοπερατοφ φίλτρου. Θ ςυχνότθτα του διαμορφωμζνου ςιματοσ κρατϊντασ το πλάτοσ ςτακερό μεταβάλλεται, ξεκινϊντασ από μία ςυχνότθτα πολφ κοντά ςτθν DC μζχρι θ ζνδειξθ του παλμογράφου να πζςει κατά 3dB ι ςτο τθσ τιμισ τθσ χαμθλισ ςυχνότθτασ. Αυτι θ ςυχνότθτα καταγράφεται ςαν το 3dB εφροσ διαμόρφωςθσ. Για να αυτοματοποιιςουμε τθ διαδικαςία μποροφμε να αντικαταςτιςουμε τθ πθγι διαμόρφωςθσ και τον παλμογράφο με ζναν αναλυτι δικτφου. [79]

80 Εικόνα 6.25: Διάταξη μζτρηςησ εφρουσ ελζγχου ςε VCO με αναλυτή δικτφου Φϊςη θορύβου Το πλάτοσ τθσ ιςχφοσ ενόσ ταλαντωτι ςαν ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ ςε ζνα μικρό εφροσ ςυχνοτιτων γφρω από τθν κεντρικι είναι ζτςι: Εικόνα 6.26: Πλάτοσ ιςχφοσ ςαν ςυνάρτηςη τησ ςυχνότητασ Ζνα γράφθμα τθσ ιςχφοσ ενόσ τζλειου ταλαντωτι ςαν ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ κα ιταν μία απλι γραμμι, πράγμα που κα ςιμαινε ότι ο ταλαντωτισ ζχει για κάκε ςυχνότθτα μία ιςχφ εξόδου. Εξαιτίασ όμωσ του κορφβου ςτθν ιςχφ τθσ τάςθ τροφοδοςίασ, θ ςυχνότθτα του ταλαντωτι είναι διαμορφωμζνθ κατά ςυχνότθτα για ζνα πολφ μικρό εφροσ γφρω από τθν κφρια ςυχνότθτα του ταλαντωτι. Αυτι θ μεταβολι τθσ ςυχνότθτασ ονομάηεται φάςθ κορφβου. Θ ζξοδοσ του ταλαντωτι μπορεί να κεωρθκεί ςαν φάςμα ςυχνότθτασ. Θ φάςθ κορφβου ορίηεται ςαν θ διαφορά ιςχφοσ ςε ζνα εφροσ 1Hz ςε μία ςυχνότθτα από τθν κεντρικι ςυχνότθτα. Θ φάςθ κορφβου μετριζται ςε db κάτω από τθν ιςχφ κεντρικισ ςυχνότθτασ(dbc). Ο ρόλοσ τθσ φάςθσ κορφβου ςε ζνα RF τθλεπικοινωνιακό ςφςτθμα είναι θ εξισ: Θ ψθφιακι πλθροφορία διαμορφϊνεται ςε μία RF κεντρικι ςυχνότθτα με βθματικζσ αλλαγζσ φάςθσ. Θ φάςθ κορφβου προκαλεί λάκθ πλθροφορίασ(bit errors). [80]

81 Μϋτρηςη τησ φϊςησ θορύβου Θ μζτρθςθ τθσ φάςθσ κορφβου του VCO γίνεται με τθ χριςθ αναλυτι φάςματοσ ςφμφωνα με τθν παρακάτω διάταξθ: Τα βιματα είναι τα εξισ: Εικόνα 6.27: Μζτρηςη φάςησ θορφβου ςε VCO 1. Δθμιουργείται θ παραπάνω διάταξθ. Είναι πολφ ςθμαντικό θ τροφοδοςία ιςχφοσ να είναι εξάρτθμα με χαμθλό κόρυβο. Μία καλι λφςθ είναι να χρθςιμοποιθκεί μπαταρία. Επίςθσ τα DC καλϊδια που ςυνδζουν το εξάρτθμα πρζπει να είναι όςο το δυνατό πιο κοντά, ϊςτε να μθν επιτραπεί αφξθςθ του κορφβου. 2. υκμίηεται ο αναλυτισ φάςματοσ ςτθν επικυμθτι κεντρικι ςυχνότθτα με span 10MHz. 3. υκμίηεται το εφροσ ανάλυςθσ (resolution bandwidth) ςτο 1ΚΘz. 4. Ενεργοποιοφμε το delta mode για τον marker και ρυκμίηουμε τα περικϊρια ςυχνοτιτων(πχ MINIMUM FREQUENCY OFFSET=10KHz και MAXIMUM FREQUENCY OFFSET=10MHz). 5. υκμίηεται το VCO ςτθν επικυμθτι κεντρικι ςυχνότθτα(ςτθν ίδια που ρυκμίςτθκε και ο αναλυτισ φάςματοσ). 6. Ενεργοποιοφμε τθν λειτουργία μζτρθςθσ φάςθσ κορφβου(pn utility) ςτον αναλυτι φάςματοσ και με τον marker κορφβου διαβάηουμε τθν ζνδειξθ ςε db κάτω από τθν ιςχφ κεντρικι ςυχνότθτασ. Σύγχρονεσ μετρόςεισ ςε VCO Τα τελευταία χρόνια οι εταιρείεσ καταςκευισ οργάνων μετριςεων ζχουν καταςκευάςει όργανα μετριςεων ειδικά για μετριςεισ ςε VCO/PLL. Τζτοια όργανα είναι το ςφςτθμα 4352S τθσ AGILENT και το HP4352S τθσ HP. Με αυτά τα όργανα όλεσ οι μετριςεισ που αναφζρκθκαν για τα VCO είναι απλουςτευμζνεσ, κακϊσ τα όργανα ζχουν ενςωματωμζνεσ τθ DC τροφοδοςία του VCO και τθν πθγι τάςθσ ελζγχου και ζτςι ζχουμε πολφ απλζσ διατάξεισ, κακϊσ δεν χρειάηεται ςυνικωσ να ςυνδεκοφν εξωτερικζσ τροφοδοςίεσ. Εικόνα 6.28: φγχρονεσ μετρήςεισ ςε VCO [81]

82 6.4 Βρόχοσ κλειδώματοσ φϊςησ(pll) Γενικϊ για το PLL Ο βρόχοσ κλειδϊματοσ φάςθσ (PLL) είναι ζνα ςφςτθμα με ανάδραςθ που ςυνδυάηει ζνα ταλαντωτι ελεγχόμενο από τάςθ(vco) και ζναν ςυγκριτι φάςθσ, ζχοντασ τουσ ςυνδεδεμζνουσ ζτςι ϊςτε ο ταλαντωτισ να διατθρεί ςτθν ζξοδο του μία ςτακερι γωνία φάςθσ ςε ςχζςθ με ζνα ςιμα αναφοράσ. Για παράδειγμα ζνα PLL μπορεί να χρθςιμοποιθκεί για να παράγουμε ςτακερισ ςυχνότθτασ ςιματα εξόδου από ζνα δοκζν ςιμα χαμθλισ ςυχνότθτασ ςτθν είςοδο. Το PLL μπορεί να αναλυκεί ςαν ζνα κοινό ςφςτθμα αρνθτικισ ανάδραςθσ με όρουσ κζρδουσ ανοικτοφ βρόχου και κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου, όπου ιςχφουν οι παρακάτω ςχζςεισ[10]. Κζρδοσ ανοικτοφ βρόχου: G(s) Κζρδοσ βρόχου: G(s)xH(s) Κζρδοσ κλειςτοφ βρόχου: Ζνα τυπικό PLL αποτελείται από τα εξισ μζρθ: Ζναν ανιχνευτι φάςθσ(pd ι Phase detector) και ζνα charge pump(cp), που μαηί αποτελοφν ζναν ςυγκριτι φάςθσ(ι αλλιϊσ ανιχνευτι λάκουσ). Το charge pump είναι ζνα είδοσ DC ςε DC μετατροπζα που χρθςιμοποιεί πυκνωτζσ για να παράγει χαμθλότερθ ι υψθλότερθ DC τάςθ από μία τάςθ αναφοράσ. Ζνα χαμθλοπερατό φίλτρο, που ονομάηεται φίλτρο βρόχου Ζναν ταλαντωτι ελεγχόμενο από τάςθ(vco) Ζναν διαιρζτθ ςτθν ανάδραςθ με λόγο 1/Ν Εικόνα 6.29: Συπικά μζρη ενόσ PLL Θ λειτουργία του ςυνοψίηεται ωσ εξισ: [82]

83 Το VCO ταλαντϊνεται ςε μία γωνιακι ςυχνότθτα. Ζνα ποςοςτό του ςιματοσ εξόδου του VCO φτάνει με τθν ανάδραςθ ςτον ανιχνευτι λάκουσ, αφοφ πρϊτα περάςει μζςα από το διαιρζτθ με λόγο 1/Ν. Αυτό το ςιμα με τθ διαιρεμζνθ κατά Ν ςυχνότθτα τροφοδοτείται ςτθν μία είςοδο του ανιχνευτι λάκουσ. Στθν άλλθ είςοδο του ανιχνευτι λάκουσ βρίςκεται ζνα ςιμα με μία ςυχνότθτα αναφοράσ. Ο ανιχνευτισ λάκουσ ςυγκρίνει τα δφο ςιματα ωσ προσ τθν ςυχνότθτα. Πταν τα δφο ςιματα ζχουν τθν ίδια ςυχνότθτα, θ ζξοδοσ του ανιχνευτι γίνεται ςτακερι και ο βρόχοσ χαρακτθρίηεται «κλειδωμζνοσ» και ζχουμε. Πταν, ο ανιχνευτισ λάκουσ παράγει και ςτζλνει ςυνεχείσ παλμοφσ ςτο χαμθλοπερατό φίλτρο. Αυτό μετατρζπει τουσ παλμοφσ ςε μία τάςθ που ελζγχει το VCO. Τότε θ ςυχνότθτα εξόδου του VCO αυξάνει ι μειϊνεται αναλόγωσ κατά όπου θ ευαιςκθςία του VCO και θ μεταβολι τθσ τάςθσ. Αυτό ςυνεχίηεται ζωσ ότου ο ανιχνευτισ λάκουσ ζχει e(s)= 0 και κλειδϊςει ο βρόχοσ. Τότε το charge pump παράγει τθν κατάλλθλθ ςυχνότθτα για να διατθρθκεί θ τιμι τθσ ειςόδου μθδενικι και ο βρόχοσ κλειδωμζνοσ Μετρόςεισ ςε PLL Oι κυριότερεσ παράμετροι που μετριοφνται για να χαρακτθριςτεί ολόκλθρο το PLL είναι: Θ φάςθ κορφβου (phase noise) που προκφπτει από τθ φάςθ κορφβου του VCO ςτον κλειςτό βρόχο Χαρακτθριςτικά ανεπικφμθτων ςυχνοτιτων (Spurious characteristics) Απόκριςθ ςυχνότθτασ και ζλεγχοσ εφρουσ απόκριςθσ ςυχνότθτασ Ταχφτθτα μεταγωγισ(switching speed) Φϊςη θορύβου Θ ςυνολικι φάςθ κορφβου του PLL επθρεάηεται από τον κόρυβο που εμφανίηεται ςτα διάφορα ςτάδια του, κακϊσ και από τθν επίδραςθ του κλειςτοφ βρόχου ςε αυτοφσ τουσ παράγοντεσ κορφβου. Ζτςι ζχουμε τουσ εξισ παράγοντεσ: είναι ο κόρυβοσ που εμφανίηεται ςτθν είςοδο αναφοράσ του ανιχνευτι φάςθσ. είναι ο κόρυβοσ που οφείλεται ςτον διαιρζτθ ςτθν ανάδραςθ και εμφανίηεται ςτθν άλλθ είςοδο του ανιχνευτι φάςθσ. είναι ο κόρυβοσ ςτθν ζξοδο του ανιχνευτι λάκουσ είναι θ φάςθ κορφβου του VCO. H ςυνολικι φάςθ κορφβου του PLL εξαρτάται από τουσ παραπάνω παράγοντεσ. Θ επίδραςθ όλων αυτϊν των παραγόντων ακροίηεται για να δϊςει τον ςυνολικό κόρυβο του ςυςτιματοσ. Ζτςι ζχουμε: [83]

