SISTEMI ELETTRONICI A RF (A.A. 2013-2014) Docenti: Ing. Pasquale Tommasino Prof. Stefano Pisa Orario Lezioni - Lunedì 12.00-13.30 AULA 17 - Martedì 10.15-11.45 AULA 6 - Mercoledì 10.15-11.45 AULA 6 - Venerdì 10.15-11.45 AULA 6 9 Crediti - 12 settimane (≈ 90 ore) 1 Sistemi a RF/microonde Denominazioni Intervallo di frequenza GHz (109 Hz) HF 0.003 - 0.030 VHF 0.030 - 0.300 UHF 0.300 - 1.000 Banda L 1.0 - 2.0 Banda S 2.0 - 4.0 Banda C 4.0 - 8.0 Banda X 8.0 - 12.0 Banda Ku 12.0 - 18.0 Banda K 18.0 - 26.5 Banda Ka 26.5 - 40.0 Banda Q 40.0 - 50.0 Banda V 50.0 - 75.00 Millimetrico Terahertz 40.0 - 300.0 > 300.0 Circuiti ibridi (MIC) e monolitici (MMIC) 2 Trasmettitore TV Digitale modulazione di ampiezza vestigiale ad 8 livelli portante soppressa e si trasmette la banda superiore Ricevitore DBS Uplink 14-14.5 GHz Downlink 10.95 – 12.75 GHz polarizzazioni RHCP e LHCP 3 Sistema rice-trasmittente terrestre (segnali analogici 2 -13 GHz) oscillatore locale antenna trasmittente modulatore di segnale in frequenza banda base mixer amplificatore amplificatore di potenza oscillatore locale amplificatore a frequenza intermedia antenna ricevente segnale in banda base demodulatore di frequenza mixer Transponder su satellite (segnali digitali) oscillatore locale antenna ricevente fOL amplificatore a frequenza intermedia amplificatore a basso rumore fIN mixer demodulatore QPSK oscillatore locale fOL1 fIN rigeneratore modulatore QPSK amplificatore di potenza antenna trasmittente 4 Radar doppler antenna trasmittente e ricevente sorgente MW onda continua (DRO) accoppiatore direzionale incidente tessuto biologico riflessa ibrido a 3 dB v(t) = V0 sen(0t) v(t) = V1 sen(1t) mixer vIF(t) filtro Vout(t) frequenza doppler Programma del Corso •INTRODUZIONE: Esempi di sistemi di telecomunicazione e radar, esempio di progetto. •OSCILLATORI A RF: circuiti risonanti, fattori di merito e perdite, esempi di reti RLC intorno alla risonanza, il coefficiente di stabilità in frequenza, il quarzo come elemento circuitale, rumore di fase. Oscillatori a controreazione: Oscillatori Colpitts e al quarzo. Oscillatori a resistenza negativa: condizioni di mantenimento, innesco e stabilità delle oscillazioni, oscillatori a risonatore dielettrico, oscillatori a risonatore ceramico. 5 Programma del Corso •AMPLIFICATORI A RF: stabilità, circonferenze di stabilità, fattore di Rollet, analisi della stabilità con Nyquist, calcolo del guadagno di trasduzione, parametri di rumore, amplificatori per il massimo guadagno: dimensionamento a partire da transistors incondizionatamente stabili, realizzazione delle reti di adattamento con elementi distribuiti o concentrati, dimensionamento a partire da transistors condizionatamente stabili, dimensionamento delle reti di stabilizzazione. Amplificatori a bassa figura di rumore. Amplificatori di potenza, parametri e classi degli amplificatori, dimensionamento di amplificatori di potenza in classe A. Progetto a partire da modelli non-lineari o da misure di load pull. Programma del Corso •FILTRI A RF: Progetto di filtri RF con il metodo del passa basso prototipo di riferimento, realizzazione con elementi concentrati ed in tecnologia planare di filtri passa basso e passa banda •MIXER A RF: parametri caratteristici dei mixer Mixer con transistors: BJT, JFET. Mixer con diodi: modello non lineare del diodo schottky, cause e modelli del rumore nei diodi, mixer a singolo diodo, mixer bilanciati. 