Nonlinear analysis and design of the subharmanically drain pumped mizrowave mesfet mixer
İkinci harmonik savaktan pompalamalı mesfeti karıştırıcı tasarımı
- Tez No: 46487
- Danışmanlar: PROF.DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Harmonikler, Karıştırıcılar, Tasarım, Harmonics, Mixers, Design
- Yıl: 1995
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Birinci harmonik pompalamak MESFET'li karıştırıcılar şimdiye kadar bir çok araştırmaya konu olmuş ve literatürde yaygın bir şekilde yerini almıştır [l]-[3]. Dengesiz ve dengeli formda değişik devre şekilleri ortaya konulmuştur. İki geçitli MESFET'lerin yapımındaki ilerlemeler sonucunda izolasyon için hibrid veya yönlü kuplör kullanılmaksızın her iki geçite de pompa (LO, yerel osilatör) ve işaret (RF) uygulamak mümkün olmuştur. Diğer bir frekans karıştırma yöntemi de, işaret ile LO frekansının daha yüksek bir harmoniğinin farkı olan IF 'in (ara frekans) harmonik pompalamasını kullanmaktır. İkinci harmonik karıştırmak karıştırıcıların özellikleri aşağıdaki şekilde gösterilebilir: 1) Bu karıştırıcıların dönüştürme etkinliği aynı frekans ve aynı pompalama (LO) gücünde çalışan birinci harmonik kanştırmalı karıştırıcılardan daha kötüdür. Ters paralel diyot karıştırıcılarda birinci harmonik karıştırma ürünlerinin bastırıldığı gösterilmiştir. 2) İşaret (RF) ve yerel osilatör (LO) frekansları arasındaki izolasyon düşük IF'li birinci harmonik pompalamak karıştırıcılarda oldukça zor olmasına rağmen bu karıştırıcılarda kolay elde edilir. 3) Pompalama frekansı (LO), birinci harmonik pompalamak karıştırıcının yarısına eşittir. 4) Eğer birinci harmonik pompalama ürünleri, bastırılmışsa LO'nun IF gürültü etkisi azaltılabilir [4]-[7]. Birinci harmonik karıştırma ürünlerinin yok edilmesi diyotlu karıştırıcılarda birbirine ters iki diyodun paralel bağlanması ile kolayca sağlanabilmektedir. Aynı özeUiği şu anda sadece n kanallı MESFET'lerin yapılabilmesi nedeni ile elde etmek olanaksızdır. Ancak, benzer davranışın birbirinin aynı iki MESFET'in LO tarafından 180° faz farkı ile sürülmesiyle elde edilebileceği gösterilmiştir ve bu çakşmanın uygulamasında böyle bir karıştırıcı tasarlanmıştır. Şekil 1 de gösterilen tek diyotlu karıştırıcıda V = VLO Cos o£0 1 + Vs Sin ojs t şeklindeki işaretin uygulanması mfLO ± nfs frekanslarında diyot akımını oluşturur.Birbirine ters iki diyodun paralel bağlanması sonucu oluşacak akımın (m+n)'in tek olduğu frekansları içereceği gösterilebilir. anan <* ı ' ı ? -T -I Şekil 1. Diyot karıştırıcı devresi. m+n çift olduğunda diyot içersinden çift harmonikler, birinci harmonik karıştırma ürünleri (os - u>w ve ws + qİO) ve de terim akacakdır. Bu bağıntı: i =... + -4Cos(2wİO+ws)f + BCos(2uLO-(x)ş)t + C Cos (4 a^ ti) s) t +... (1) ve ic =... + ECositiijjj-tii^t + FCos(oiLO + (x)^)t +... şeklinde yazılabilir. (2) Aynı kural 180° faz farklı aynı yerel osilatörlerle karıştırılan mikrodalga MESFET karıştırıcılar için kullanılabilir. Devrenin analizi için ilk olarak şekil 2. de gösterilen MESFET'in büyük işaret modeli [8] gereklidir. Lg R Cqd(t) RD LD £*d.W Şekil 2. Büyük işaret MESFET'in eşdeğer devresi. -vii-Bu şekilden görüldüğü gibi büyük işaret modelinde bazı elemanlar uygulanan işaretin frekansında değişirler. id(t) için aşağıdaki ifade yazılabilir: İJt) = 0(1 + X VJtznhia V2)(yrVTf (3) buradaki, a, p, X, VT eğri uydurumu yöntemiyle belirlenen değişkenlerdir. Bunun