84 Ππου θ ςυνολικι φάςθ κορφβου ςτθν ζξοδο, θ ιςχφσ κορφβου ςτθν ζξοδο που οφείλεται ςτα και, θ ιςχφσ κορφβου ςτθν ζξοδο που οφείλεται ςτο και θ ιςχφσ κορφβου ςτθν ζξοδο που οφείλεται ςτο. Σφμφωνα με τα κζρδθ ανοικτοφ και κλειςτοφ βρόχου ζχουμε: Μϋτρηςη φϊςησ θορύβου Θ μζτρθςθ τθσ φάςθσ κορφβου γίνεται με τθ χρθςιμοποίθςθ αναλυτι φάςματοσ και μπορεί να πραγματοποιθκεί με τθν παρακάτω διάταξθ: Ακολουκϊντασ τα παρακάτω βιματα: 1. υκμίηουμε τθν ςυχνότθτα 2. υκμίηουμε τθν κεντρικι ςυχνότθτα και το span ςτον αναλυτι φάςματοσ 3. υκμίηουμε το εφροσ ςυχνότθτασ και τα περικϊρια ςυχνοτιτων 4. Ενεργοποιοφμε τθν λειτουργία μζτρθςθσ φάςθσ κορφβου(pn utility) ςτον αναλυτι φάςματοσ και με τον marker κορφβου διαβάηουμε τθν ζνδειξθ ςε db κάτω από τθν ιςχφ κεντρικι ςυχνότθτασ. Θ μζτρθςθ αυτι τθσ φάςθσ κορφβου είναι θ ςυνολικι φάςθ κορφβου του VCO με κλειςτό το βρόχο. Από αυτιν εξάγουμε τθν ςυνολικι φάςθ κορφβου του PLL διαιρϊντασ το αποτζλεςμα τθσ μζτρθςθσ με (ι αφαιρϊντασ τθν ποςότθτα 20logN). Μϋτρηςη χαρακτηριςτικών ανεπιθύμητων ςυχνοτότων Πταν το PLL είναι κλειδωμζνο θ ζξοδοσ του ανιχνευτι φάςθσ ςφμφωνα με τθ κεωρία ζπρεπε να είναι μθδενικι. Αυτό όμωσ κα προκαλοφςε προβλιματα, οπότε ςτθ πραγματικότθτα ο ανιχνευτισ φάςθσ ςχεδιάηεται ζτςι ϊςτε να παράγει παλμοφσ πολφ μικροφ πλάτουσ. Ραρά το μικρό τουσ πλάτοσ, το γεγονόσ και μόνο ότι οι παλμοί αυτοί υπάρχουν ςθμαίνει ότι θ DC τάςθ που ελζγχει το VCO διαμορφϊνεται από ζνα ςιμα ςυχνότθτασ. Αυτό προκαλεί ανεπικφμθτεσ ςυχνότθτεσ ςτα περικϊρια ςυχνοτιτων που είναι ακζραια πολλαπλάςια τθσ. Εικόνα 6.30: Μζτρηςη φάςησ θορφβου ςε PLL [84]

85 Εικόνα 6.31: Ανεπιθφμητεσ ςυχνότητεσ ςε PLL Θ μζτρθςθ των χαρακτθριςτικϊν των ανεπικφμθτων ςυχνοτιτων γίνεται απευκείασ με τθ χριςθ αναλυτι φάςματοσ, βλζποντασ το φάςμα εξόδου του PLL. Απλϊσ πρζπει το span να οριςτεί τουλάχιςτο μεγαλφτερο από το διπλάςιο τθσ ςυχνότθτασ αναφοράσ. Συνικωσ μετριζται θ διαφορά του πλάτουσ από τθν κεντρικι ςυχνότθτα ςε dbc. Σαν παράδειγμα, παρατίκεται παρακάτω ζνα διάγραμμα του φάςματοσ εξόδου ενόσ PLL με ςυχνότθτα αναφοράσ τα 200kHzκαι ςυχνότθτα εξόδου τα 1880MHz. Εικόνα 6.32: Διάγραμμα φάςματοσ PLL Εδϊ φαίνονται ξεκάκαρα ανεπικφμθτεσ ςυχνότθτεσ 200KHz από τθν RF ζξοδο. Με απλά βιματα θ διαδικαςία είναι: 1. Συνδζεται θ ζξοδοσ του VCO ςτθν είςοδο του αναλυτι φάςματοσ 2. υκμίηεται το PLL και ο αναλυτισ φάςματοσ ςτθν ίδια κεντρικι ςυχνότθτα 3. υκμίηεται το SPAN(όπωσ αναφζρκθκε τουλάχιςτον διπλάςιο τθσ ςυχνότθτασ αναφοράσ) 4. Καταγράφεται το πλάτοσ τθσ εξόδου τθσ κεντρικισ ςυχνότθτασ του PLL και το πλάτοσ τθσ εξόδου των ανεπικφμθτων ςυχνοτιτων ςε dbm και αφαιροφνται. Ζτςι ζχουμε το επίπεδο των ανεπικφμθτων ςυχνοτιτων ςε dbc. [85]

86 Μϋτρηςη απόκριςησ ςυχνότητασ και ϋλεγχοσ εύρουσ απόκριςησ ςυχνότητασ Θ μζτρθςθ αυτι γίνεται με αναλυτι φάςματοσ ακολουκϊντασ τα παρακάτω βιματα: 1. Χρθςιμοποιϊντασ αναλυτι φάςματοσ με ενςωματωμζνθ κφρα εντοπιςμοφ(tracking generator), ςυνδζουμε τθν κφρα αυτι ςτθν είςοδο μίασ γεννιτριασ διαμορφωμζνων ςθμάτων. Συνδζουμε τθν ζξοδο τθσ γεννιτριασ ςτθν είςοδο για τθ ςυχνότθτα αναφοράσ του PLL. Αυτι θ ςφνδεςθ αντικακιςτά τον κρφςταλλο ταλάντωςθσ αν υπάρχει. 2. Συνδζουμε τθν είςοδο του αναλυτι φάςματοσ κατευκείαν με το ςθμείο του (μεταξφ τθσ εξόδου του φίλτρου βρόχου και του VCO) 3. Ρρογραμματίηουμε το chip του PLL ςε μία μεςαία περιοχι ςυχνοτιτων ( είτε χρθςιμοποιϊντασ λογιςμικό, είτε με απευκείασ ρφκμιςθ αν το επιτρζπει το PLL) 4. υκμίηουμε τισ αρχικζσ και τελικζσ ςυχνότθτεσ ςτον αναλυτι φάςματοσ(πχ START FREQUENCY=500Hz και STOP FREQUENCY=25KHz) 5. υκμίηουμε τθν γεννιτρια ςθμάτων ακριβϊσ ςτθ ςυχνότθτα αναφοράσ του PLL, με ζνα πλάτοσ περίπου +3 dbm και με εξωτερικι αναλογικι FM διαμόρφωςθ με κατάλλθλθ ρφκμιςθ του DEVIATION(πχ DEVIATION = WIDEBAND) ϊςτε να διατθρείται το ίχνοσ τθσ ςτθν οκόνθ του αναλυτι φάςματοσ 6. Από τθν ζνδειξθ του αναλυτι φάςματοσ παίρνουμε το ίχνοσ τθσ εξόδου για τθ. 7. Επαναλαμβάνουμε τθ διαδικαςία για τισ χαμθλζσ, μεςαίεσ και υψθλζσ ςυχνότθτεσ του PLL. Μϋτρηςη ταχύτητασ-χρόνου μεταγωγόσ Εδϊ αναφερόμαςτε ςτο χρόνο κλειδϊματοσ βρόχου, δθλαδι ςτο χρόνο που απαιτείται για να φτάςει το PLL ςτθ ςτακερι κατάςταςθ μετά από μία αλλαγι ςτθ ςυχνότθτα αναφοράσ. Υπάρχουν αρκετοί τρόποι για να μετρθκεί αυτόσ ο χρόνοσ: Χρθςιμοποιοφμε ζναν αναλυτι διαμόρφωςθσ και ρυκμίηουμε τθν μζτρθςθ να γίνει ςε ζνα εφροσ KHz από τθν τελικι ςυχνότθτα. Κάνουμε μίξθ του επικυμθτοφ ςιματοσ με μία ςυγκεκριμζνθ ςυχνότθτα αναφοράσ και ελζγχουμε εάν θ φάςθ είναι μζςα ςτο επικυμθτό εφροσ Χρθςιμοποιοφμε μετρθτι παλμϊν και ελζγχουμε τθ ςυχνότθτα μετά από μία ςυγκεκριμζνθ ταχφτθτα. Σύγχρονεσ μετρόςεισ Ππωσ αναφζρκθκε και για τθν περίπτωςθ του απομονωμζνου VCO, οι μετριςεισ που αναλφκθκαν για το PLL, μποροφν να πραγματοποιθκοφν πολφ απλοφςτερα χρθςιμοποιϊντασ τα ειδικά όργανα για τισ μετριςεισ ςε VCO/PLL που υπάρχουν.( 4352S τθσ AGILENT και το HP4352S τθσ HP). [86]

87 Σύνοψη Συνοψίηοντασ τισ κυριότερεσ μετριςεισ που απαιτοφνται για το χαρακτθριςμό ενόσ PLL ζχουμε τον ακόλουκο πίνακα: Ραράμετροι φάςθ κορφβου Χαρακτθριςτικά ανεπικφμθτων ςυχνοτιτων Απόκριςθ ςυχνότθτασ Εξοπλιςμόσ Αναλυτισ φάςματοσ, Γεννιτρια παραγωγισ ςθμάτων Αναλυτισ φάςματοσ, Γεννιτρια παραγωγισ ςθμάτων Αναλυτισ φάςματοσ, Γεννιτρια παραγωγισ ςθμάτων Tαχφτθτα μεταγωγισ Modulation analyzer,μίκτθσ, μετρθτισ παλμϊν [87]

88 6.5 Πομπόσ Στισ τθλεπικοινωνίεσ ο πομπόσ είναι ζνα θλεκτρονικό εξάρτθμα, το οποίο με τθ χριςθ τθσ κεραίασ παράγει και εκπζμπει ραδιοκφματα. Ο πομπόσ παράγει RF εναλλαςςόμενο ρεφμα. Πταν θ κεραία διεγείρεται από αυτό το ρεφμα, εκπζμπει ραδιοκφματα. Ραρακάτω φαίνεται το block διάγραμμα ενόσ ετερόδυνου πομποφ. Εικόνα 6.33: block διάγραμμα ετερόδυνου πομποφ Θ λειτουργία ενόσ πομποφ ςε ζνα αςφρματο τθλεπικοινωνιακό ςφςτθμα είναι θ εξισ: λαμβάνει το ςιμα που περιζχει τθν πλθροφορία, το διαμορφϊνει και το ςτζλνει ςτθν κεραία μζςω ενόσ ενιςχυτι ιςχφοσ. Μετρόςεισ πομπού Οι παράμετροι που μετριοφνται για το χαρακτθριςμό ενόσ πομποφ είναι οι εξισ[11]: Ιςχφσ εξόδου(power output) και κζρδοσ Ανεπικφμθτα ςιματα(spurious emissions) Ακρίβεια ςυχνότθτασ RF μάςκα φάςματοσ Ιςχύσ εξόδου και κϋρδοσ Θ μζτρθςθ τθσ ιςχφοσ εξόδου ενόσ πομποφ, μπορεί να γίνει είτε με τθ χριςθ μετρθτι ιςχφοσ( power meter), είτε με τθ χριςθ αναλυτι φάςματοσ ςτο οποίο κα πρζπει να γίνει βακμονόμθςθ ιςχφοσ με power meter για να ζχουμε ακρίβεια. Ζτςι ζχουμε τισ παρακάτω διατάξεισ: Εικόνα 6.34 : Διάταξη μζτρηςησ ιςχφοσ εξόδου και κζρδουσ Ακρύβεια ςυχνότητασ Θ μζτρθςθ αυτι γίνεται για να εξεταςτεί εάν θ ςυχνότθτα εξόδου του πομποφ είναι μζςα ςτα επιτρεπτά όρια. Εάν ζχουμε CW είςοδο μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ο αναλυτισ φάςματοσ με τθ διάταξθ που χρθςιμοποιικθκε ςτθν παραπάνω μζτρθςθ. Θ δυςκολία ςε αυτι τθ μζτρθςθ είναι όταν ο πομπόσ δεν μπορεί να τοποκετθκεί ςτθν CW κατάςταςθ. Θ προτεινόμενθ μζκοδοσ τότε είναι θ χρθςιμοποίθςθ ενόσ μετρθτι ςυχνότθτασ(frequency counter) με δυνατότθτα μζτρθςθσ τθσ κεντρικισ ςυχνότθτασ ενόσ διαμορφωμζνου ςιματοσ. Εάν δεν υπάρχει αυτόσ ο μετρθτισ ςυχνότθτασ, τότε μετριζται θ ςυχνότθτα [88]

