- •С.А. Кореневский методы и устройства формирования и обработки телекоммуникационных сигналов
- •Часть 1
- •Теория эумк для студентов специальностей
- •1. Основные параметры и характеристики cигналов и устройств телекоммуникационных систем
- •2. Искажения сигналов
- •Линейные искажения
- •2.2. Нелинейные искажения
- •2.2.1. Использование комплексной амплитудной характеристики для расчета нелинейных искажений
- •2.2.2. Интермодуляция
- •2.2.3. Перекрестные искажения
- •2.2.4. Блокирование
- •3.Тепловые шумы
- •3.1. Шумы резисторов
- •3.2. Шумы транзисторов
- •3.3. Шумы многокаскадного усилителя
- •3.4. Шумы пассивного четырехполюсника
- •3.5. Шумы оу
- •4. Устройства телекоммуникаций на операционных усилителях
- •4.1. Параметры идеального операционного усилителя
- •. Инвертирующий усилитель
- •4.3. Неинвертирующий усилитель
- •4.4. Циркулятор
- •4.5. Преобразователь отрицательного сопротивления (inic)
- •4.6. Гиратор
- •4.7. Фильтры
- •4.7.1. Основные параметры фильтров
- •4.7.2. Диаграмма Боде
- •4.8. Схемы построения фильтров
- •Фильтр Баттерворта
- •4.9. Расчет фнч второго порядка
- •4.10. Фильтры нижних частот n-го порядка
- •4.11. Фазовый фильтр
- •4.12. Полосовой фильтр второго порядка
- •5. Генераторы
- •5.1. Генераторы синусоидальных колебаний на lc-контуре
- •5.2. Долговременная и кратковременная стабильность частоты генераторов
- •5.3. Кварцевые генераторы
- •5.4. Атомный стандарт частоты
- •6. Принципы построения синтезаторов частоты
- •6.1. Классификация систем синтеза частот
- •6.2. Прямой когерентный синтез
- •6.3. Цифровой синтезатор частоты
- •7. Аналоговые перемножители
- •7.1. Аналоговые перемножители на дифференциальных каскадах
- •7.2. Применение аналоговых перемножителей в системах телекоммуникаций
- •7.2.1. Преобразователи частоты
- •7.2.2. Модулятор
- •Фазовый детектор
- •7.2.4. Частотный детектор.
- •7.3. Использование аналоговых перемножителей в демодуляторах цифровых систем передачи
- •7.3.1. Схема возведения в квадрат
- •8. Выходные каскады
- •8.1 Режим в
- •8.1.1 Выходной каскад на комплементарной паре
- •8.1.2. Способы задания напряжения смещения
- •8.1.3. Схемы ограничения тока
- •8.1.4. Комплементарный повторитель по схеме Дарлингтона
- •8.2. Режим d
- •8.3. Выбор частоты дискретизации при широтно-импульсной модуляции
- •8.4. Энергетическая эффективность усилителей в режиме d
- •При более точном анализе кпд находят по очевидной формуле
- •9. Устройства свч
- •9.1. Особенности характеристик устройств свч
- •9.1.1. Особенности характеристик линий передач
- •9.1.2. Устройства согласования сопротивлений
- •9.2. Смесители диапазона свч
- •9.2.1. Небалансные смесители
- •9.2.2. Балансные смесители
- •9.3. Усилители свч
- •9.3.1. Примеры схемотехнической реализации усилителя свч
- •9.4. Приемопередающие устройства свч систем телекоммуникаций
- •9.5. Приемопередающие модули миллиметрового диапазона длин волн
- •Литература
- •Передающие устройства систем телекоммуникаций
- •1. Перспективные подходы к решению задач проектирования выходных каскадов свч систем связи
- •1.1. Высокоэффективные усилители мощности
- •1.2. Активные интегрированные антенны для усилителей класса f
- •1.3. Усилители мощности с интегрированными dc-dc конвертерами
- •1.5. Виды модуляции
- •1.6. Оптимизированные свч транзисторы
- •1.7. Биполярные транзисторы с пониженным накоплением заряда в режиме насыщения
- •1.8. Высокочастотные устройства на основе фосфида индия
- •1.9. Микроэлектромеханические устройства для свч приложений
- •Методы и устройства формирования и обработки телекоммуникационных сигналов
1.9. Микроэлектромеханические устройства для свч приложений
Так как устройства персональной связи будущего должны обладать минимально возможными массой, габаритами и потребляемой мощностью, это означает необходимость разработки высокоинтегрированных радиочастотных трактов для реализации полного набора функциональных возможностей. Кроме того, активно развиваются системы в частотном диапазоне от 10 до 40 ГГц, где можно добиться значительного увеличения пропускной способности каналов передачи данных за счёт оптимального использования широкополосных сигналов. В настоящее время масса корпусов электронных приборов и микросхем составляет в среднем около 30% от общей массы системы, а значит использование более совершенных высокочастотных микроэлектронных устройств с повышенной степенью интеграции является основным методом снижения массы одновременно с улучшением всех технических характеристик.
