progetto microonde - accoppiatore rat-race

PROGETTO DI MICROONDE

Analisi del circuito accoppiatore tipo “rat-race”

con il software di simulazione Microwave Office

(Progetto n. 21)

Studente:Camillo Casaroli

Introduzione sull’accoppiatore “rat-race”

L’accoppiatore direzionale Rat-Race, è un circuito a quattro porte per frequenze a microonde studiato per ripartire la potenza incidente alla porta d’ingresso (nel caso del progetto qui discusso la porta 1) su altre due porte*. Infatti metà della potenza in ingresso viene trasmessa alla porta diretta 4 e la metà restante alla porta accoppiata 2, disaccoppiando completamente la restante porta 3.Il circuito in esame quindi garantisce in uscita alle porte 2 e 4 segnali a -3dB, rispettando così i vincoli tra le porte di ingresso/uscita degli accoppiatori direzionali dati da:

Coeff. di Trasmissione TdB = -10Log(Po4/Pi1) = -3dB (porta 4)

Coeff. di Accoppiamento CdB = -10Log(Po2/Pi1) = -3dB (porta 2)

Coeff. Di Isolamento IdB = -10Log(Po3/Pi1) = -oo(porta 3)

Dove si può notare che il parametro di islamento è assunto ideale a meno infinito.Il circuito Rat-Race permette accoppiamenti elevati a banda centrale relativamente stretta, grazie al principio di interferenza tra le linee che genera divisione di potenza e isolamenti.

Il progetto ci chiede di analizzare il circuito nella banda di frequenze tra 3GHz e 7GHz, con frequenza centrale fc = 5GHz. Tutte le porte sono adattate all’impedenza Z0 = 50.

*, la numerazione delle porte per questo progetto è stata mantenuta fedele al disegno sul foglio di consegna.

Analisi del circuito a linee di trasmissione

Nella modellizzazione del circuito a linee di trasmissione con MWOffice, si è partiti col definire le frequenze di analisi (tra 3 e 7 GHz) e le unità di misura globali.Lo schema del circuito è stato poi disegnato utilizzando i seguenti elementi circuitali:

- TLINP, per le parti di linea di lunghezza data

TLINPID=TL1Z0=50 OhmL=10 mmEeff=3.6Loss=0F0=5 GHz

- TLIN, per le parti del circuito di dimensioni proporzionali alla

lunghezza d’onda

TLINID=TL5Z0=sqrt(2)*50 OhmEL=90 DegF0=5 GHz

- PORT, per modellizzare le 4 porte.

PORTP=1Z=50 Ohm

Dove sono stati inseriti i dati relativi alla costante dielettrica del mezzo Er = 3.6, frequenza di lavoro f0 = 5GHz, impedenze delle linee (50 per le linee TLINP e 70,71 per quelle ) e l’impedenza delle porte fissata dalle specifiche di progetto a 50Introdotte anche le lunghezze per le linee fisiche e la lunghezza elettrica per le linee

Il disegno del circuito finale:











PORTP=1Z=50 Ohm

PORTP=2Z=50 Ohm

PORTP=3Z=50 Ohm

PORTP=4Z=50 Ohm

Fig. 1, Schema circuitale del circuito “rat-race” a linee di trasmissione

La simulazione del circuito può ora avere luogo, fissando su un grafico i dati di interesse e cioè l’andamento dei parametri di scattering risultanti da tale schema circuitale: S11, S21, S31, S41.

Alla fine dell’analisi del circuito, il grafico dell’andamento dei parametri di scattering rispetto alla porta eccitata 1 è il seguente:

3 4 5 6 7Frequency (GHz)

Grafico Linee di TX

-80

-60

-40

-20

0

5 GHz-3.01 dB DB(|S(1,1)|)

Linee TX

DB(|S(2,1)|)Linee TX



Fig. 2, Grafico dei parametri di diffusione del circuito a linee di trasmissione

Il grafico dell’analisi del circuito a linee di trasmissione mostra che le porte 2 e 4, alla frequenza centrale di 5GHz, ricevono un segnale a -3dB dalla porta eccitata 1. Ciò significa che la potenza trasferita a queste porte è esattamente la metà della potenza che incide alla porta 1, come ci aspettavamo. Le porte 1 (essendo le linee ideali e senza riflessione) e 3 sono completamente disaccoppiate.

Come si vede nel grafico, la frequenza alla quale il circuito si comporta come accoppiatore ideale è 5GHz.