89 εξόδου του LO κατά τα γνωςτά και γίνονται οι κατάλλθλοι υπολογιςμοί. Ππωσ και να χει, οι μετριςεισ πρζπει να γίνουν ςτισ χαμθλζσ, μεςαίεσ και υψθλζσ ςυχνότθτεσ λειτουργίασ του πομποφ. Εικόνα 6.35: Διάταξη μζτρηςησ ακρίβειασ ςυχνότητασ πομποφ Μϊςκα φϊςματοσ Θ μζτρθςθ αυτι γίνεται για πιςτοποιθκεί ότι θ ςυχνότθτα εξόδου είναι μζςα ςτα όρια των προτφπων. Θ μζτρθςθ γίνεται με τθ χριςθ αναλυτι φάςματοσ, ςφμφωνα με τθν παρακάτω διάταξθ. Εικόνα 6.36: Διάταξη μζτρηςησ μάςκασ φάςματοσ πομποφ Θ ζξοδοσ του πομποφ ςυνδζεται ςτον αναλυτι φάςματοσ μζςω ενόσ εξαςκενθτι ι ενόσ τεχνθτοφ φορτίου. Μετά πρζπει να ρυκμιςτοφν ςτον αναλυτι φάςματοσ το εφροσ ανάλυςθσ(resolution bandwidth), θ κεντρικι ςυχνότθτα και το span, ο χρόνοσ ςάρωςθσ και οι ρυκμίςεισ φίλτρου βίντεο ςφμφωνα με τα αντίςτοιχα πρότυπα. Με τον πομπό να διαμορφϊνεται από ςυγκεκριμζνο ςιμα, θ πυκνότθτα ιςχφοσ μετριζται με τον αναλυτι φάςματοσ. Μετριςεισ πρζπει να γίνουν ςτισ χαμθλζσ, μεςαίεσ και υψθλζσ ςυχνότθτεσ λειτουργίασ του πομποφ. Επίςθσ μετριςεισ πρζπει να γίνουν και ςτισ ακραίεσ ιςχφσ τροφοδοςίασ και ςτισ ακραίεσ ςυνκικεσ κερμοκραςίασ. Μϋτρηςη ανεπιθύμητων ςημϊτων Θ μζτρθςθ αυτι γίνεται για να ελεγχκεί κατά πόςο το επίπεδο των ανεπικφμθτων εκπομπϊν βρίςκεται μζςα ςτα επιτρεπτά όρια. Οι ανεπικφμθτεσ εκπομπζσ περιλαμβάνουν τισ αρμονικζσ(που προζρχονται κυρίωσ από τουσ ενιςχυτζσ), τισ τυχόν παραςιτικζσ εκπομπζσ, τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωςθσ(που προζρχονται κυρίωσ από τουσ μίκτεσ) και τα προϊόντα μετατροπισ ςυχνότθτασ. Γενικά το επίπεδο των ανεπικφμθτων εκπομπϊν ςε ζνα πομπό πρζπει να μειωκεί, χωρίσ να επθρεαςτεί θ μεταφορά πλθροφορίασ. Θ μζτρθςθ των ανεπικφμθτων ςθμάτων γίνεται με τθ χριςθ αναλυτι φάςματοσ. Ρροαιρετικά ςε κάποιεσ περιπτϊςεισ χρειάηονται κάποια φίλτρα ι μίκτεσ για τθ ςφνδεςθ του πομποφ με τον αναλυτι φάςματοσ. Θ διάταξθ είναι θ εξισ: Εικόνα 6.37: Διάταξη μζτρηςησ ανεπιθφμητων ςημάτων [89]

90 Θ ζξοδοσ του πομποφ ςυνδζεται ςτον αναλυτι φάςματοσ είτε μζςω εξαςκενθτι, είτε μζςω ενόσ φίλτρου για να περιορίςει τθν ιςχφ ςτθν είςοδο του αναλυτι φάςματοσ. Σε κάποιεσ περιπτϊςεισ, όταν το πάνω όριο τθσ ςυχνότθτασ ξεπερνάει το εφροσ ςυχνοτιτων λειτουργίασ του αναλυτι, μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν κατάλλθλοι κυματοδθγοί και μίκτεσ. Είναι ςθμαντικό να χαρακτθριςτεί το κφκλωμα που παρεμβάλλεται μεταξφ του πομποφ και του αναλυτι φάςματοσ, οφτωσ ϊςτε θ επίδραςθ του να αφαιρεκεί από τισ μετριςεισ(πχ απϊλειεσ καλωδίων). Ο πομπόσ κα πρζπει να λειτουργιςει και ςτθν μζγιςτθ ιςχφ και ςυχνότθτα που ορίηει ο καταςκευαςτισ και να μετρθκοφν και εκεί τα ανεπικφμθτα ςιματα. Το πρότυπο ETSI EN προτείνει οι ςαρϊςεισ να γίνουν ςε βιματα των 5GHz κάτω από τα 21.2 GHZ και ςε βιματα των 10GHz πάνω από τα 21.2 GHZ. Το εφροσ ανάλυςθσ του αναλυτι φάςματοσ, το span και ο ρυκμόσ ςάρωςθσ πρζπει ρυκμιςτοφν κατάλλθλα, ανάλογα με το αν ζχουμε ςτθν είςοδο διαμορφωμζνα ςιματα ι CW ςιματα. Το span και ο ρυκμόσ ςάρωςθσ πρζπει να ρυκμιςτοφν ϊςτε να διατθροφν το πάτωμα κορφβου κάτω από το όριο. Άλλεσ μετρόςεισ Σε ζνα πομπό μποροφν να μετρθκοφν και οι ςυνθκιςμζνεσ γραμμικζσ και μθ γραμμικζσ παράμετροι όπωσ είναι S-παράμετροι(με χριςθ αναλυτι δικτφου), το P 1dB(με χριςθ αναλυτι δικτφου) και το IM3/IIP3 (με αναλυτι φάςματοσ) με τισ μεκόδουσ που περιγράφθκαν για τα άλλα τθλεπικοινωνιακά εξαρτιματα. Χρειάηεται προςοχι ςτθ ςφνδεςθ του πομποφ με τα όργανα, κακϊσ κα πρζπει να εξεταςτεί εάν χρειάηονται εξαςκενθτζσ. 6.6 Δϋκτησ Ο ςκοπόσ ενόσ δζκτθ είναι να ενιςχφει τα αδφναμα RF ςιματα που λαμβάνονται από τθν κεραία και τα μετατρζπει ςε ςιματα πολφ χαμθλότερθσ ςυχνότθτασ, οφτωσ ϊςτε με τθ χριςθ φκθνότερων θλεκτρονικϊν εξαρτθμάτων χαμθλϊν ςυχνοτιτων να εξάγει και να επεξεργάηεται τθν πλθροφορία από αυτά. Ραρακάτω φαίνεται το block διάγραμμα ενόσ ετερόδυνου δζκτθ. Εικόνα 6.38: block διάγραμμα ετερόδυνου δζκτη Σε ζναν ετερόδυνο δζκτθ υπάρχουν πολλά ςτάδια κζρδουσ και μετατροπισ ςε χαμθλότερεσ ςυχνότθτεσ. Το ειςερχόμενο ςιμα αρχικά φιλτράρεται για να απομακρυνκεί θ ανεπικφμθτθ ενζργεια ζξω από το εφροσ ςυχνοτιτων που μασ ενδιαφζρει. Στθ ςυνζχεια περνάει μζςα από ζναν ενιςχυτι χαμθλοφ κορφβου για να ενιςχφςει το ςιμα, προςκζτοντασ όςο το δυνατό λιγότερο κόρυβο. Τελικά το ςιμα μετατρζπεται ςε χαμθλότερθσ ςυχνότθτασ με μίκτεσ (ςε IF ςυχνότθτεσ ςυνικωσ κάτω από τα 300MHz) και αποδιαμορφϊνεται μζςω ενόσ αποδιαμορφωτι. Στθ ςυνζχεια τα ςιματα ςτζλνονται ςε A-D μετατροπείσ που δθμιουργοφν ψθφιακά πρότυπα, τα οποία κα επεξεργαςτοφν από λειτουργίεσ επεξεργαςίασ ψθφιακϊν [90]

91 ςθμάτων(dsp). Το DSP ςυχνά περιλαμβάνεται ςε ξεχωριςτό chip, γνωςτό ςαν baseband επεξεργαςτισ. Ζνασ από τουσ ςθμαντικότερουσ παράγοντεσ για τουσ δζκτεσ είναι θ ευαιςκθςία. Θ εικόνα κορφβου είναι μία μζτρθςθ ευαιςκθςίασ. Πςο υψθλότερθ είναι θ εικόνα κορφβου, τόςο δφςκολο είναι για το δζκτθ να λαμβάνει χαμθλισ ιςχφοσ ςιματα. Μετρόςεισ ςε δϋκτη Οι κυριότερεσ παράμετροι που πρζπει να μετρθκοφν για να χαρακτθριςτεί ο δζκτθσ είναι οι εξισ[11]: Ιςχφσ εξόδου και κζρδοσ ιςχφοσ Εφροσ ιςχφοσ ειςόδου Χαρακτθριςτικά ανεπικφμθτων ςυχνοτιτων BER ςαν ςυνάρτθςθ τθσ ιςχφοσ του ςιματοσ ειςόδου(srl) Ευαιςκθςία παρεμβολισ καναλιοφ(co-channel interference sensitivity) Ευαιςκθςία παρεμβολισ γειτονικοφ καναλιοφ(adjacent channel interference sensitivity) CW ανεπικφμθτεσ παρεμβολζσ Ιςχύσ εξόδου και κϋρδοσ ιςχύοσ Θ μζτρθςθ αυτι γίνεται με τον ίδιο τρόπο που ζγινε για τον πομπό. Απλά το DUT ςτθ ςυγκεκριμζνθ μζτρθςθ είναι ο δζκτθσ. Εύροσ ιςχύοσ ειςόδου Θ μζτρθςθ αυτι γίνεται για να εξεταςτεί εάν ο δζκτθσ τθρεί τα BER(bit error rate) κριτιρια ςε ζνα εφροσ ιςχφων ειςόδου. Τα όργανα που χρειάηονται για αυτζσ τισ μετριςεισ είναι μετρθτισ ιςχφοσ(power meter), γεννιτρια προτφπων και ανιχνευτισ λάκουσ(error detector). Θ διάταξθ τθσ μζτρθςθσ είναι θ εξισ: Εικόνα 6.39:Διάταξη μζτρηςησ εφρουσ ιςχφοσ ειςόδου Θ ζξοδοσ τθσ γεννιτριασ προτφπων ςυνδζεται ςτθν baseband(bb) είςοδο του (πομπόσ) και ο ανιχνευτισ λάκουσ ςτθν BB ζξοδο του (δζκτθσ). Στθ ςυνζχεια ρυκμίηεται θ τιμι τθσ εξαςκζνθςθσ για το πάνω όριο του εφρουσ ιςχφοσ ειςόδου. Ζτςι μετριζται το BER για άνω όριο τθσ ιςχφοσ ειςόδου. Το ίδιο γίνεται για τθ μζτρθςθ του BER για το κάτω όριο τθσ ιςχφοσ ειςόδου, αφοφ ρυκμιςτεί θ εξαςκζνθςθ για το κάτω αυτό όριο. Χαρακτηριςτικϊ ανεπιθύμητων ςυχνοτότων Θ μζτρθςθ αυτι γίνεται με τθ χριςθ αναλυτι φάςματοσ με τον ίδιο τρόπο που περιγράφθκε για τον πομπό(απλϊσ ςτθ διάταξθ αντικακίςταται ο πομπόσ από τον δζκτθ) [91]

