Oberwellen-Mischer für 24GHz-CW-Radar · Grundlagen ADS Mischer Verstrkäer Literatur...

GrundlagenADS

MischerVerstärkerLiteratur

Studienarbeit

Oberwellen-Mischer für 24GHz-CW-Radar

Daniel Capelle

Fachbereich Elektrotechnik, Institut für Hoch- und Höchstfrequenztechnik

Prof. Dr. Ing. K. Solbach

28. Januar 2008

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RadarprinzipMischung

Übersicht

1 Grundlagen

Radarprinzip

Mischung

2 ADS

3 Mischer

4 Verstärker

5 Literatur

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Blockschaltbild

G fSf = f + fS D

fD

Zähler

õ

Abbildung: CW-Radar1

1Quelle: Voges Hochfrequenztechnik3 / 38

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Schottky Dioden, antiparallel

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4-10

-5

0

5

10

U/V

I/m

A

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

t/T

u(t

)/V

u(t)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-10

-5

0

5

10

t/T

i(t)

/mA

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-20

0

20

40

60

80

100

t/T

g(t

)/m

S

Abbildung: Kennlinie und Zeitfunktionen

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Beschreibung der Mischung

I (U) ≈ k3U3 + k1U

U3 = (A cos(2πfS t) + AD cos(2πft))

3

= A3 cos3(2πfS t) + A3

Dcos

3(2πft)

+ 3A cos(2πfS t)A2

Dcos

2(2πft) + 3A2 cos2(2πfS t)AD cos(2πft)


Dcos

3(2πft)

+3

2AA

2

Dcos(2πfS t)(1 + cos(2π2ft)) +

3

2A2AD (1 + cos(2π2fS t)) cos(2πft)


Dcos

3(2πft)

+3

2AA

2

D

(cos(2πfS t) +

1

2cos(2π(2f − fS )t) + cos(2π(2f + fS )t)

)+

3

2A2AD

(cos(2πft) +

1

2cos(2π(2fS − f )t) + cos(2π(2fS + f )t)

)(1)

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Gra�sche Darstellung im Spektralbereich

f0 fD f +fS DfSf - fS D

P

2fS2f - fS D 2f +fS D

Abbildung: Abwärtsmischung2


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Entwurf und SimulationOptimierung

Übersicht

1 Grundlagen

2 ADS

Entwurf und Simulation

Optimierung

3 Mischer

4 Verstärker

5 Literatur

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Dioden- und Transistor-Modelle

G D

S

RdRg

Zg s

rd

Zd s

Rs

Zd s

Abbildung: FET-Ersatzschaltung3


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Schematic-Editor

Der Schaltplan Editor beeinhaltet die Möglichkeit zur hierarchischen

Aufteilung der Schaltung. Hersteller-Bauelemente sind in

Bibliotheken verfügbar und Messwerte können zB. als

Touchstone-Files eingebunden werden. Zur Simulation stehen unter

anderen folgende Kategorien von Komponenten zur Verfügung:

S-Parameter

Groÿsignal S-Parameter

Harmonic Balance

Transienten

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Design Guide

Der im Schematic-Editor integrierte Design Guide stellt zum

automatisierten Entwurf von Microstrip-Schaltungen nach

folgenden Gruppen sortierte, passive Komponenten zur Verfügung:

Lines

RLC

Couplers

Filters

Matching

Der Entwurf ist automatisiert bzgl. Dimensionierung, Optimierung,

Simulation und Darstellung von Simulationsergebnissen.

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Layout-EditorADS kann ein zum Schaltpan konsistentes Layout generieren.

Weiterhin lassen sich auch Kupfer�ächen unabhängig vom

Schaltplan einzeichnen.

Abbildung: ADS-Layout-Editor

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Momentum

Der Layout-Editor erlaubt eine Simulation der Schaltung über die

Berechnung von elektromagnetischen Feldverteilungen. Es bietet

sich die Möglichkeit einer Veri�zierung der Simulationsergebnisse

des Schematic-Editors für Microstrip-Schaltungen über die Grenzen

der dort de�nierten Modelle hinaus.

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ADS Momentum Visualization

(Loading ...)

