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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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