92 BER ςαν ςυνϊρτηςη τησ ιςχύοσ του ςόματοσ ειςόδου(srl) Εδϊ μετριζται θ ελάχιςτθ ιςχφσ ειςόδου για τθν οποία κα επιτευχκεί το BER που ζχει ορίςει ο καταςκευαςτισ. Συνικωσ θ μζτρθςθ γίνεται ςτα τρία επίπεδα BER που ορίηουν τα πρότυπα. Θ διάταξθ που χρθςιμοποιείται είναι θ ακόλουκθ: Εικόνα 6.40: Διάταξη μζτρηςησ BER Ευαιςθηςύα παρεμβολόσ καναλιού(co-channel interference sensitivity) Θ μζτρθςθ αυτι γίνεται για να ελεγχκεί εάν το BER ςτθν ζξοδο του αποδιαμορφωτι παραμζνει κάτω από το όριο, με τθν παρουςία ενόσ διαμορφωμζνου ςιματοσ που παίηει το ρόλο τθσ παρεμβολισ ςτο ίδιο κανάλι. Τα όργανα που χρειάηονται για αυτι τθ μζτρθςθ είναι 2 γεννιτριεσ παραγωγισ προτφπων, ανιχνευτισ λάκουσ(bit error detector) και μετρθτισ ιςχφοσ. Θ διάταξθ είναι θ ακόλουκθ: Εικόνα 6.41: Διάταξη μζτρηςησ ευαιςθηςίασ παρεμβολήσ καναλιοφ Εδϊ κα πρζπει να ρυκμιςτοφν οι εξαςκενιςεισ, κακϊσ και τα επίπεδα ιςχφοσ του βαςικοφ ςιματοσ και του ςιματοσ παρεμβολισ. Μζτρηςη ευαιςθηςίασ δζκτη ςε CW παρεμβολζσ Αυτι θ μζτρθςθ γίνεται για να εντοπιςτοφν ςυγκεκριμζνεσ ςυχνότθτεσ ςτισ οποίεσ ο δζκτθσ κα ζχει ανεπικφμθτθ απόκριςθ κακϊσ και εάν το BER είναι εντόσ των επιτρεπτϊν ορίων, με τθν παρουςία ςτο ίδιο κανάλι CW ςθμάτων. Το εφροσ ςυχνοτιτων τθσ μζτρθςθσ πρζπει να κακοριςτεί ςφμφωνα με τισ προδιαγραφζσ του δζκτθ. Τα όργανα που χρειάηονται είναι γεννιτρια προτφπων, γεννιτρια CW ςθμάτων, ανιχνευτισ λακϊν, μετρθτισ ιςχφοσ. [92]

93 Θ διάταξθ που χρθςιμοποιείται είναι θ ακόλουκθ: Εικόνα 6.42: Διάταξη μζτρηςησ ευαιςθηςίασ δζκτη ςε CW παρεμβολζσ Άλλεσ μετρόςεισ Στο δζκτθ μπορεί να γίνουν και οι κοινζσ γραμμικζσ και μθ γραμμικζσ μετριςεισ των ακόλουκων παραμζτρων, για να ελεγχκεί θ ςυνολικι ςυμπεριφορά του δζκτθ: S-παράμετροι(αναλυτισ δικτφου) IM3(προϊόντα ενδοδιαμόρφωςθσ 3 θσ τάξθσ)(αναλυτισ φάςματοσ) P 1dB(αναλυτισ δικτφου ι αναλυτισ φάςματοσ) Εικόνα κορφβου(nf) Οι μετριςεισ γίνονται ςφμφωνα με τισ μεκόδουσ που ζχουν περιγραφεί ςτα προθγοφμενα κεφάλαια για τισ μετριςεισ ςε μεμονωμζνα εξαρτιματα. Απλϊσ πρζπει να ελεγχκεί εάν χρειάηεται θ χριςθ εξαςκενθτϊν ςτισ ςυνδζςεισ των οργάνων με τον δζκτθ. [93]

94 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 7: ΜΕΣΡΗΕΙ Ε ΣΕΣΡΑΓΨΝΙΚΟ ΔΙΑΦΨΡΙΣΗ ΥΑΗ(90- degree phase splitter) Σκοπόσ των μετριςεων ιταν ο χαρακτθριςμόσ ενόσ τετραγωνικοφ διαχωριςτι φάςθσ( 90- degree phase splitter) ςτθν περιοχι των GHz με ςθμείο ενδιαφζροντοσ κυρίωσ τθν περιοχι γφρω από τα 60GHz. Για τον χαρακτθριςμό αρκοφςε θ μζτρθςθ των S-παραμζτρων και ζτςι χρθςιμοποιικθκε ο Αναλυτισ Δικτφου (3739D τθσ ANRITSU ζωσ τα 65GHz) που διακζτει το τμιμα ΘΜΜΥ του ΑΡΘ. Ο διαχωριςτισ φάςθσ είναι ζνα εξάρτθμα που διαιρεί ζνα ςιμα ςτθν είςοδο του, ςε πολλαπλά ςιματα διαφορετικϊν φάςεων ι πολικοτιτων ςτισ εξόδουσ. Ο όροσ ςυνικωσ αναφζρεται ςε ενιςχυτζσ που παράγουν δφο ιςορροπθμζνεσ εξόδουσ τάςθσ, ίδιου πλάτουσ αλλά αντίκετθσ πολικότθτασ(180 μοίρεσ διαφορά φάςθσ) ι διαφοράσ φάςθσ 90 μοιρϊν(τετραγωνικόσ διαχωριςτισ φάςθσ).. Ο διαχωριςτισ φάςθσ ιταν υλοποιθμζνοσ ςε μορφι ολοκλθρωμζνου κυκλϊματοσ επάνω ςε τςιπ και άρα για τισ μετριςεισ ζπρεπε να χρθςιμοποιθκεί και ο ςτακμόσ μικροακίδων. Το φυςικό ςχζδιο του διαχωριςτι, αλλά και ολόκλθρου του τςιπ φαίνονται παρακάτω: Εικόνα 7.1: Φυςικό ςχζδιο τετραγωνικοφ διαχωριςτή φαςήσ [94]

95 Εικόνα 7.2: Φυςικό ςχζδιο ολόκληρου του τςιπ του τετραγωνικοφ διαχωριςτή φάςησ Ράνω ςτο τςιπ διακρίνονται κακαρά τα pads πάνω ςτα οποία ακουμπάνε οι κεφαλζσ, κακϊσ και θ δομι με το open που χρθςιμοποιείται για το de-embedding. Θ διαδικαςία των μετριςεων περιελάμβανε τα εξισ ςτάδια: 1. Ρροετοιμαςία των μετριςεων και εφρεςθ του κατάλλθλου εξοπλιςμοφ 2. Στιςιμο μετρθτικισ διάταξθσ ςφμφωνα με τθν τοπολογία του τςιπ 3. Βακμονόμθςθ οργάνου ςτισ ςυχνότθτεσ GHz 4. Μετριςεισ S-παραμζτρων 5. Χρθςιμοποίθςθ λογιςμικοφ (ADS) για απεικόνιςθ των μετριςεων ςε διαγράμματα και για τθ διαδικαςία του de-embedding. [95]

96 7.1 Προετοιμαςύα των μετρόςεων Ανάλογα με τθν μζτρθςθ πρόκειται να γίνει κάκε φορά, χρειάηεται να ξζρουμε εκ των προτζρων ςτοιχεία για τον εξοπλιςμό που κα χρειαςτεί, οφτωσ ϊςτε εφόςον δεν είναι κάποιο εξάρτθμα διακζςιμο να μποροφμε να το προμθκευτοφμε ζγκαιρα. Στον εξοπλιςμό περιλαμβάνονται καλϊδια, κοννζκτορεσ, κεφαλζσ, plates, φορτία και άλλα εξαρτιματα. Επίςθσ πρζπει να είναι γνωςτά εκ των προτζρων τα τοπολογικά χαρακτθριςτικά των pads για να χρθςιμοποιθκοφν οι κατάλλθλεσ κεφαλζσ. Στθ ςυγκεκριμζνθ περίπτωςθ τα pads ιταν τθσ μορφισ GSG pitch 100μm και επομζνωσ χρθςιμοποιικθκαν κεφαλζσ GSG Z probe τθσ Cascade Microtech. Tόςο τα καλϊδια που είναι ςυνδεδεμζνα ςτισ κφρεσ του Αναλυτι Δικτφου, όςο και οι κεφαλζσ ιταν τφπου V (V female οι κεφαλζσ, V male τα καλϊδια) και ζτςι το μόνο που χρειαηόταν ιταν ζνα καλϊδιο V ςε V ςαν επζκταςθ του αρχικοφ καλωδίου ζωσ τισ κεφαλζσ. Γενικά όταν μετράμε τρίκυρα εξαρτιματα όπωσ το ςυγκεκριμζνο (1 είςοδοσ-2 ζξοδοι), τερματίηουμε με φορτίο τθ μία από τισ δφο εξόδουσ και μετράμε τισ S-παραμζτρουσ ωσ προσ τθν είςοδο και τθν ελεφκερθ ζξοδο. Αφοφ γίνει αυτό τερματίηουμε τθν άλλθ ζξοδο με φορτίο και αντίςτοιχα μετριοφνται οι S- παράμετροι. Ζτςι κάκε φορά είναι ςαν να ζχουμε δίκυρο εξάρτθμα. Άρα χρειάςτθκε ζνα τζλειο ευρυηωνικό φορτίο των 50Ω τφπου V(male) το οποίο βιδϊκθκε κατευκείαν πάνω ςε μία από τισ κεφαλζσ και το οποίο υπιρχε μζςα ςτο Calibration Kit του αναλυτι δικτφου. Τζλοσ, χρειαηόμαςταν ζνα ειδικό φφλλο χρυςοφ για τθν οριηοντίωςθ των κεφαλϊν και το τςιπ που περιλαμβάνει τα πρότυπα για τθν βακμονόμθςθ για τισ ςυγκεκριμζνεσ κεφαλζσ. Αυτά τα δφο ςτοιχεία προχπιρχαν. Ο αναλυτισ δικτφου ςυνδζκθκε με καλϊδιο Ethernet με υπολογιςτι, ϊςτε να καταγράφονται οι μετριςεισ απευκείασ ςτον υπολογιςτι. 7.2 τόςιμο μετρητικόσ διϊταξησ ςύμφωνα με την τοπολογύα του τςιπ Συνολικά ζπρεπε να παρκοφνε 4 μετριςεισ ςε κάκε τςιπ: μζτρθςθ μεταξφ των κυρϊν 1 και 2 του διαχωριςτι με τερματιςμζνθ με φορτίο τθν κφρα 3. μζτρθςθ μεταξφ των κυρϊν 2 και 3 του διαχωριςτι με τερματιςμζνθ με φορτίο τθν κφρα 1 οι δφο αντίςτοιχεσ μετριςεισ ςτθ δομι με το ανοικτό κφκλωμα(open) που χρειάηονται για το deembedding Θ μεγαλφτερθ δυςκολία των ςυγκεκριμζνων μετριςεων ζγκειτο ςτο γεγονόσ ότι τα pads των κυρϊν 1 και 2, κακϊσ και των κυρϊν 2 και 3 μεταξφ των οποίων ζπρεπε να πάρουμε μετριςεισ βρίςκονταν ςε ορκι γωνία μεταξφ τουσ. Αυτό ζκανε τθ διάταξθ πολφπλοκθ, κακϊσ αφενόσ οι δφο από τισ 3 κεφαλζσ ζπρεπε να βρίςκονται ςε ορκι γωνία μεταξφ τουσ, πράγμα που δεν είναι εφκολο να επιτευχκεί με ακρίβεια, και αφετζρου ζπρεπε να τοποκετθκοφν ςε τζτοιο ςθμείο πάνω ςτον μαγνιτθ του μικροςκοπίου ϊςτε να φτάνουν τα ςτθρίγματα (plates) των κεφαλϊν ωσ το τςιπ, ϊςτε να μπορζςουν αυτζσ να κατζβουν πάνω ςτο τςιπ. Ζνα επιπλζον πρόβλθμα που παρουςιάςτθκε ιταν ότι λόγω τθσ ορκισ γωνίασ θ λάμπα του φακοφ του μικροςκοπίου ακουμποφςε ςτα καλϊδια τθσ επζκταςθσ και ζτςι δεν επζτρεπε μεγάλθ εςτίαςθ. Το [96]

