Circuiti a Microonde
A.A. 2007-2008
Docente: Prof. Stefano Pisa
CORSO DI
CIRCUITI A MICROONDE
Orario Lezioni
- Mercoledì
15.45-17.15 AULA 23
- Giovedì
14.00-15.30 AULA 20
Programma del Corso
Componenti Passivi Lineari e Non Lineari
Componenti Attivi a Stato Solido
Esercitazioni CAD
Circuiti ibridi (MIC) e monolitici (MMIC)
Strutture guidanti a microstriscia
MLIN
ID=TL1
W=1179 um
L=4.7e4 um
MSUB
Er=3.38
H=508 um
T=35 um
Rho=0.7
Tand=0.0027
ErNom=3.38
Name=RO/RO1
Discontinuità
MLIN
ID=TL1
W=1.16 mm
L=10 mm
MSUB=RO1
MLIN
ID=TL2
W=0.62 mm
L=7.978 mm
MSUB=RO1
MSTEP$
ID=TL4
MSUB=RO1
T
T
L
Z1
C
Z2
Impedenze distribuite e concentrate
L1=
L2=
L3=
LN=
W=
S=
80 um
155 um
165 um
35 um
10 um
5 um
C3
Cp1
Ls + L
R
Cp2
5
Accoppiatori direzionali
0 0 1 j 


 1 0 0 j 1
S
2  1 j 0 0


j
1
0
0


Accoppiatori direzionali
Divisori e sommatori di potenza
0 1 1
j 
S 1 0 0
2
1 0 0
Discriminatore di frequenza
Filtri a microonde
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
CAP
ID=C3
C=0.358 pF
PORT
P=2
Z=50 Ohm
Attenuatori a diodo pin
PI
PO
A
PR
4RD
3RD
2RD
RD
RD
RD
RD
2RD
3RD
IN
4RD

        
Moltiplicatori di frequenza a varactor
PI (ω)
PO(nω)
xn
Q0
2Q1sent

Q2
Q1
2
Q(t)
RL
Mixer con diodi Schottky
IF
RF
PORT_PS1
P=2
Z=50 Ohm
PStart=0 dBm
PStop=10 dBm
PStep=2 dB
PORTF
P=1
Z=50 Ohm
Freq=4 GHz
Pwr=-10 dBm
TLIN
ID=TL3
Z0=100 Ohm
EL=90 Deg
F0=3.75 GHz
4
LO
SDIODE
ID=Schotky
AFAC=1
(down-converter)
SUBCKT
ID=S1
NET="LPF"
3
MLANGE
ID=TL1
N=4
W=7.3 mil
S=3.5 mil
L=425 mil
1
1
TLIN
ID=TL3
Z0=100 Ohm
EL=90 Deg
F0=3.75 GHz
2
2
SDIODE
ID=Schotky
AFAC=1
MSUB
Er=6
H=50 mil
T=1 mil
Rho=1
Tand=0.0001
ErNom=12.9
Name=SUB0
PORT
P=3
Z=50 Ohm
Mixer con diodi Schottky
porta IF
porta LO
porta RF
Amplificatori
ZG
VG
rete
adatt.
IN
+
G
-
S
IN
S11
S21
L
S12
OUT
S22
2
2
K
2
1    S11  S 22
2
GT 
2 S12 S 21
F  FMIN  4

S 21 1  S

S 21
1   
2
L
S12
G  OPT


K  K2 1
2
RS
ZO 1  G 2 1  OPT

2
C
1  S11S 1  S22L   S12S21S L 2
GTMAX 
  S11S 22  S12 S 21
rete
adatt.
OUT
2
1/ 2
ZC
Amplificatori
MSUB
Er=9.9
H=0.635 mm
T=0.004 mm
Rho=1
Tand=0
ErNom=2.2
Name=SUB1
PORT
P=1
Z=50 Ohm
MLIN
ID=TL3
W=0.684 mm
L=1 mm
MSUB=SUB1
MTEE
ID=TL2
W1=0.684 mm
W2=0.684 mm
W3=0.684 mm
MSUB=SUB1
1
MLIN
ID=TL1
W=0.684 mm
L=2 mm
MSUB=SUB1
MTEE
ID=TL9
W1=0.684 mm
W2=0.684 mm
W3=0.684 mm
MSUB=SUB1
2
1
3
2
SUBCKT
ID=S1
NET="N71083a"
MTEE
ID=TL14
W1=0.684 mm
W2=0.684 mm
W3=0.684 mm
MSUB=SUB1
1
2
MLIN
ID=TL4
W=0.684 mm
L=0.2 mm
MSUB=SUB1
2
3
MTEE
ID=TL8
W1=0.684 mm
W2=0.684 mm
W3=0.684 mm
MSUB=SUB1
1
MLIN
ID=TL6
W=0.684 mm
L=1 mm
MSUB=SUB1
2
3
1
3
3
MLSC
ID=TL11
W=0.684 mm
L=0.5073 mm
MSUB=SUB1
RES
ID=R2
R=10 Ohm
MLIN
ID=TL7
W=0.684 mm
L=1.428 mm
MSUB=SUB1
RES
ID=R1
R=10 Ohm
MLIN
ID=TL12
W=0.684 mm
L=3.223 mm
MSUB=SUB1
MLOC
ID=TL13
W=0.9892 mm
L=1.83 mm
MLOC
ID=TL10
W=0.6936 mm
L=1.83 mm
MLSC
ID=TL5
W=0.684 mm
L=2.678 mm
MSUB=SUB1
PORT
P=2
Z=50 Ohm
Amplificatori
Oscillatori
circuito
risonante
ZD
transizione
componente
attivo
carico
ZT = Z1 + ZIN = 0
IN 1  1
ZC
IN 1  1