için Rosenbrock algoritması kullanılmıştır. Aşağıdaki objektif fonksiyon F'in minimum için bir sonuç optimizasyonu yapılırsa: i N F = E (LrU2 (4) N (max IJ %“»»«' i Burada N = DC karakteristiklerin ölçülen noktalarının sayısı. Ijjjj = i noktasında savak akımının ölçülen değeri. Icj = (3) ifadeden savak akımının hesaplanan değeri. SPICE programı kullanılarak bu parametreler bilindiğinde V} ve V2 belirlenebilir. Zamanla değişen dirençler ve kapasiteler için *® = E Rn eXP (/'n<V) (5) CW = E Cn eXP (/'WW/) (6) K = T- f 2* *(0 exP (-y»wo0 d(u0t) (7.a) Cn = ^(2”C(t)cxpUna0t)d(<o0t) (7.b) 2-n J o ve <oc = 2-nr/ö, f0: uygulanan büyük işaretli gerilim kaynağının frekansı R(t) ve C(t) için (3) bağıntısında verilen Y^ ve V2'ye göre devre analiziyle bulunabilir. Akım veya gerilimlerin Fourier katsayıları kolaylıkla bulunmadığından, bu katsayılar bağındısı aşağıda verilen ayrık fourier dönüşümü (DFT) kullanılarak belirlenir. -vııı-İV-1 xn = \r E Xsmt)exp(-j2%nKIN), n=0,l,...,tf-l (8) X^KAt); X(t) fonksiyonunun örneklenmiş durumu, N, örnek sayısı, At = T/N, /0 = ı/r. Sonuç olarak eşdeğer devredeki çıkış akımları lineer olmayan elemanların Fourier katsayıları kullanılarak ve devrenin lineer analizi yardımıyla bulunabilir. Küçük genlikli YF(RF) işaretinde karıştırıcılardaki frekans değerleri fmjTnFw±mFRF bağıntısıyla verilir. Burada -~^n <. +<»,m= 0, ±1, FLO ve F^ sırasıyla yerel osilatör ve RF frekanslarıdır. Buna göre devredeki tüm genlik değerleri «=-~ 0i=O,±l biçimindedir. Bütün bir karıştırıcının eşdeğer devresi şekil 3 deki gibidir. (9) Lg Rg ^ Rd Ld fnrL/wı - 1| - fw^ vcfrc9«- Şekil 3. Karıştırıcının devresi. YF (RF) ve AF (IF) kapıları arasında elde edilebilir dönüştürme kazancı Gav ^=4*^1 6 |2 (10) şeklinde ifade edilebilir. -ıx-Rj ve R6 sırasıyla Z± ve Z6 nin reel kısımlarıdır. (10) un bazı yaklaşımlarla çözümü basitçe bulunabilir ve optimum kazanç ifadesi yaklaşık olarak |2' yazılabilir. Devre, Duroide 5880 taban (er=2.2, h=0.4 mm) üzerinde gerçekleştirilmiştir. BB'ler (Boğucu bobin) ve köprüleme kapasiteleri hariç tüm elemanlar mikroşerit biçiminde gerçeklenmiştir. Sonuç: Bu çalışmada anlatılan yöntemi kullanılarak üç yeni lineer olmayan devre tasarlanmıştır. İlki 1:1 balun yardımıyla 180° faz farklı pompalı iki tranzistorun kullanıldığı altharmonik savak pompalamalı MESFET karıştırıcıdır. Devreden 10- 12 GHz frekans aralığında kuramsal +3 dB dönüştürücü kazancı elde edilmiştir. Diğer iki devre ise dağılmış yapıda dengeli ve dengesiz karıştırıcılardır. 2-12 GHz frekans aralığında dengeli devreden + 1 dB ve dengesiz devreden ± 0.5 dB kuramsal dönüştürücü kazancı elde edilmiştir. Bu devreler deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla ayrık elemanların (kırmık kondansatör, MESFET ve direnç) mikroşerit hatlar üzerine yerleştirilmesi yoluna gidilmiştir. Uygulamada bulunan sonuçlar kurumsal sonuçlara göre daha kötüdür. Bunun nedeni büyük ölçüde ideal olmayan kayıplı elemanlar kullanılmak zorunda kalınmış olmasından ve bunların el ile lehimlenmesinden kaynaklanmaktadır. MMIC teknolojiler kullanılarak gerçeklenecek olan devrelerin kuramsal sonuçlara daha yakın davranış gösterecekleri beklenir. 5 bölümde, tablo 5.6'daki verilen sonuçları yararlanarak diğer mevcut çalışmalara göre elde edilen kazanç ve bandgenişliği karşılaştırmaları yapılmıştır. Burada görülmektedir ki tezin konusu olan yapı literatürde ilk defa denenmekte olup, kazanç açısından elde edilen sonuçlar bu güne değin gerçeklenen diğer çalışmalarda elde edilenlerle aynı düzeydedir. Bunun ötesinde ikinci harmonik pompalamanın getirdiği üstünlükler göz önüne alındığında, mevcut çalışmada ele alman yapının uygulamada oldukça geniş bir kullanım sahası yaratacağı söylenebilir. -x-