97 πρόβλθμα λφκθκε αφαιρϊντασ από το φακό τθ λάμπα. Στισ περιςςότερεσ μετριςεισ τα pads βρίςκονται απζναντι, οπότε θ διάταξθ είναι πολφ πιο απλι. Εικόνα 7.3:Μετρητική διάταξη Αφοφ πραγματοποιικθκε το ςτιςιμο τθσ διάταξθσ και ελζγχκθκε εάν τα ςτθρίγματα των κεφαλϊν φτάνουν ωσ το τςιπ, ζγινε ακολοφκωσ θ οριηοντίωςθ των κεφαλϊν. Θ οριηοντίωςθ των κεφαλϊν είναι μία διαδικαςία που γίνεται για να ζρκουν οι 3 ακροδζκτεσ (GSG) κάκε κεφαλισ ςτο ίδιο οριηόντιο επίπεδο, ϊςτε όταν κατεβαίνουν αργότερα πάνω ςτα pads να ακουμπάνε όλοι οι ακροδζκτεσ και να μθν υπάρχει κίνδυνοσ να βρίςκεται κάποιοσ ςτον αζρα. Θ διαδικαςία αυτι γίνεται χρθςιμοποιϊντασ ζνα φφλλο χρυςοφ και είναι θ εξισ: Κατεβάηουμε τθν κάκε κεφαλι ξεχωριςτά πάνω ςτο φφλλο και όταν αυτι ακουμπιςει, από τισ γραμμζσ που αφινει πάνω ςτον χρυςό, καταλαβαίνουμε εάν βρίςκονται ςτο ίδιο επίπεδο. Για παράδειγμα, εάν τα ςθμάδια (γραμμζσ) είναι το ίδιο ζντονεσ αυτό ςθμαίνει ότι βρίςκονται ςτο ίδιο επίπεδο. Εάν αυτό δεν ςυμβαίνει, τότε κάνουμε τισ κατάλλθλεσ μετατοπίςεισ και ξαναδοκιμάηουμε. Εικόνα 7.4: Φφλλο χρυςοφ για την ευθυγράμμιςη των κεφαλϊν [97]

98 7.3 Βαθμονόμηςη Μετά τθν ολοκλιρωςθ τθσ οριηοντίωςθσ, το επόμενο βιμα ιταν θ βακμονόμθςθ του οργάνου. Επιλζχκθκε βακμονόμθςθ SOLT (πλιρθσ δίκυρθ βακμονόμθςθ 12 παραγόντων) χωρίσ απομόνωςθ ςτισ ςυχνότθτεσ 50-65GHz. Τα πρότυπα ανοικτό κφκλωμα, βραχυκφκλωμα, φορτίο και thru βρίςκονταν επάνω ςε τςιπ. Χρθςιμοποιικθκε το on-chip calibration kit CSR-8 τθσ SUSS Microtec που αντιςτοιχοφςε ςτισ ςυγκεκριμζνεσ κεφαλζσ. Το βραχυκφκλωμα, το φορτίο και το ανοικτό κφκλωμα μποροφςαν να μετρθκοφν ανά ζνα τθ φορά, ενϊ για το thru που ζπρεπε να ςυνδεκεί ταυτόχρονα μεταξφ των κυρϊν, υπιρχε ςτο τςιπ thru ςε ορκι γωνία. Αφοφ δόκθκαν οι παράμετροι ςτθν βακμονόμθςθ από το όργανο(εφροσ ςυχνοτιτων, τφποι καλωδίων, παράμετροι thru ) μετρικθκαν τα πρότυπα ςφμφωνα με τισ οδθγίεσ του αναλυτι δικτφου. Μετά τθν ολοκλιρωςθ τθσ διαδικαςίασ τθσ βακμονόμθςθσ το όργανο ιταν ζτοιμο για τθν πραγματοποίθςθ των κυρίωσ μετριςεων. Εικόνα 7.5: Σο υπόςτρωμα με τα on chip πρότυπα βαθμονόμηςησ 7.4 Μετρόςεισ S-παραμϋτρων Μετά τθν ολοκλιρωςθ τθσ βακμονόμθςθσ πραγματοποιικθκαν οι μετριςεισ των S-παραμζτρων του διαχωριςτι(splitter) και τθσ δομισ με το ανοικτό κφκλωμα. Ππωσ προαναφζρκθκε πραγματοποιικθκαν ςε κάκε τςιπ 4 μετριςεισ. Μετρικθκαν ςυνολικά 4 τςιπ, για να επιβεβαιϊςουμε τθν ορκότθτα των μετριςεων. Κατά τισ μετριςεισ χρθςιμοποιικθκε sweep-by-sweep averaging για 3 sweeps για να μειωκεί ο κόρυβοσ που αναπόφευκτα υπάρχει όταν γίνονται μετριςεισ ςε τόςο υψθλζσ ςυχνότθτεσ. Για τον ίδιο λόγο μειϊκθκε το IF Video Bandwidth ςτα 100Θz. Ακόμα και ζτςι όμωσ οι μετριςεισ ιταν αρκετά κορυβϊδθσ. Κάκε μζτρθςθ μετά τθν πάροδο των απαραίτθτων ςαρϊςεων καταγραφόταν απευκείασ ςτον υπολογιςτι ςε αρχείο τθσ μορφισ.s2p (με τθ βοικεια του απλοφ λογιςμικοφ Capture VNA τθσ ANRITSU). [98]

99 Εικόνα 7.6: Άποψη του τςιπ μζςα από το μικροςκόπιο Εικόνα 7.7: Οι κεφαλζσ όπωσ ακουμπάνε ςτο τςιπ [99]

100 phase(s(1,2)) db(s(1,2)) 7.5 Φρηςιμοπούηςη λογιςμικού (ADS) για απεικόνιςη των μετρόςεων ςε διαγρϊμματα και για τη διαδικαςύα του de-embedding. Το τελευταίο βιμα είναι θ επεξεργαςία και θ παρουςίαςθ των μετριςεων ςε διαγράμματα με τθ χρθςιμοποίθςθ λογιςμικοφ. Θ εξαγωγι και επεξεργαςία των διαγραμμάτων, κακϊσ και το de-embedding ζγιναν με τθν χρθςιμοποίθςθ του ADS και ςυγκεκριμζνα με τθ λειτουργία Data Display και τθ χρθςιμοποίθςθ ζτοιμων ςυναρτιςεων και εξιςϊςεων (παράρτθμα B). Ραρακάτω παρουςιάηονται τα διαγράμματα των μετριςεων. Ραρουςιάηονται τα διαγράμματα για ζνα από τα τςιπ που μετρικθκαν(ςυγκεκριμζνα το τςιπ 3). Αρχικά παρουςιάηονται τα διαγράμματα για τισ μετριςεισ μεταξφ των κυρϊν 1 και 2 με το φορτίο ςτθ κφρα 3. S12(κζρδοσ) μζτρο και φάςη με marker ςτα 60GHz πριν το de-embedding : m1 m1 freq= 60.01GHz db(s(1,2))= freq, GHz m2 m2 freq= 60.01GHz phase(s(1,2))= freq, GHz [100]

101 phase(s(2,2)) db(s(2,2)) S(2,2) S22(ςφνθετη αντίςταςη ειςόδου) ςε διάγραμμα smith με marker ςτα 60GHz: m3 m3 freq= 60.01GHz S(2,2)=0.198 / impedance = Z0 * ( j0.396) freq (50.00GHz to 65.00GHz) m4 m4 freq= 60.01GHz db(s(2,2))= freq, GHz m5 m5 freq= 60.01GHz phase(s(2,2))= freq, GHz [101]

102 S(2,2) phase(s(1,2)) db(s(1,2)) Τα αντίςτοιχα διαγράμματα τθσ δομισ με το ανοικτό κφκλωμα είναι: m1 m1 freq= 60.01GHz db(s(1,2))= freq, GHz m2 m2 freq= 60.01GHz phase(s(1,2))= freq, GHz m3 freq= 60.01GHz S(2,2)=0.618 / impedance = Z0 * ( j1.083) m3 freq (50.00GHz to 65.00GHz) [102]

103 S22de phase(s12de) db(s12de) Μετά τθ διαδικαςία του de-embedding τα αντίςτοιχα διαγράμματα είναι: m1 m1 freq= 60.01GHz db(s12de)= freq, GHz m2 m2 freq= 60.01GHz phase(s12de)= freq, GHz m3 m3 freq= 60.01GHz S22de=0.656 / impedance = Z0 * ( j0.898) freq (50.00GHz to 65.00GHz) [103]

104 phase(s12de_av) db(s12de_av) Γίνεται εφκολα αντιλθπτό ότι παρά το γεγονόσ ότι ςτον αναλυτι δικτφου ζχει γίνει averaging 3 ςαρϊςεων, τα διαγράμματα είναι ακόμα αρκετά κορυβϊδθ. Για να ζχουμε μία καλφτερθ εποπτεία τθσ ςυμπεριφοράσ του διαχωριςτι κα κάνουμε και νζο averaging με τθ χριςθ του ADS ϊςτε να ζχουμε πιο ομαλζσ καμπφλεσ. Αυτι θ διαδικαςία ονομάηεται smoothing και γίνεται με τθ χριςθ ςτατιςτικϊν μεκόδων. Κάνουμε δθλαδι ςτατιςτικι επεξεργαςία ςιματοσ μετά τισ μετριςεισ(post signal processing). Εδϊ το smoothing γίνεται χρθςιμοποιϊντασ τθν ζτοιμθ ςυνάρτθςθ moving_average() του ADS. Μετά λοιπόν από το smoothing τα διαγράμματα είναι τα εξισ: m4 freq= 60.01GHz db(s12de_av)= m freq, GHz m5 m5 freq= 60.01GHz phase(s12de_av)= freq, GHz [104]

105 phase(s12de_av) phase(s12nonde_av) db(s12de_av) db(s12nonde_av) S22de_av m6 m6 freq= 60.01GHz S22de_av=0.665 / impedance = Z0 * ( j0.822) freq (50.00GHz to 65.00GHz) Για να φανεί θ επίδραςθ των παραςιτικϊν ςτισ αρχικζσ μετριςεισ παρακζτουμε ςε κοινό διάγραμμα, το S12 πριν το de-embedding(κόκκινο χρϊμα) και το S12 μετά το de-embedding(μπλε χρϊμα) με smoothing ςτο ADS 10 ςθμείων m7 m7 freq= 60.01GHz db(s12de_av)= m8 m8 freq= 60.01GHz db(s12nonde_av)= freq, GHz m9 freq= 60.01GHz phase(s12de_av)= m9 m10 m10 freq= 60.01GHz phase(s12nonde_av)= freq, GHz [105]

106 S11de phase(s21de) db(s21de) Με παρόμοιο τρόπο παίρνουμε και τα διαγράμματα για τισ μετριςεισ μεταξφ των κυρϊν 2 και 3 με το φορτίο ςτθ κφρα 1. Λόγω τθσ διάταξθσ του τςιπ, θ κφρα 1 του αναλυτι δικτφου αντιςτοιχεί ςτθν κφρα 2 του διαχωριςτι, ενϊ θ κφρα 2 του αναλυτι δικτφου ςτθ κφρα 3 του διαχωριςτι. Συνεπϊσ εδϊ το κζρδοσ είναι το S12, ενϊ θ ςφνκετθ αντίςταςθ ειςόδου το S11. Τα de-embedded διαγράμματα ςε αυτι τθν περίπτωςθ είναι τα εξισ: S21 μζτρο και φάςθ: m1 m1 freq= 60.01GHz db(s21de)= freq, GHz m2 m2 freq= 60.01GHz phase(s21de)= freq, GHz S11 μζτρο-φάςθ και διάγραμμα Smith: m3 m3 freq= 60.01GHz S11de=0.543 / impedance = Z0 * ( j0.719) freq (50.00GHz to 65.00GHz) [106]

