SISTEMI ELETTRONICI A RF (A.A )

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Leona Moro
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1 SISTEMI ELETTRONICI A RF (A.A ) Docenti: Ing. Pasquale Tommasino Prof. Stefano Pisa Orario Lezioni - Lunedì AULA 6 -Martedì 10: AULA 6 - Mercoledì AULA 6 LABORATORIO CENTRO DI CALCOLO - Giovedì AULA 6 9 Crediti - 12 settimane ( 90 ore) 1

Sistemi a RF/microonde Denominazioni Intervallo di frequenza GHz (10 9 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.

2 Sistemi a RF/microonde Denominazioni Intervallo di frequenza GHz (10 9 Hz) HF VHF UHF Banda L Banda S Banda C Banda X Banda Ku Banda K Banda Ka Banda Q Banda V Millimetrico Terahertz >

3 Circuiti a componenti discreti PDIP SMD Trasmettitore TV Digitale United States In Europa Digital Video Broadcast - Terrestrial (DVB-T) Multiplazione a divisione di frequenza a codici ortogonali (COFDM) con 16-QAM o 64-QAM 3

Ricevitore DBS Uplink 14-14.5 GHz Downlink 10.95 12.

4 Ricevitore DBS Uplink GHz Downlink GHz (500 MHz) polarizzazioni RHCP e LHCP Sistema rice-trasmittente terrestre (segnali analogici 2-13 GHz) oscillatore locale modulatore di segnale in frequenza banda base amplificatore mixer amplificatore di potenza antenna trasmittente antenna ricevente oscillatore locale amplificatore a frequenza intermedia mixer demodulatore di frequenza segnale in banda base 4

5 Transponder su satellite (segnali digitali) oscillatore locale f OL antenna ricevente amplificatore a basso rumore amplificatore a frequenza intermedia f IN mixer demodulatore QPSK oscillatore locale f OL1 f IN amplificatore di potenza rigeneratore modulatore QPSK antenna trasmittente Radar doppler antenna trasmittente e ricevente sorgente MW onda continua (DRO) accoppiatore direzionale ibrido a 3 db incidente riflessa tessuto biologico v(t) = V 1 sen( 1 t) v(t) = V 0 sen( 0 t) mixer v IF (t) filtro V out (t) frequenza doppler 5

6 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. Programma del Corso AMPLIFICATORI A RF: stabilità, circonferenze di stabilità, fattore di Rollet, 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 nonlineari o da misure di load pull. 6

7 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. 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 7

8 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 SISTEMI ELETTRONICI A RF OSCILLATORI COLPITTS QUARZO HF VHF-UHF MICROONDE COLPITTS CRO CRO DRO AMPLIFICATORI Alto Guadagno Elettronica II Elettronica II ADATTAMENTO REATTIVO Basso Rumore Elettronica II Elettronica II ADATTAMENTO REATTIVO Alta Potenza TRASFORMATORE HF TRASFORMATORE VHF UHF ADATTAMENTO REATTIVO MIXER Diodi Schottky Diplexer TRANSISTORS Diodi Schottky Diplexer TRANSISTORS DIODO SCHOTTKY IBRIDO A 180 TRANSISTORS FILTRI LUMPED LUMPED (SMD) MICROSTRISCIA MODULATORI, DEMODULATORI ESERCITAZIONI CAD (MICROWAVE OFFICE) SU TUTTI I CIRCUITI 8

9 Materiale Didattico Appunti del corso disponibili al sito MATERIALE INTEGRATIVO/Kikkert_RF_Electronics_Course 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 9

10 Specifiche di progetto di un filtro filtro passa basso massimamente piatto in banda passante frequenza di taglio f C = 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 g 1 =0.618, g 2 =1.618, g 3 =2, g 4 =1.618, g 5 =0.618 filtro denormalizzato PORT P= 1 Z= 50 Ohm IND ID= L1 L= nh IND ID= L2 L= nh PORT P= 2 Z= 50 Ohm CAP ID= C1 C= pf CAP ID= C2 C= pf CAP ID= C3 C= pf 10

11 Dimensionamento (ideale) Risultati 0 1 Risposta in Ampiezza 5.5 GHz GHz DB( S[2,1] ) 1 Binomiale DB( S[2,1] ) 2 Chebychev Frequency (GHz) Dimensionamento (fisico) PORT P= 1 Z= 50 Ohm MLIN ID= TL7 W= w50 mm L= 20 mm MSTEP ID= TL8 W1= w50 mm W2= w15 mm MLIN MSTEP ID= TL1 ID= TL9 W= w15 mm W1= w15 mm L= mm W2= w75 mm MLIN ID= TL2 W= w75 mm L= mm MSTEP ID= TL10 W1= w75 mm W2= w15 mm MLIN MSTEP ID= TL3 ID= TL11 W= w15 mm W1= w15 mm L= mm W2= w75 mm MLIN ID= TL4 W= w75 mm L= mm MSTEP ID= TL12 W1= w75 mm W2= w15 mm MLIN MSTEP ID= TL5 ID= TL13 W= w15 mm W1= w15 mm L= 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 w15=5.844 w75=0.544 w75=0.544 MLIN ID= TL1 W= w15 mm L= mm MSTEP ID= TL9 W1= w15 mm W2= w75 mm MLIN ID= TL2 W= w75 mm L= mm MSUB Er= 3.38 H= mm T= mm Rho= 0.7 Tand= ErNom= 3.38 Name= RO1 11

12 Dimensionamento (fisico) Risultati 0 Realizzazione Fisica 5.12 GHz GHz DB( S[2,1] ) 5 Realizzazione Fisica DB( S[2,1] ) 1 Binomiale Frequency (GHz) 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 0 Realizzazione Fisica 5.5 GHz DB( S[2,1] ) 1 Binomiale DB( S[2,1] ) 6 Layout 7 GHz Frequency (GHz) 12

13 Layout 13

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