Analisi del circuito a modelli in microstricia

Dopo l’analisi del circuito a linee di trasmissione, passiamo introducendo i modelli circuitali in microstriscia. Per trattare questo caso avremo bisogno di affinare il nostro schema, definendo le dimensioni fisiche delle linee in esame. Per tale scopo utilizzeremo un utile tool fornito con il software di simulazione, il TXLine. Con questo strumento è facile calcolare le dimensioni delle linee d’interesse introducendo alcuni dati sul dielettrico in uso, le impedenze e la metallizzazione usati. Nel nostro caso abbiamo utilizzato il TXLine per ricavare la lunghezza approssimata e la larghezza delle linee e la larghezza delle linee fisiche.

Fig. 3, Un esempio del tool TXLine

Nel dimensionamento delle linee per mezzo del TXLine si sono trovate le seguenti grandezze:

Larghezza delle linee 10mm 3.346mm(ww)

Larghezza delle linee 1.81mmLunghezza delle linee (approssimata) 9.039mm

(d1)

Dove tra parentesi si sono indicati i parametri con le quali sono state nominate tali grandezze attraverso la dichiarazione di equazioni globali, che ne favoriranno se necessario un eventuale tuning.

Nella prima parte dell’analisi delle linee in microstriscia è stato richiesto di trascurare gli effetti delle discontinuità. Nel circuito si sono modellizzati quindi nuovi oggetti. Innanzitutto è stato definito il substrato utilizzato introducendo tutte le grandezze di interesse. Inoltre sono stati inseriti nuovi elementi circuitali:

- MSUB, per definire le caratteristiche relative al substratoMSUBEr=3.6H=1.5 mmT=0.01 mmRho=1Tand=0ErNom=3.6Name=SUB1

- MLIN, che modellizzano tutte le linee del circuito, cambiando solo i parametri di interesse (lunghezza L e larghezza W)

MLINID=TL1W=ww mmL=10 mm

Per le porte si è utilizzata la stessa notazione già introdotta per le linee di trasmissione.Il circuito così ottenuto è il seguente:

MSUBEr=3.6H=1.5 mmT=0.01 mmRho=1Tand=0ErNom=3.6Name=SUB1





MLINID=TL5W=1.81 mmL=d1 mm






PORTP=1Z=50 Ohm

PORTP=2Z=50 Ohm

PORTP=3Z=50 Ohm

PORTP=4Z=50 Ohm

ww=3.346

d1=9.039

Fig. 4, Schema circuitale del circuito a microstriscia senza discontinuità

L’analisi di tale circuito è graficata con i soliti parametri di diffusione relativi alla porta eccitata 1.


Microstricia no junction

-50

-40

-30

-20

-10

0

5 GHz-3.043 dB

DB(|S(1,1)|)Microstrip no junctions




Fig. 5, Grafico dell’andamento dei parametri di diffusione del circuito in microstriscia senza giunzioni

Il grafico ottenuto è praticamente identico quello ottenuto per le linne di trasmissione, tranne per un accenno di “pancia” proprio a centro banda sulle porte adattate 2 e 4. Tuttavia si può apprezzare la bontà del modello che alla frequenza centrale adatta le porte proprio a -3dB.

Introduco ora lo schema del circuito introducendo le giunzioni:

- MTEE$, per modellizzare le giunzioni a “T”

1 2

3

MTEE$ID=TL12

- MBENDA$, per modellizzare le discontinuità sui gomiti della

struttura.

MBENDA$ID=TL15ANG=90 Deg

Il circuito ottenuto con le discontinuità è quello in figura.











MSUBEr=3.6H=1.5 mmT=0.01 mmRho=1Tand=0ErNom=3.6Name=SUB1

1

2

3 MTEE$ID=TL11

1 2

3

MTEE$ID=TL12

1 2

3

MTEE$ID=TL13

1

2

3MTEE$ID=TL14



PORTP=1Z=50 Ohm

PORTP=2Z=50 Ohm

PORTP=3Z=50 Ohm

PORTP=4Z=50 Ohm

ww=3.346

d1=6.405

Fig. 6, Modello circuitale del “rat-race” a microstriscia con discontinuità

Il grafico relativo a questo modello è il seguente:


Microstrip with junction

-50

-40

-30

-20

-10

0

DB(|S(1,1)|)Microstrip with junctions




Fig. 7, Grafico dei parametri S del circuito a modelli in microstriscia con discontinuità senza tuning

Tuttavia la risposta ottenuta non è quella che ci si aspettava. A questo punto ritorna utile agire sui parametri globali definiti in precedenza, e in particolare sulla dimesione d1. Si effettua a questo punto il tuning di questa grandezza che permetterà così di migliorare l’adattamento del circuito. Per prima cosa si definisce tunable la grandezza agendo sul controllo Tune Tool e quindi grazie al potenziometro grafico Tune si ottimizza la lunghezza fino ad arrivare alla dimensione che mi permette il più fine adattamento.