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Demo.aviMedia File (video/avi)

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Parameter der OptimierungDie Optimierung von Parametern der Schaltung kann sowohl im

Schaltplan Editor, als auch im Layout-Editor erfolgen. Es werden

hierfür die Parameter selbst, ihre Schranken und die zu

optimierenden Eigenschaften, die Goals, de�niert. Im Layout Editor

erfolgt die De�nition der Parameter mit Modi�kationen des

Layouts, den jeweiligen pertubed Layouts.

Abbildung: Optimization Parameters im Layout-Editor

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VorgehensweiseMessungAusführung

Übersicht

1 Grundlagen

2 ADS

3 Mischer

Vorgehensweise

Messung

Ausführung

4 Verstärker

5 Literatur

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Mischer-Entwurf

short at LO,else open

LO

LO & IF Termination

LORF

LO-Matching

LO & RF Termination

LOIF

LO-Matching

RF & IF Matching

LORF

LO-Matching

IF

Schritt 1: LO Pegel definieren

Schritt 2Schritt 3

Schritt 4 Fertig

Abbildung: Sukzessiver Mischer Entwurf4

4Quelle: RF Signal Processing16 / 38

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Dioden-Simulation in ADSDie simulierten Frequenzen f=1GHz, f=6.5GHz und f=12GHz

ergaben zunehmend induktives Verhalten. Auch mit einer

Groÿsignal-S-Parameter-Simulation, sowie einer HB-Simulation

konnten keine brauchbaren Ergebnisse erreicht werden.

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5-2.0 2.0

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.02

-0.03

0.03

ts(Ud)

ts(Id.i)

Abbildung: Simulierte Kennlinien der Dioden

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Messaufbau

Network-Analyzer

KopplerVerstärker Dioden

Abbildung: Messung der Dioden

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Messwertkorrektur

år

ê

E

år

ê

Äl

Abbildung: Open-End-E�ect

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Beschreibung des Open-End-E�ect

C

w= exp

(ln(10)

5∑i=1

ci (�r ) logi−1(w/h)

),

XO = −Z0

tan(β∆l),

XC = −1

2πfC

∆l � λ, tan(β∆l) ≈ β∆l , λ√�e� = λ0 = c/f

1

2πfC≈ Z0λ

2π∆l=

Z0c

2πf√�e� ∆l

⇔ ∆l ≈ CZ0c√�e�

für Frequenzen f � 20 GHz20 / 38

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Ergebnisse im Smith-Chart

Die gemessenen Dioden wurden mit in Matlab ermittelten

Polynomen beschrieben:

A = a2P2 + a1P + a0

Φ = φ3P3 + φ2P

2 + φ1P + φ0

Die jeweiligen Koe�zienten sind gegeben als

a2 = 0.0013, a1 = −0.0101 und a0 = 0.7192, bzw.

φ3 = −0.0002, φ2 = 0.0037, φ1 = 0.0183 und φ0 = 0.2217.

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Ergebnisse im Smith-Chart

0.2

0.5

1.0

2.0

5.0

+j0.2

−j0.2

+j0.5

−j0.5

+j1.0

−j1.0

+j2.0

−j2.0

+j5.0

−j5.0

0.0 ∞

Abbildung: Dioden, s11 genähert

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Verwendung in ADS

VAR

VAR3

p0=0.22167

p1=0.0183

p2=0.0037

p3=-0.0002

EqnVarVAR

VAR2

a0=0.7192

a1=-0.0101

a2=0.0013

EqnVarVAR

VAR1

P=p3*P_in^3 + p2*P_in^2 + p1*P_in^1 + p0

A=a2*P_in^2 + a1*P_in + a0

m=3.811

Frq=12.2269

P_in=1.0

EqnVar

ParamSweep

Sweep1

Step=1

Stop=13.5

Start=0.5

SweepVar="P_in"

PARAMETER SWEEP

S1P_Eqn

S1P1

S[1,1]=A*exp(j*P)

P_1Tone

PORT1

Freq=Frq GHz

P=polar(dbmtow(P_in),0)

Z=50 Ohm

Num=1

S_Param

SP1

Freq=Frq GHz

S-PARAMETERS

Abbildung: Implementierung der Dioden-Messwerte in ADS

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Layout

Abbildung: Entwurf für 0.25mm Platinenmaterial

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Schaltungsaufbau

Abbildung: Mischer-Platine

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Messergebnisse

fO fS Pout@fZF12 GHz 24.010 GHz −47 dBm12 GHz 24.020 GHz −41 dBm12 GHz 24.050 GHz −33 dBm12 GHz 24.100 GHz −30 dBm12 GHz 24.200 GHz −30 dBm12 GHz 24.500 GHz −35 dBm