107 phase(s21de_av) db(s21de_av) phase(s11de) db(s11de) 10 0 m m4 freq= 60.01GHz db(s11de)= freq, GHz m5 m5 freq= 60.01GHz phase(s11de)= freq, GHz Και μετά από smoothing 10 ςθμείων ζχουμε για το S21: m6 m6 freq= 60.01GHz db(s21de_av)= freq, GHz m7 m7 freq= 60.01GHz phase(s21de_av)= freq, GHz [107]

108 phase(s12de_av) phase(s21de_av) db(s12de_av) db(s21de_av) S11de_av Ομοίωσ για το S11: m8 m8 freq= 60.01GHz S11de_av=0.556 / impedance = Z0 * ( j0.729) freq (50.00GHz to 65.00GHz) 7.6 υμπερϊςματα-παρατηρόςεισ Συγκρίνοντασ το κζρδοσ ςτισ 2 περιπτϊςεισ, δθλαδι ςτισ μετριςεισ των κυρϊν 1 και 2 με φορτίο ςτθ κφρα 3, και ςτισ μετριςεισ των κυρϊν 2 και 3 με φορτίο ςτθ κφρα 1, παρατθροφμε ότι τα δφο ςιματα εξόδου (κφρεσ 1 και 3) διαφζρουν μεταξφ τουσ κατά 86,727 μοίρεσ ( ( )) ςτα 60GHz, δθλαδι περίπου 90 μοίρεσ. Αυτό ςθμαίνει ότι ο τετραγωνικόσ διαχωριςτισ φάςθσ λειτουργεί ςωςτά. Εντοφτοισ παρατθρείται μία διαφορά ςτο πλάτοσ των ςθμάτων εξόδου που δεν κα ζπρεπε να υπάρχει, που καταδεικνφει ότι ςτθ μία διαδρομι ζχουμε απϊλειεσ που ίςωσ οφείλονται ςτθν καταςκευι m4 m4 freq= 60.01GHz db(s12de_av)= m6 m6 freq= 60.01GHz db(s21de_av)= freq, GHz freq, GHz m5 m5 freq= 60.01GHz phase(s12de_av)= m7 m7 freq= 60.01GHz phase(s21de_av)= freq, GHz freq, GHz [108]

109 Θ άλλθ παρατιρθςθ είναι ότι όπωσ προαναφζραμε, ςε τόςο υψθλζσ ςυχνότθτεσ είναι πολφ δφςκολο να επιτευχκοφν μετριςεισ κακαρζσ από κόρυβο, με ςυνζπεια να χρειάηεται περαιτζρω επεξεργαςία των διαγραμμάτων για να ζχουμε πιο κακαρά αποτελζςματα. [109]

110 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 8:ΜΕΣΡΗΕΙ Ε ΔΙΠΛΕΚΣΕ ΜΕΣΑΛΛΙΚΟΤ ΟΡΘΟΓΨΝΙΚΟΤ ΚΤΜΑΣΟΔΗΓΟΤ Ο διπλζκτθσ είναι ζνα πακθτικό εξάρτθμα, το οποίο επιτρζπει πολυπλεξία ωσ προσ τθ ςυχνότθτα. Διακζτει ςυνολικά 3 κφρεσ. Δφο κφρεσ(ςυνικωσ ονομάηονται L και H) πολυπλζκονται ςε μία τρίτθ κφρα(ςυνικωσ S). Τα ςιματα ςτισ δφο κφρεσ(l και Θ) απαςχολοφν διαφορετικό και αςυνεχζσ εφροσ ςυχνοτιτων. Ζτςι αυτά τα ςιματα μποροφν να ςυνυπάρχουν ςτθν κφρα S χωρίσ να αλλθλοεπθρεάηονται. Συνικωσ το ςιμα ςτθν κφρα L απαςχολεί ζνα εφροσ χαμθλϊν ςυχνοτιτων, ενϊ το ςιμα ςτθ κφρα Θ ζνα εφροσ υψθλότερων ςυχνοτιτων. Σε αυτιν τθν περίπτωςθ ο διπλζκτθσ διακζτει ζνα χαμθλοπερατό ι ηωνοπερατό φίλτρο(γφρω από τθν κεντρικι ςυχνότθτα του L) μεταξφ των κυρϊν L και S, ενϊ διακζτει ζνα υψιπερατό ι ηωνοπερατό φίλτρο(γφρω από τθν κεντρικι ςυχνότθτα του Θ) μεταξφ των κυρϊν H και S. Στθν ιδανικι περίπτωςθ ολόκλθρθ θ ιςχφσ του ςιματοσ ςτθν κφρα L μεταφζρεται χωρίσ απϊλειεσ ςτθν κφρα S, όπωσ γίνεται και αντίςτροφα από τθν κφρα S ςτθν κφρα L. Το ίδιο ιςχφει και για τθ διαδρομι από τθ κφρα Θ ςτθν κφρα S και αντίςτροφα. Δθλαδι τα ςιματα είναι πλιρωσ διαχωριςμζνα, κακϊσ κακόλου από τθν ιςχφ του ςιματοσ τθσ κφρασ L δεν μεταφζρεται ςτθν κφρα H. Στθν πραγματικότθτα όμωσ, ζνα μζροσ τθσ ιςχφοσ χάνεται κατά τθν μεταφορά (L-S ι H-S και αντίςτροφα), ενϊ παρατθρείται και διαρροι(leakage) ιςχφοσ προσ λάκοσ κφρα. Τζλοσ, ο διπλζκτθσ είναι ζνα αμφίδρομο εξάρτθμα, δθλαδι δεν είναι κακοριςμζνο ποιεσ κφρεσ αποτελοφν εξόδουσ και ποιεσ ειςόδουσ. Σκοπόσ των μετριςεων που πραγματοποιικθκαν ιταν ο χαρακτθριςμόσ δφο διπλεκτϊν που καταςκευάςτθκαν με τθν τεχνολογία του μεταλλικοφ ορκογωνικοφ κυματοδθγοφ ςτθν περιοχι γφρω από τα 60GHz. Γι αυτό το λόγο το εφροσ ςυχνοτιτων των μετριςεων επιλζχκθκε από τα 50 ζωσ τα 65GHz. Ο ζνασ διπλζκτθσ διζκετε ηωνοπερατά φίλτρα Chebyshev 5 θσ τάξθσ, ενϊ ο άλλοσ ηωνοπερατά φίλτρα Chebyshev 7 θσ τάξθσ. Ραρακάτω φαίνονται οι διπλζκτεσ αυτοί, κακϊσ και θ 3D γεωμετρία τουσ. Για τον διπλζκτθ 5 θσ τάξθσ: Εικόνα 8.1: Διπλζκτησ Chebyshev 5ησ τάξησ [110]

111 Εικόνα 8.2: Διπλζκτησ Chebyshev 5ησ τάξησ 3D Για τον διπλζκτθ Chebyshev 7 θσ τάξθσ: Εικόνα 8.3:Διπλζκτησ Chebyshev 7ησ τάξησ [111]

112 Εικόνα 8.4: Διπλζκτησ Chebyshev 7ησ τάξησ 3D Οι διπλζκτεσ ςχεδιάςτθκαν για να ικανοποιοφν τισ εξισ προδιαγραφζσ: 8.1 Διαδικαςύα των μετρόςεων Αυτζσ οι μετριςεισ ιταν κεωρθτικά πιο εφκολεσ από τισ μετριςεισ του τετραγωνικοφ διαχωριςτι φάςθσ που παρουςιάςτθκαν ςτο προθγοφμενο κεφάλαιο, κακϊσ οι διπλζκτεσ δεν ιταν υλοποιθμζνοι ςε [112]

113 ολοκλθρωμζνθ μορφι και άρα οι μετριςεισ ζγιναν με τθ χρθςιμοποίθςθ μόνο του αναλυτι δικτφου (3739D τθσ ANRITSU), χωρίσ τθ χρθςιμοποίθςθ του ςτακμοφ μικροακίδων(probe station). Θ διαδικαςία των μετριςεων περιελάμβανε τα εξισ γνωςτά ςτάδια: 1. Ρροετοιμαςία των μετριςεων και εφρεςθ του κατάλλθλου εξοπλιςμοφ 2. Βακμονόμθςθ οργάνου ςτισ ςυχνότθτεσ GHz 3. Μετριςεισ S-παραμζτρων 4. Χρθςιμοποίθςθ λογιςμικοφ (ADS) για απεικόνιςθ των μετριςεων 8.2 Προετοιμαςύα των μετρόςεων και εύρεςη του κατϊλληλου εξοπλιςμού Ππωσ προαναφζρκθκε το γεγονόσ ότι δεν είχαμε ολοκλθρωμζνο κφκλωμα, απλοποίθςε ςθμαντικά τον απαιτοφμενο εξοπλιςμό των μετριςεων. Για τισ μετριςεισ χρθςιμοποιικθκαν τα γνωςτά ομοαξονικά καλϊδια GORESN FF0CN0CM038.0 που είναι μόνιμα ςυνδεδεμζνα ςτισ κφρεσ 1 και 2 του αναλυτι δικτφου και είναι ιδανικά για μετριςεισ ςτισ χιλιοςτομετρικζσ ςυχνότθτεσ. Θ ςφνδεςθ των ομοαξονικϊν καλωδίων με τισ κφρεσ ενδιαφζροντοσ των διπλεκτϊν ζγινε με τθ χρθςιμοποίθςθ προςαρμογζων ομοαξονικοφ περιβάλλοντοσ ςε κυματοδθγό(coaxial to waveguide adaptors). Εικόνα 8.5: Εξοπλιςμόσ για τισ μετρήςεισ των διπλεκτϊν 8.3 Βαθμονόμηςη Για τισ ςυγκεκριμζνεσ μετριςεισ επιλζχκθκε SOLT βακμονόμθςθ(πλιρθσ δίκυρθ, ομοαξονικι 1.85mm, χωρίσ απομόνωςθ) ςτισ ςυχνότθτεσ 50-65GHz. Τα πρότυπα βραχυκφκλωμα, ανοικτό κφκλωμα, φορτίο και thru που χρθςιμοποιικθκαν για τθ βακμονόμθςθ βρίςκονται ςτο Calibration Kit 3654D τθσ ANRITSU. Στθ [113]

114 ςυνζχεια δοκικαν οι απαιτοφμενεσ παράμετροι για τθ βακμονόμθςθ ςτον αναλυτι δικτφου. Επειδι μπορεί να γίνει βακμονόμθςθ για ζνα περιβάλλον τθ φορά και ςτθν προκειμζνθ περίπτωςθ επιλζχκθκε ομοαξονικι και το calibration kit ιταν ομοαξονικό, θ βακμονόμθςθ διόρκωςε τα ςφάλματα από τα καλϊδια και πίςω και άρα δεν περιελάμβανε τουσ προςαρμογείσ. Θ επίδραςθ των προςαρμογζων μετρικθκε και αφαιρζκθκε αργότερα. 8.4 Μϋτρηςη S-παραμϋτρων Κάκε διαδρομι του διπλζκτθ ζπρεπε να μετρθκεί ξεχωριςτά. Για αυτό το λόγο οι κφρεσ του εκάςτοτε καναλιοφ ςυνδζκθκαν με τισ κφρεσ 1 και 2 του αναλυτι δικτφου, ενϊ θ τρίτθ κφρα που δεν χρθςιμοποιοφταν τερματίςτθκε με τζλειο φορτίο. Συνολικά γίνανε τζςςερισ διαφορετικζσ μετριςεισ, δφο ςε κάκε διπλζκτθ(μία για κάκε διαδρομι). Για τισ μετριςεισ ορίςτθκε sweep-by-sweep averaging για 3 ςαρϊςεισ για να μειωκεί ο κόρυβοσ που υπάρχει ςτισ τόςο υψθλζσ ςυχνότθτεσ. Μετρικθκε επίςθσ θ επίδραςθ των προςαρμογζων, τοποκετϊντασ τουσ ανάμεςα ςτισ κφρεσ 1 και 2 του αναλυτι δικτφου, οφτωσ ϊςτε αργότερα να αφαιρεκεί από τισ μετριςεισ θ επίδραςθ αυτι. Εικόνα 8.6: Διπλζκτεσ και κυματοδηγοί 8.5 Απεικόνιςη μετρόςεων ςτο ADS Για τθν απεικόνιςθ των μετριςεων χρθςιμοποιικθκε το λογιςμικό ADS. Ραρακάτω παρουςιάηονται τα διαγράμματα των S-παραμζτρων που μασ ενδιαφζρουν (S21 και S11) ςε κοινό διάγραμμα με τισ προςομοιϊςεισ που είχαν προθγθκεί κατά τθν ςχεδίαςθ των διπλεκτϊν. Οι προςομοιϊςεισ ζγιναν με το λογιςμικό Ansoft-HFSS. Σε όλεσ τισ μετριςεισ αφαιρζκθκε θ επίδραςθ των προςαρμογζων(περίπου 1dB ςτα 60GHz). [114]