Fig. 8, Grafico della risposta ottimizzata con Tune Tool del circuito a microstriscia con giunzioni

Dopo aver ottimizzato la dimensione d1 il grafico è più aderente alle nostre aspettative. Infatti la lunghezza delle linee stata diminuita da 9.039 fino a 6.405 per permettere lo shift in frequenza della risposta dei parametri di scattering fino all’adattamento del circuito alla frequenza centrale.

La diminuzione della lunghezza “ideale” della linea si è resa necessaria non appena si sono introdotti elementi fortemente non ideali e quindi non lineari come le discontinuità. Il motivo risiede nel fatto che le discontinuità sono elementi che aumentano la lunghezza della linea stessa (come rappresentato in figura).

Analisi FULL WAVE del circuito

L’analisi Full Wave del circuito è la parte finale e più significativa del progetto. Infatti a questo punto si passa a disegnare il circuito vero e proprio, con tutte le dimensioni fisiche e sarà interessante confrontare i risultati ottenuti con le analisi fatte in precedenza. Ad ogni punto infatti si è cercato di raffinare il circuito introducendo elementi sempre più vicini a quelli reali. Ora l’ultimo punto dell’analisi ci consente di esaminare il circuito ad un livello più vicino possibile al caso reale.

Per prima cosa si devono definire le dimensioni del package, ovvero della scatola metallica in cui il nostro circuito sarà realizzato. Tenendo conto anche delle discontinuità, dello spessore dell’aria. Si deve fare tuttavia molta attenzione a non creare uno spazio né troppo grande e nemmeno troppo piccolo, poiché proprio le pareti metalliche potrebbero introdurre dei disturbi che (come si vedrà) saranno molto rilevanti.

Le dimensioni (lunghezza, larghezza e altezza della scatola) sono:

- X = 28.2mm- Y = 40mm (assumendo circa il doppio della larghezza del

circuito)- Z = H + t + Air Thickness = 1.5mm + 5mm = 6.5mm

Il passo scelto per l’analisi è di 0.1mm. Un passo più fine porterebbe a un’analisi più fine ma richiederebbe tempi di simulazioni molto lunghi.Si passa quindi a definire tutte le dimensioni delle linee, fino ad arrivare al modello riportato sotto in figura 9.

4

32

1

Fig. 9, Lay out del circuito “rat-race” per l’analisi Full Wave.Si definiscono tutte le porte del circuito, e si passa all’analisi in frequenza, tra 3GHz e 7GHz, come richiesto dal progetto assegnato, con passo di 0.25GHz.

Fig. 10, Struttura della scatola con all’interno il circuito studiato

L’analisi Full Wave ci impiegherà circa 40 minuti per la scansione in frequenza del circuito. Alla fine ciò che ne risulta è l’andamento dei parametri di diffusione:


Full Wave

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5.001 GHz-3.988 dB

5 GHz-2.301 dB

DB(|S(1,1)|)EM Structure 1




Fig. 11, Andamento dei parametri di scatterning del circuito a seguito dell’analisi Full Wave

Considerazioni Finali

Come si evince dall’ultimo grafico proposto, l’analisi del circuito Full Wave ci presenta un non perfetto adattamento delle linee alla frequenza centrale di lavoro. Dalla porta 4 esce un segnale a -2.3dB e dalla porta 2 un segnale che è a quasi -4dB. E’ un risultato tuttavia piuttosto buono. Inoltre il risultato dell’isolamento e della riflessione rispettivamente sulle porte 3 e 1 è piuttosto basso, addirittura sotto i –20dB, alla frequenza centrale.Un discreto adattamento su una gamma di frequenze piuttosto limitata (tra i 4.5GHz e i 5.5GHz), che differisce dal caso ideale soprattutto a causa degli spike introdotti dalla scatola metallica.

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