Tabelle: Konversionsverluste des Mischers

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Entwurf und SimulationMessergebnisse

Übersicht

1 Grundlagen

2 ADS

3 Mischer

4 Verstärker

Entwurf und Simulation

Messergebnisse

5 Literatur

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Berechnung in ADS

cir_pts (0.000 to 51.000)

Noise_circles

cir_pts (0.000 to 51.000)

Bilateral_Source_mismatch_circles

cir_pts (0.000 to 51.000)

Bilateral_Load_mismatch_circles

Abbildung: Kreise konstanter Rauschzahl und konstanten Gewinns

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Anpassung

Abbildung: Anpassnetzwerke mit Leitung und Stub

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Layout

Abbildung: Entwurf für 0.5mm Platinenmaterial

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Simulationsergebnisse

freq (23.50GHz to 25.50GHz)

s11

23.6

23.8

24.0

24.2

24.4

24.6

24.8

25.0

25.2

25.4

23.4

25.6

-36

-34

-32

-38

-30

freq, GHz

Mag.[dB]

s31, s32

23.6

23.8

24.0

24.2

24.4

24.6

24.8

25.0

25.2

25.4

23.4

25.6

-20

-15

-10

-5

-25

0

freq, GHz

Mag.[dB]

s11, s21

23.6

23.8

24.0

24.2

24.4

24.6

24.8

25.0

25.2

25.4

23.4

25.6

-100

0

100

-200

200

freq, GHz

Phase

s11, s21

s11

s11

s21

s21

s31

s32

Abbildung: Streuparameter des Eingangsnetzwerkes

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Transistor-Testaufbau

Abbildung: 50 Ohm Leitung mit Transistor und

Gleichspannungszuführung

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Messung des Transistor-Testaufbaus

20 22 24 26 28 30−35

−30

−25

−20

−15

−10

−5

0

Mag

nitu

de (

deci

bels

)

Freq [GHz]

Abbildung: angepasster Verstärker, s21

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SMA-Verbinder

Abbildung: Leitung mit SMA-Verbinder

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Übersicht

1 Grundlagen

2 ADS

3 Mischer

4 Verstärker

5 Literatur

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Literatur

Agilent: Accurate Measurement of Packaged RF Devices,

www.agilent.de

I. Bahl und P. Bhartia: Microwave Solid State Circuit Design,

Wiley Publication, 2003

E. Camargo: Design of FET Frequency Multipliers and

Harmonic Oszillators, Artech House, 1998

L. Cupido: 24 GHz Modules, DUBUS, 1998

T.C. Edwards and M.B. Steer: Foundations of Interconnect and

Microstrip Design, Wiley Publications, 2000

F. Giannini and G. Leuzzi: Nonlinear Microwave Circuit Design,

Wiley Publication, 2004

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GrundlagenADS


Literatur

M. Ho�mann: Hochfrequenztechnik, Springer-Verlag, 1997

Michael Kuhne: 24GHz Transverter MKII, DUBUS, 1993

K. Solbach: Laboratory Microwave Theory and Techniques,

Experiment No.4, 2005

K. Solbach: Vorlesung über Hochfrequenz-Elektronik, Duisburg,

2007

P. Silvester and P. Benedek: Equivalent Capacitances of

Microstrip Open Circuits, IEEE Transactions on Microwave

Theory and Techniques, Vol. MTT-20, No. 8, 1972

P. A. Tipler: Physik, Spektrum-Verlag, 1998

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GrundlagenADS


Literatur

M.L. Majewski, R.W.Rose and J.R. Scott: Modeling and

Characterization of Microstrip to Coaxial Transitions, IEEE

Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.

MTT-29, No. 8, 1981

J.P. Pascual, M.L. de la Fuente, M. Rodríguez-Gironés, E.Artal

und H.L. Hartnagel: Optimal Mixer Matching Design Technique

Under large Signal Pumping, RF signal processing, 2003

E. Voges: Hochfrequenztechnik, Hüthig-Verlag, 2004

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GrundlagenRadarprinzipMischung

ADSEntwurf und SimulationOptimierung

MischerVorgehensweiseMessungAusführung

VerstärkerEntwurf und SimulationMessergebnisse

Literatur

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