115 S21_sim_fr1 S21_sim_meas1 S21_sim_tr1 S21_sim_fr S21_sim_meas S21_sim_tr Διπλζκτησ Chebyshev 5 ησ τάξησ: S21 πρϊτου καναλιοφ(ςυχνότητα 59.8GHz) m6 freq= 60.29GHz S21_sim_meas= m7 freq= 59.87GHz S21_sim_tr= m7 m8 m6 m8 freq= 59.93GHz S21_sim_fr= freq, GHz Μπλε ίχνοσ : Μζτρθςθ με αναλυτι δικτφου Κόκκινο ίχνοσ : Time Domain προςομοίωςθ οη ίχνοσ : Frequency Domain προςομοίωςθ Ππωσ φαίνεται από τα διαγράμματα(m6) το S21(απϊλειεσ ειςαγωγισ) είναι -2.27dB και θ απόκλιςθ από τθν κεντρικι ςυχνότθτα είναι 490MHz ι 0.8%( ). S21 δευτζρου καναλιοφ(ςυχνότητα 62.2GHz) m9 freq= 62.83GHz S21_sim_meas1= m10 freq= 62.36GHz S21_sim_tr1= m11 freq= 62.45GHz S21_sim_fr1= m10 m11 m freq, GHz [115]

116 S21_sim_tr9 S21_sim_meas9 S21_sim_fr9 S21_sim_tr8 S21_sim_meas8 S21_sim_fr8 Μπλε ίχνοσ : Μζτρθςθ με αναλυτι δικτφου Κόκκινο ίχνοσ : Time Domain προςομοίωςθ οη ίχνοσ : Frequency Domain προςομοίωςθ Ππωσ φαίνεται από τα διαγράμματα(m9) το S21(απϊλειεσ ειςαγωγισ) είναι -3.28dB και θ απόκλιςθ από τθν κεντρικι ςυχνότθτα είναι +630MHz ι ~1%. S11 πρϊτου καναλιοφ freq, GHz Μπλε ίχνοσ : Μζτρθςθ με αναλυτι δικτφου Κόκκινο ίχνοσ : Time Domain προςομοίωςθ οη ίχνοσ : Frequency Domain προςομοίωςθ Ππωσ φαίνεται από αυτι τθ μζτρθςθ οι απϊλειεσ επιςτροφισ(return loss) είναι μεγαλφτερεσ από 16dB(S11<-16dB). S11 δεφτερου καναλιοφ freq, GHz [116]

117 S21_sim_fr2 S21_sim_meas2 S21_sim_tr2 Μπλε ίχνοσ : Μζτρθςθ με αναλυτι δικτφου Κόκκινο ίχνοσ : Time Domain προςομοίωςθ οη ίχνοσ : Frequency Domain προςομοίωςθ Ππωσ φαίνεται από αυτι τθ μζτρθςθ οι απϊλειεσ επιςτροφισ(return loss) είναι μεγαλφτερεσ από 18dB(S11<-18dB). Διπλζκτησ Chebyshev 7 ησ τάξησ: S21 πρϊτου καναλιοφ(ςυχνότητα 59.8GHz) m12 freq= 60.36GHz S21_sim_meas2= m13 freq= 59.80GHz S21_sim_tr2= m14 freq= 59.87GHz S21_sim_fr2= m13 m14 m freq, GHz Μπλε ίχνοσ : Μζτρθςθ με αναλυτι δικτφου Κόκκινο ίχνοσ : Time Domain προςομοίωςθ οη ίχνοσ : Frequency Domain προςομοίωςθ Ππωσ φαίνεται από τα διαγράμματα(m12) οι απϊλειεσ ειςαγωγισ είναι 5.7dB και θ απόκλιςθ από τθν κεντρικι ςυχνότθτα είναι +560MHz ι ~0.9%. [117]

118 S21_sim_tr10 S21_sim_meas10 S21_sim_fr10 S21_sim_fr3 S21_sim_meas3 S21_sim_tr3 S21 δεφτερου καναλιοφ(ςυχνότητα 62.2GHz) m15 freq= 62.77GHz S21_sim_meas3= m16 freq= 62.27GHz S21_sim_tr3= m17 freq= 62.31GHz S21_sim_fr3= m16 m17 m Μπλε ίχνοσ : Μζτρθςθ με αναλυτι δικτφου Κόκκινο ίχνοσ : Time Domain προςομοίωςθ οη ίχνοσ : Frequency Domain προςομοίωςθ Ππωσ φαίνεται από τα διαγράμματα(m15) οι απϊλειεσ ειςαγωγισ είναι 3.4dB και θ απόκλιςθ από τθν κεντρικι ςυχνότθτα είναι +570 MHz ι ~0.9%. S11 πρϊτου καναλιοφ freq, GHz freq, GHz [118]

119 S21_sim_tr11 S21_sim_meas11 S21_sim_fr11 Μπλε ίχνοσ : Μζτρθςθ με αναλυτι δικτφου Κόκκινο ίχνοσ : Time Domain προςομοίωςθ οη ίχνοσ : Frequency Domain προςομοίωςθ Ππωσ φαίνεται από αυτι τθ μζτρθςθ οι απϊλειεσ επιςτροφισ(return loss) είναι μεγαλφτερεσ από 15dB(S11<-15dB). S11 δευτζρου καναλιοφ freq, GHz Μπλε ίχνοσ : Μζτρθςθ με αναλυτι δικτφου Κόκκινο ίχνοσ : Time Domain προςομοίωςθ οη ίχνοσ : Frequency Domain προςομοίωςθ Ππωσ φαίνεται από αυτι τθ μζτρθςθ οι απϊλειεσ επιςτροφισ(return loss) είναι μεγαλφτερεσ από 17dB(S11<-17dB). 8.6 υμπερϊςματα Ραρατθροφμε ότι ο διπλζκτθσ 5 θσ τάξθσ ικανοποιεί καλφτερα τθν προδιαγραφι των απωλειϊν ειςαγωγισ (2.27dB-εντόσ ορίων για το πρϊτο κανάλι και 3.28dB-εκτόσ ορίων για το δεφτερο κανάλι), κακϊσ οι απϊλειεσ ειςαγωγισ του διπλζκτθ 7 θσ τάξθσ βρίςκονται αρκετά ζξω από τα όρια των προδιαγραφϊν. Δθλαδι ο διπλζκτθσ 5 θσ τάξθσ παρουςιάηει ςαφϊσ λιγότερεσ απϊλειεσ. Οι αποκλίςεισ τθσ κεντρικισ ςυχνότθτασ κυμαίνονται από 0.8 ζωσ 1% και οφείλονται ςτθν μθχανολογικι ανοχι υλοποίθςθσ κάποιων καταςκευαςτικϊν μερϊν. [119]

120 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Α SOLT Βαθμονόμηςη για τον αναλυτή δικτφου 3739D τησ ANRITSU Ωσ γνωςτόν θ SOLT βακμονόμθςθ χρθςιμοποιεί ζνα βραχυκφκλωμα, ζνα ανοικτό κφκλωμα, ζνα φορτίο και ζνα thru. Ραρακάτω δίνονται οδθγίεσ βιμα προσ βιμα για τθν πραγματοποίθςθ αυτισ τθσ βακμονόμθςθσ. Βήμα 1 Ριζηουμε το κουμπί Begin Cal Βήμα 2 Από το μενοφ(c11) που εμφανίηεται επιλζγουμε CHANGE CAL METHOD AND LINE TYPE Βήμα 3 Πταν εμφανιςτεί το μενοφ C11A, κάνουμε τισ εξισ ενζργειεσ μεταφζροντασ τον κζρςορα: 1. Επιλζγουμε SOLT(STANDARD) και πιζηουμε το enter. Αυτό επιλζγει τθν standard SOLT ςαν μζκοδο βακμονόμθςθσ. 2. Επιλζγουμε COAXIAL και πιζηουμε το enter. Αυτό επιλζγει ςαν τφπο γραμμισ μεταφοράσ τθν ομοαξονικι. 3. Επιλζγουμε NEXT CAL STEP και πιζηουμε το enter. Αυτό μασ οδθγεί ςτο να επιςτρζψει το μενοφ C11 ςτθν οκόνθ. [120]

121 Βήμα 4 Πταν ξαναεμφανιςτεί το μενοφ C11, επιβεβαιϊνουμε ότι ζχουν επιλεγεί SOLT μζκοδοσ βακμονόμθςθσ και COAXIAL τφποσ γραμμισ. Επιλζγουμε NEXT CAL STEP και πιζηουμε το enter. Αυτό οδθγεί ςτο να εμφανιςτεί το μενοφ C Βήμα 5 Το μενοφ C5 μασ επιτρζπει να επιλζξουμε τον τφπο τθσ βακμονόμθςθσ. Για να κάνουμε πλιρθ δίκυρθ βακμονόμθςθ, μεταφζρουμε τον κζρςορα ςτο FULL 12- TERM και πιζηουμε το enter. Αυτι θ επιλογι βακμονομεί και για τουσ 12 παράγοντεσ λακϊν Βήμα 6 Το επόμενο μενοφ C5D που εμφανίηεται, μασ επιτρζπει να επιλζξουμε ζνα κζλουμε να ςυμπεριλάβουμε ι όχι τουσ παράγοντεσ λακϊν που ςχετίηονται με τθν διαρροι μεταξφ των καναλιϊν μζτρθςθσ. Δθλαδι επιλζγουμε εάν κζλουμε ι όχι να ςυμπεριλάβουμε βακμονόμθςθ απομόνωςθσ(isolation calibration). Συνικωσ επιλζγουμε να μθν ςυμπεριλάβουμε, δθλαδι επιλζγουμε EXCLUDE ISOLATION και πατάμε το enter. Bήμα 7 Στθ ςυνζχεια εμφανίηεται το μενοφ C1. Μασ επιτρζπει να επιλζξουμε τον αρικμό των ςθμείων ςυχνοτιτων ςτισ οποίεσ κα μετριοφνται τα δεδομζνα. Επιλζγουμε ΝORMAL και πιζηουμε το enter. Με αυτιν τθ επιλογι τα δεδομζνα μποροφν να παρκοφν ςε μζχρι και 1601 ίςου διαςτιματοσ ςθμεία ςυχνοτιτων του εφρουσ ςυχνοτιτων. [121]

122 Βήμα 8 Το επόμενο μενοφ(το C2) μασ επιτρζπει να ρυκμίςουμε τθν αρχικι και τελικι ςυχνότθτα. Επιλζγουμε το START και ρυκμίηουμε τθν αρχικι ςυχνότθτα από τα πλικτρα του αναλυτι δικτφου. Ομοίωσ επιλζγουμε το STOP και ρυκμίηουμε τθν τελικι ςυχνότθτα. Στθ ςυνζχεια επιλζγουμε μία από τισ επιλογζσ για τα ςθμεία που κα παρκοφν δεδομζνα(πχ το 210 MAX PTS). Στθ ςυνζχεια επιλζγουμε NEXT CAL STEP και πατάμε το enter. Βήμα 9 Το μενοφ C3 που εμφανίηεται μασ επιτρζπει να αλλάξουμε τισ παραμζτρουσ τθσ βακμονόμθςθσ, μεταφζροντασ τον κζρςορα ςτθν παράμετρο που μασ ενδιαφζρει και πιζηοντασ enter. Επιλζγουμε PORT 1 CONN και πιζηουμε το enter. Βήμα 10 Από το μενοφ C4, ςτθν δικιά μασ περίπτωςθ επιλζγουμε V CONN (M), και πιζηουμε το enter. Αυτό ςθμαίνει ότι υπάρχει ζνασ V αρςενικόσ κοννζκτορασ ςτο DUT. Εδϊ πρζπει να κανείσ να προςζξει ότι το αρςενικό-κθλυκό κακορίηονται από τον κοννζκτορα που βιδϊνεται ςτο DUT. [122]

