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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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
RadarprinzipMischung
Übersicht
1 Grundlagen
Radarprinzip
Mischung
2 ADS
3 Mischer
4 Verstärker
5 Literatur
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
RadarprinzipMischung
Blockschaltbild
G fSf = f + fS D
fD
Zähler
õ
Abbildung: CW-Radar1
1Quelle: Voges Hochfrequenztechnik3 / 38
GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
RadarprinzipMischung
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
RadarprinzipMischung
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)
= A3 cos3(2πfS t) + A3
Dcos
3(2πft)
+3
2AA
2
Dcos(2πfS t)(1 + cos(2π2ft)) +
3
2A2AD (1 + cos(2π2fS t)) cos(2πft)
= A3 cos3(2πfS t) + A3
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
RadarprinzipMischung
Gra�sche Darstellung im Spektralbereich
f0 fD f +fS DfSf - fS D
P
2fS2f - fS D 2f +fS D
Abbildung: Abwärtsmischung2
2Quelle: Voges Hochfrequenztechnik6 / 38
GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationOptimierung
Übersicht
1 Grundlagen
2 ADS
Entwurf und Simulation
Optimierung
3 Mischer
4 Verstärker
5 Literatur
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationOptimierung
Dioden- und Transistor-Modelle
G D
S
RdRg
Zg s
rd
Zd s
Rs
Zd s
Abbildung: FET-Ersatzschaltung3
3Quelle: Voges Hochfrequenztechnik8 / 38
GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationOptimierung
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationOptimierung
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationOptimierung
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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GrundlagenADS
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Entwurf und SimulationOptimierung
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationOptimierung
ADS Momentum Visualization
(Loading ...)
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Demo.aviMedia File (video/avi)
GrundlagenADS
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Entwurf und SimulationOptimierung
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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GrundlagenADS
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VorgehensweiseMessungAusführung
Übersicht
1 Grundlagen
2 ADS
3 Mischer
Vorgehensweise
Messung
Ausführung
4 Verstärker
5 Literatur
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
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
GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
Messaufbau
Network-Analyzer
KopplerVerstärker Dioden
Abbildung: Messung der Dioden
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
Messwertkorrektur
år
ê
E
år
ê
Äl
Abbildung: Open-End-E�ect
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
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
GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
Layout
Abbildung: Entwurf für 0.25mm Platinenmaterial
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
Schaltungsaufbau
Abbildung: Mischer-Platine
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
VorgehensweiseMessungAusführung
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationMessergebnisse
Übersicht
1 Grundlagen
2 ADS
3 Mischer
4 Verstärker
Entwurf und Simulation
Messergebnisse
5 Literatur
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationMessergebnisse
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationMessergebnisse
Anpassung
Abbildung: Anpassnetzwerke mit Leitung und Stub
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationMessergebnisse
Layout
Abbildung: Entwurf für 0.5mm Platinenmaterial
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationMessergebnisse
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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Entwurf und SimulationMessergebnisse
Transistor-Testaufbau
Abbildung: 50 Ohm Leitung mit Transistor und
Gleichspannungszuführung
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationMessergebnisse
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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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
Entwurf und SimulationMessergebnisse
SMA-Verbinder
Abbildung: Leitung mit SMA-Verbinder
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MischerVerstärkerLiteratur
Übersicht
1 Grundlagen
2 ADS
3 Mischer
4 Verstärker
5 Literatur
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GrundlagenADS
MischerVerstärkerLiteratur
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
MischerVerstärkerLiteratur
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
MischerVerstärkerLiteratur
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