Özet (Çeviri)
SUMMARY A new circuit for subharmonically pumped MESFET mixer is presented. In this circuit two identical MESFET which are drain pumped with 180° phase difference are used. This phase difference is provided by transformer which is realized as an 1.1 suspended line balun. An efficient algorithm has been used to find the parameters of MESFET by using the dc characteristics and scattering parameters over a wide-band frequency range. The complete nonlinear and linear analysis of this type of mixer for finding the optimum operating condition is presented. For simulation the circuit a new version of SPICE and Microwave Harmonica program are used. As a practical application, a mixer circuit is realized on a Duroide 5880 substrate and most of the elements are realized in microstrip form. The performance of this kind of mixer has not been investigated so far in the literature. Simulation results of this circuit from the conversion gain and band-width points of view are better than the other works for gate and foundamentally pumped mixers. There is no good agreement between experimental and theoretical results. This is due to the lumped elements used in microstrip realization of the circuit. Much better agreement between practical and simulation results will be expected when MMIC technology are used. Distributed subharmonically drain pumped mixers are also studied. Two novel circuits in distributed form, one of them in balanced and the second in unbalanced form are designed. Simulation results for both types and experimental results for unbalanced form are camparable with the results obtained in other works for fundamentally pumped case over a very wide-band frequency range. The results of present work are compared with the other works in table 5.6. It is concluded that the mixer configurations investigated in this thesis have several favorable characteristics and exhibits the advantage to be gained from subharmonical pumping.
Benzer Tezler
- A Non-linear analysis and design of thin-walled members with intermediate stiffeners
Ara berkitmeli, ince cidarlı elemanların lineer olmayan davranışı ve tasarımı
ÖZGÜR SÜMER KÖYLÜOĞLU
- Tarihi yapıların statik ve dinamik yükler altında lineer ve non-lineer analizi: Küçük Ayasofya Camii örneği
The Linear and non-linear analysis of the historical buildings under static and dynamic loading: The study of küçük Ayasofya Camii
ALİ KOÇAK
- Kazanç kontrollü kuvvetlendiricilerde lineer olmama distorsiyonunu azaltmak üzere analog çarpma devresi yapılarında yeni değişiklikler
Başlık çevirisi yok
OĞUZHAN ÇİÇEKOĞLU
Doktora
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. HAKAN KUNTMAN
- Betonarme çerçevelerin tekrarlı yükler altında taşıma gücü
Limit design of reinforced concrete structures under repeated loading
ALPER İLKİ
- CMOS paralel A/D çeviricide kıyıcı türü karşılaştırıcının analizi ve tasarımı
The Analysis and design of chopper type comparator in a CMOS flash A/D converter
YAMAN ÖZELÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. MELİH PAZARCI