123 Βήμα 11 Από το μενοφ C3 επιλζγουμε αντίςτοιχα PORT 2 CONN και ομοίωσ με πριν από το C4 επιλζγουμε V CONN (M) και πιζηουμε enter. Βήμα 12 Αφοφ επανιλκαμε ςτο μενοφ C3 και βεβαιωκοφμε ότι ςτο PORT 1 CONN και PORT 2 CONN ζχουμε τισ ςωςτζσ παραμζτρουσ, επιλζγουμε το REFLECTION PAIRING και πιζηουμε enter. Ζτςι εμφανίηεται το μενοφ C13. Το reflection pairing επιτρζπει να αναμίξουμε ι να προςαρμόςουμε τα ανακλαςτικά πρότυπα, δθλαδι το short και το open και εξαρτάται από αυτό θ ςειρά με τθν οποία κα μασ ηθτιςει ο αναλυτισ τα πρότυπα. Εδϊ επιλζγουνε MIXED και πιζηουμε enter. H επιλογι mixed μασ επιτρζπει να βακμονομιςουμε αρχικά ζχοντασ ζνα short ςτθ μία κφρα και ζνα open ςτθν άλλθ και μετά το open ςτθν πρϊτθ και short ςτθ δεφτερθ. Το matched μασ επιτρζπει να βακμονομιςουμε χρθςιμοποιϊντασ πρϊτα ζνα open και ςτισ δφο κφρεσ και μετά ζνα short και ςτισ δφο κφρεσ. Βήμα 13 Αφοφ είμαςτε πάλι ςτο μενοφ C3 τϊρα επιλζγουμε LOAD TYPE και πιζηουμε το enter. Αυτό μασ οδθγεί ςτο μενοφ C6. Αυτό το μενοφ μασ επιτρζπει να επιλζξουμε είτε BROADBAND είτε SLIDING LOAD. Τα ευρυηωνικά φορτία(broadband) είτε κατάλλθλα για ςχεδόν όλεσ τισ μετριςεισ και άρα επιλζγουμε BROADBAND LOAD και πιζηουμε enter. Από το μενοφ C6A που εμφανίηεται επιλζγουμε BROADBAND LOAD IMPEDANCE και αν δεν είναι ιδθ ρυκμιςμζνο ςτα 50Ω, το ρυκμίηουμε εμείσ από τα πλικτρα του αναλυτι δικτφου και πιζηουμε enter. Βήμα 14 Αφοφ βριςκόμαςτε ξανά ςτο μενοφ C3, αυτι τθ φορά επιλζγουμε THROUGH PARAMETERS και πιζηουμε το enter. Βήμα 15 Τϊρα εμφανίηεται το μενοφ C20. Εδϊ μποροφμε να ρυκμίςουμε το μικοσ και τθν ςφνκετθ αντίςταςθ τθσ γραμμισ through που κα χρθςιμοποιθκεί. Επιλζγουμε το OFSETT LENGTH, βάηουμε τιμι και πιζηουμε [123]

124 enter. Ομοίωσ αν κζλουμε να αλλάξουμε τθν ςφνκετθ αντίςταςθ, επιλζγουμε THROUGHLINE IMPEDANCE, βάηουμε τιμι και πιζηουμε enter. Βήμα 16 Από το μενοφ C3 ξανά επιλζγουμε REFERENCE IMPEDANCE και πιζηουμε enter. Αυτό μασ οδθγεί ςτο μενοφ C17. Βήμα 17 Από το C17 μετακινοφμε τον κζρςορα ςτο REFERENCE IMPEDANCE και ρυκμίηουμε τθν τιμι που φαίνεται από τα πλικτρα του αναλυτι δικτφου και πιζηουμε enter. Βήμα 18 Από το μενοφ C3 ξανά, επιλζγουμε TEST SIGNALS και πιζηουμε enter. Βήμα 19 Από το μενοφ SU2, μποροφμε να επιλζξουμε το επίπεδο ιςχφοσ των ςθμάτων ςτισ δφο κφρεσ του αναλυτι δικτφου και τθν εξαςκζνθςθ(εάν χρειάηεται). Οι τιμζσ αυτζσ πρζπει να είναι πάνω από το επίπεδο κορφβου, αλλά κάτω από το 0.1dB compression point του αναλυτι. Μετακινοφμε τον κζρςορα ςτθν κατάλλθλθ επιλογι, βάηουμε τθν τιμι και πιζηουμε enter. Ρρζπει να ζχουμε υπόψθ ότι τθν απαιτοφμενθ ιςχφσ ειςόδου και τθν απαιτοφμενθ ιςχφ εξόδου του DUT. Ιδανικά θ εξαςκζνθςθ πρζπει να ρυκμιςτεί ϊςτε θ είςοδοσ τθσ κφρα 2 του αναλυτι να είναι μικρότερθ από -10dBm. Για παράδειγμα αν θ είςοδοσ του DUT ζχει οριςτεί για -20dBm και το κζρδοσ είναι 40dBm, θ εξαςκζνιςθ τθσ κφρασ 2 πρζπει να οριςτεί ςτα 20dBm. Αφοφ κάνουμε όλεσ τισ απαραίτθτεσ ρυκμίςεισ, επιλζγουμε PREVIOUS MENOU και πιζηουμε enter. [124]

125 Βήμα 20 Από το μενοφ C3 επιλζγουμε START CAL και πιζηουμε enter. Τϊρα ακολουκοφμε τισ οδθγίεσ του αναλυτι δικτφου, ςυνδζοντασ ςτισ κφρεσ του τα πρότυπα που μασ ηθτάει κάκε φορά. [125]

126 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Β Εμφάνιςη και επεξεργαςία αποτελεςμάτων μετρήςεων ςτο ADS Τα δεδομζνα των μετριςεων από τον αναλυτι δικτφου αποκθκεφονται ςυνικωσ ςε μορφι.s2p. Ραρακάτω περιγράφεται θ διαδικαςία εμφάνιςθσ τουσ ςε διαγράμματα και θ επεξεργαςία των μετριςεων από τισ μετριςεισ του 7ου κεφαλαίου(τετραγωνικοφ διαχωριςτι φάςθσ). Από το αρχικό μενοφ του ADS, επιλζγουμε File->New Project και ςτο παράκυρο που εμφανίηεται πλθκτρολογοφμε ζνα όνομα. Στο παράκυρο που εμφανίηεται επιλζγουμε Window->New Data Display [126]

127 Στο νζο παράκυρο που ανοίγει επιλζγουμε Tools->Data File Tool και ανοίγουν δφο νζα παράκυρα. Στο παράκυρο dftool/mainwindow επιλζγουμε Read data file into dataset και από το File format to read επιλζγουμε touchstone. Στο input file επιλζγουμε από το Browse τθ κζςθ ςτθν οποία είναι αποκθκευμζνο το αρχείο των μετριςεων που κζλουμε να ειςάγουμε. Στο πεδίο Dataset to write γράφουμε ζνα όνομα για τισ μετριςεισ που φορτϊνουμε και πατάμε το Read File. Αφοφ γίνει αυτό, το ADS φορτϊνει τα δεδομζνα που ηθτιςαμε και εφόςον δεν παρουςιαςτεί κάποιο πρόβλθμα, ςτο δεφτερο παράκυρο eesofttool εμφανίηεται μινυμα ότι θ φόρτωςθ ζγινε επιτυχϊσ. Αφοφ φορτϊςουμε λοιπόν με αυτόν τον τρόπο, όςα ςετ μετριςεων χρειαηόμαςτε, είμαςτε ζτοιμοι για τθν εμφάνιςθ των αποτελεςμάτων ςε διαγράμματα. Από τθν αριςτερι μπάρα του παρακφρου Data Display, επιλζγουμε ζνα τφπο διαγράμματοσ και το ςζρνουμε ςτο ςθμείο του παρακφρου που κζλουμε να εμφανιςτεί. Εν ςυνεχεία από το παράκυρο Plot traces & Attributes που εμφανίηεται επιλζγουμε τθν παράμετρο τθσ οποίασ το διάγραμμα κζλουμε να εμφανίςουμε, κακϊσ και τθ μορφι τθσ παραμζτρου(πχ πλάτοσ, φάςθ, db). [127]

128 Αφοφ εμφανιςτεί το διάγραμμα τθσ παραμζτρου που επιλζξαμε, μποροφμε να ειςάγουμε marker, επιλζγοντασ Marker->New και πατϊντασ πάνω ςτο ίχνοσ μζςα ςτο διάγραμμα ςτο ςθμείο που κζλουμε. Αφοφ εμφανιςτεί ο marker ςτο ίχνοσ, κάνοντασ κλικ επάνω του και χρθςιμοποιϊντασ τα βελάκια ι το ποντίκι μπορεί να μετακινθκεί. Εάν κζλουμε να κάνουμε πράξεισ επάνω ςτα αποτελζςματα και να εμφανιςτοφν τα νζα αποτελζςματα ςε διαγράμματα, μποροφμε να ειςάγουμε εξιςϊςεισ. Από τθν αριςτερι μπάρα του παρακφρου Data Display, επιλζγουμε το μπουτόν Eqn και εν ςυνεχεία πατάμε επάνω ςτο παράκυρο ςτο μζροσ που κζλουμε να εμφανιςτεί θ εξίςωςθ. Στο παράκυρο Enter Equation που εμφανίηεται πλθκτρολογοφμε τθν εξίςωςθ που κζλουμε. Μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν είτε τα κλαςςικά ςφμβολα πράξεων είτε οι ζτοιμεσ ςυναρτιςεισ που διακζτει το ADS. [128]

129 Αφοφ γίνει επιτυχισ ειςαγωγι εξιςϊςεων, όταν προςπακιςουμε να ειςάγουμε ζνα νζο διάγραμμα, αν επιλζξουμε από το παράκυρο Plot traces & Attributes που εμφανίηεται Datasets and Equations->Equations, τότε τα νζα επεξεργαςμζνα αποτελζςματα κα εμφανιςτοφν αυτόματα ςε διάγραμμα, ενϊ κάκε φορά που κα αλλάηουμε κάτι ςε κάποια εξίςωςθ που επθρεάηει, κα αλλάηει αυτόματα και το διάγραμμα. Για τθ διαδικαςία του de-embeding γράφτθκαν με αυτόν τον τρόπο οι εξισ εξιςϊςεισ: Eqn Ydut=stoy(S,50) Eqn Yopen=stoy(chip3_12load3open..S,50) Eqn Yde=Ydut-Yopen Eqn Sde=ytos(Yde,50) Eqn S12de=Sde(1,2) Eqn S22de=Sde(2,2) Eqn S12de_av=moving_average(S12de,10) Eqn S22de_av=moving_average(S22de,10) Eqn S12nonde_av=moving_average(S(1,2),10) Ππωσ φαίνεται από τισ εξιςϊςεισ που χρθςιμοποιικθκαν το de-embedding ζγινε με απλι αφαίρεςθ των Υ- παραμζτρων του open από τισ Y-παραμζτρουσ του DUT. Θ ςυνάρτθςθ stoy() μετατρζπει αυτόματα τισ S- παραμζτρουσ ςε Υ-παραμζτρουσ, ενϊ θ ςυνάρτθςθ ytos() αντίςτοιχα τισ Υ ςε S-παραμζτρουσ. H ςυνάρτθςθ moving_average(), χρθςιμοποιείται για το smoothing καμπυλϊν, κακϊσ ομαλοποιεί τισ καμπφλεσ [129]