6 Programma del Corso •Amplificatore IF e controllo del guadagno. •Il PLL: principio di funzionamento, risposta ad un errore di fase e di frequenza, stabilità, il progetto di un PLL. •MODULATORI E DEMODULATORI: Modulatori e demodulatori AM, SSB, di frequenza •CAD: Esempi CAD Microwave Office, di tutti i circuiti descritti Esercitazioni CAD applicato al progetto di reti di adattamento e circuiti RLC CAD applicato al progetto di oscillatori Colpitts, Quarzo, Ceramici, dielettrici CAD applicato al progetto di amplificatori amplificatore reactive matching, low noise e di potenza CAD applicato al progetto di filtri con elementi concentrati e distribuiti CAD applicato al progetto di mixers SEMINARIO INGEGNERI AZIENDE ROMANE 7 Materiale Didattico Appunti del corso disponibili al sito http://www.die.uniroma1.it/personale/pisa/sistemirf.html Progetto di circuiti a RF 1) Specifiche di progetto (elettriche, meccaniche, ambientali) 2) Dimensionamento (analitico, carta di Smith, etc..) 3) Ottimizzazione (CAD) 4) Layout (autocad, etc..) 5) Realizzazione del prototipo (microforgia, fotoincisione) 6) Misure sul prototipo 8 Specifiche di progetto di un filtro • filtro passa basso • massimamente piatto in banda passante • frequenza di taglio fC = 5.5 GHz • attenuazione al cut-off di 3dB • 10 dB di attenuazione a 7 GHz. Dimensionamento (ideale) metodo del passa basso prototipo di riferimento Elementi del filtro N = 5 g1=0.618, g2=1.618, g3=2, g4=1.618, g5=0.618 filtro denormalizzato PORT P=1 Z=50 Ohm CAP ID=C1 C=0.358 pF IND ID=L1 L=2.341 nH CAP ID=C2 C=1.157 pF IND ID=L2 L=2.341 nH PORT P=2 Z=50 Ohm CAP ID=C3 C=0.358 pF 9 Dimensionamento (ideale) Risultati 1 Risposta in Ampiezza 0 5.5 GHz -3.02 5.5 GHz -2.93 -10 DB(|S[2,1]|) 1 Binomiale -20 DB(|S[2,1]|) 2 Chebychev -30 4 5 6 Frequency (GHz) 7 7.5 Dimensionamento (fisico) MLIN PORT ID=TL7 P=1 W=w50 mm Z=50 Ohm L=20 mm MSTEP MLIN ID=TL8 ID=TL1 W1=w50 mm W=w15 mm W2=w15 mm L=0.910 mm MSTEP ID=TL9 W1=w15 mm W2=w75 mm MLIN MSTEP MLIN ID=TL2 ID=TL10 ID=TL3 W=w75 mm W1=w75 mm W=w15 mm L=5.872 mm W2=w15 mm L=2.947 mm MSTEP ID=TL11 W1=w15 mm W2=w75 mm MLIN MSTEP MLIN ID=TL4 ID=TL12 ID=TL5 W=w75 mm W1=w75 mm W=w15 mm L=5.872 mm W2=w15 mm L=0.910 mm MSTEP ID=TL13 W1=w15 mm W2=w50 mm MLIN ID=TL6 W=w50 mm L=20 mm PORT P=2 Z=50 Ohm w50=1.161 w15=5.844 w75=0.544 w15=5.844 w75=0.544 MLIN MSTEP ID=TL1 ID=TL9 W=w15 mm W1=w15 mm L=0.910 mm W2=w75 mm MLIN ID=TL2 W=w75 mm L=5.872 mm MSUB Er=3.38 H=0.508 mm T=0.035 mm Rho=0.7 Tand=0.0027 ErNom=3.38 Name=RO1 10 Dimensionamento (fisico) Risultati Realizzazione Fisica 0 5.12 GHz -3 5.5 GHz -4.72 -5 DB(|S[2,1]|) 5 Realizzazione Fisica -10 DB(|S[2,1]|) 1 Binomiale -15 4 5 6 Frequency (GHz) 7 7.5 a causa degli step, c’è un notevole scostamento dal comportamento ideale Ottimizzazione (CAD) Goal: attenuazione maggiore di 10 dB a 7 GHz Variables: lunghezze dei tratti Optimization methods: Random + Gradient Realizzazione Fisica 0 5.5 GHz -2.99 -5 DB(|S[2,1]|) 1 Binomiale -10 DB(|S[2,1]|) 6 Layout 7 GHz -10.4 -15 4 5 6 Frequency (GHz) 7 7.5 11 Layout 12
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