Резкий скачок в области разработки высокочастотных систем связи на основе многокристальных модулей, обещает развитие технологии интеграции на одной подложке активных СВЧ устройств на основе SiGe, микроэлектромеханических (MEMS) и микромеханических компонентов. Чтобы довести такие системы хотя бы до мелкосерийного выпуска, необходимы новые концепции и достижения в проектировании схем, которые позволят заменить главные компоненты приёмного тракта, такие как коммутаторы, диплексеры, СВЧ и ПЧ усилители, смесители, СВЧ и ПЧ фильтры, генераторы на их малогабаритные монолитные, но столь же эффективные аналоги. В рамках программы были разработаны новые MEMS-компоненты на базе кремния, предназначенные для замены пассивных элементов, использующихся в существующих системах связи.
По последним данным, микромеханическая технология была успешно применена для создания СВЧ переключателей с вносимыми потерями на уровне 1 дБ на частотах от 100 МГц до 30 ГГц. Эти микромеханические структуры имеют очень низкую потребляемую мощность, высокую надёжность и стойкость к внешним воздействиям. Микроэлектромеханические кремниевые коммутаторы, выполненные в корпусах для объёмного и поверхностного монтажа, имеют напряжение питания менее 3 В и обеспечивают скорость переключения на уровне 10-7–10-6 секунд. В ходе научно-исследовательских работ, проведённых Мичиганским университетом, был разработан относительно дешёвый, технологичный СВЧ переключатель.
С помощью микромеханической технологии могут быть получены диплексеры на волноводах, возбуждаемых обычными или микромеханическими линиями, что делает эти устройства совместимыми с существующей монолитной технологией и позволяет им обеспечивать малый уровень вносимых потерь при минимальных размерах. Задачи получения высокого внеполосного подавления СВЧ фильтров, а также подавления кратных полос пропускания могут быть решены благодаря использованию соответствующих микроэлектромеханических структур, таких как высокодобротные резонаторы.
Здесь рассматривались два отличающихся подхода: вертикально интегрированные фильтры, использующие вертикальную связь между резонаторами, и горизонтально интегрированные резонаторы и фильтры, обеспечивающие планарную реализацию схемы. Вертикально интегрированные резонаторные фильтры ди-апазона 10 ГГц имеют добротность около 1000, узкую полосу пропускания шириной 2,5% и полосу пропускания по уровню 0,5 дБ приблизительно 4,5%. Горизонтально интегрированные мембранные фильтры имеют потери 2,3 дБ на частоте 37 ГГц и 3,1 дБ на частоте в 62 ГГц при полосе пропускания 3%. Оба типа фильтров могут быть интегрированы с микрополосковыми или копланарными линиями и реализованы в монолитном исполнении.
Большие надежды возлагаются на кварцевые резонаторы и резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые уже сейчас широко используются для построения частотно-избирательных устройств, благодаря своей высокой добротности (порядка 10000) и исключительной стабильности во времени в широком диапазоне рабочих температур. В частности, подавляющее большинство связных приёмо/передатчиков со встроенными гетеродинами используют высокодобротные механические резонаторы на поверхностных и объёмных акустических волнах для достижения требуемых частотно-избирательных характеристик фильтрующих каскадов СВЧ и ПЧ трактов, а также обеспечения заданных низких фазовых шумов и высокой стабильности СВЧ генераторов.
Все эти узлы выполнены как внешние (расположенные вне кристалла), то есть именно они занимают большую часть всего объёма СВЧ модуля, а значит представляют собой главную проблему при дальнейшей миниатюризации СВЧ трансиверов. По этой причине, большой объём исследований сфокусирован именно на поиске методов миниатюризации указанных компонентов или на поиске такого подхода к построению системы, который позволит и вовсе отказаться от их использования. Недавно разработанные миниатюрные высокодобротные генераторы и механические полосовые фильтры с габаритными размерами порядка 30ґ20 мм явились результатом реального воплощения долгих теоретических изысканий. В этих устройствах используются высокодобротные встроенные (on-chip) микромеханические резонаторы, построенные из поликристаллического кремния с использованием методов поверхностной микромеханической обработки, совместимых с традиционными технологиями изготовления микросхем, и имеющие добротность в вакууме порядка 80000 и температурный коэффициент стабильности -10 ppm/°C, который можно снизить в несколько раз с помощью специальных методов. В настоящее время микромеханические полосовые фильтры на двух резонаторах имеют центральную частоту до 14,5 МГц, полосу пропускания в районе 0,2% при вносимых потерях менее 1 дБ.
Литература к приложению
M. Golio, Low Voltage Electronics for Portable Wireless Applications: An Industrial Perspective, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 319.
V. Borich, J.H. Jong, J. East and WE. Stark, Nonlinear Effects of Power Amplification on Multicamer Spread Spectrum Systems, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 323.
P.M. Asbeck, T. Itoh, Y. Qian, M.F. Chang, L. Milstein, G. Hanington, P.F. Chen, V. Schultz, D.W. Lee and J. Arun., Device and Circuit Approaches for Improved Linearity and Efficiency in Microwave Transmitters, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 327.
L.P.B. Katehl, G.M. Rebeiz and C.T.C. Nguyen, MEMS and Si-micromachined Components for Low Power, High Frequency Communication Systems, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 331.
M. Heutmaker, J. Welch and E. Wu., Using Digital Modulation to Measure and Model RF Amplifier Distortion, Applied Microwaves & Wireless, March/April 1997, p. 34.
Кореневский Святослав Александрович