 IN  1  2n
Oscillatori ceramici
Oscillatori dielettrici
Oscillatori dielettrici
Esercitazioni
caratteristiche dei CAD a microonde
CAD applicato al progetto di reti di adattamento e agli AD a due rami.
CAD applicato al progetto di filtri con elementi concentrati e distribuiti
CAD non lineare e modelli di diodi schottky e varactor
CAD applicato al progetto di mixers
progetto di amplificatori assistito da CAD
amplificatore reactive matching, low noise e bilanciato
progetto di oscillatori assistito da CAD
oscillatore CERAMICO e DIELETTRICO
SEMINARIO INGEGNERI AZIEDE ROMANE
Materiale Didattico
Appunti del corso disponibili al sito
http://www.die.uniroma1.it/personale/pisa/cirmic.html
Capitoli 1 -15
Lucidi .ppt
CAD
Tesi svolte
DARIO BENVENUTI
(Reparto Microonde Alenia )
Progetto e realizzazione di un amplificatore in Banda S a bassa figura di rumore
RICCI LUCIANO
(Microforgia in Dip.- Contraves )
Progetto e realizzazione di un amplificatore a microonde a banda stretta in tecnologia ibrida
RUZZA LUIGI
(Elettronica S.p.a.)
Analisi di strutture a microonde con il metodo FDTD e con le condizioni al contorno UPML
D’INNOCENZO SILVIO
(Reparto Microonde Alenia )
Progetto di un amplificatore a microonde basato su un nuovo modello empirico non-lineare
ROCCO FABRIZIO
(Alenia Spazio)
Progetto e realizzazione di un VCDRO a 18 GHz per applicazioni spaziali
MORETTI DANIELE
(Microforgia in Dip. )
Progetto e realizzazione di amplificatori a microonde con transistor in parallelo
CHERUBINI PAOLO
(Reparto Microonde Alenia )
Metodologie di progetto di amplificatori di potenza in banda S
PISANI MARCO
(Dip. – SIRIO)
Progetto di un vcdro in banda X per applicazioni lmds
AMICI MARCO
(Alenia Spazio)
Oscillatori a microonde completamente integrati
ASCIONE ANDREA(CST)
Progetto di transizioni tra guida rettangolare e microstriscia per sistemi lmds
BAGNOLI LUIGI
(Alenia Spazio)
Progetto di un mixer monolitico in banda ku
ANGELINI ALESSANDRA
(Elettronica S.p.a.)
Oscillatori di test a microonde
Progetto di circuiti a microonde
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
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
CAP
ID=C3
C=0.358 pF
PORT
P=2
Z=50 Ohm
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
ID=TL2
W=w75 mm
L=5.872 mm
MSTEP
MLIN
ID=TL10 ID=TL3
W1=w75 mm W=w15 mm
W2=w15 mm L=2.947 mm
MSTEP
ID=TL9
W1=w15 mm
W2=w75 mm
MLIN
ID=TL2
W=w75 mm
L=5.872 mm
MSTEP
ID=TL11
W1=w15 mm
W2=w75 mm
MLIN
ID=TL4
W=w75 mm
L=5.872 mm
MSTEP
MLIN
ID=TL12 ID=TL5
W1=w75 mm W=w15 mm
W2=w15 mm L=0.910 mm
w50=1.161
w15=5.844
w75=0.544
w15=5.844
w75=0.544
MLIN
ID=TL1
W=w15 mm
L=0.910 mm
MSUB
Er=3.38
H=0.508 mm
T=0.035 mm
Rho=0.7
Tand=0.0027
ErNom=3.38
Name=RO1
MSTEP
ID=TL13
W1=w15 mm
W2=w50 mm
MLIN
ID=TL6
W=w50 mm
L=20 mm
PORT
P=2
Z=50 Ohm
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
Layout
Sistemi a 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
1.000
-
2.000
Banda S
2.000
-
4.000
Banda C
4.000
-
8.000
Banda X
8.000
-
12.000
Banda Ku
12.000
-
18.000
Banda K
27.000
-
40.000
Millimetrico
40.000
-
300.000
Sistema rice-trasmittente
terrestre (segnali analogici)
oscillatore locale
modulatore di
segnale in frequenza
banda base
antenna
trasmittente
mixer
amplificatore
amplificatore
di potenza
oscillatore locale amplificatore a
frequenza
intermedia
antenna
ricevente
demodulatore
di frequenza
mixer
segnale in
banda base
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
Radiometro
pilota degli interruttori
antenna
ricevente
amplificatore a
radiofrequenza
mixer
TA
amplificatore a
frequenza
intermedia
rivelatore
quadratico
deviatore
TREF
carico di
riferimento
deviatore
-1
+1
oscillatore locale
+
VOUT = K (TA – TREF)
Integratore
Radar doppler
antenna
trasmittente
e ricevente
sorgente
MW
onda continua
(DRO)
accoppiatore
direzionale
incidente
riflessa
ibrido a 3 dB
v(t) = V0 sen(0t)
v(t) = V1 sen(1t)
mixer
vIF(t)
filtro
Vout(t)
frequenza
doppler
tessuto
biologico
Analizzatore di reti
dispositivo
sotto test
divisore di
potenza
VCO
segnale di
riferimento
segnale
riflesso
segnale
trasmesso
oscillatore
locale
controllo
assse
orizzontale
rivelatore
modulo e fase
modulo
display
fase