Skip to main content
SUPERVISOR
رسول دهقانی (استاد راهنما) سعید سعیدی (استاد مشاور) عبدالرضا نبوی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Beigizadeh
محمد بیگی زاده

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Analysis, Design and Simulation of a Lumped-Element Coupler with Tunable Coupling Coefficient and Frequency
In this dissertation we first present the analysis and design of a hybrid lumped-element coupler in which the loss of components is considered. Analyses show that the return loss or isolation can be significantly improved by an optimum selection of the components quality factors. The feasibility of the given idea is proved by fabricating a prototype coupler which was tested on a Rogers 4003 PCB. The measurement results show that by using optimum quality factor, the return loss reaches -56dB. A low power tunable active capacitor (TAC) is also proposed to generate a tunable capacitor with negative resistance. Using the proposed TAC, we provide a low power tunable inductor with independently tunable inductance and equivalent series resistance. The proposed active inductor is employed in a coupler at 4 GHz. The coupler simulation results show the coupling coefficient ranges from -7dB to +1.3dB with S 11 and S 41 better than -12.1dB and -34.5dB, respectively, with power consumption of less than 6.71mW. The designed coupler has the frequency tuning range of 2.4 GHz – 4.2 GHz with both return loss and isolation better than -25dB. Finally, the noise analysis shows that the coupler output referred noise voltage is less than in all states. Key Words lumped-element coupler, tunable coupler, limited quality factor, active capacitor, tunable inductor
استفاده از عناصر فشرده یکی از روش های کاهش حجم کوپلرها در فرکانس های زیر 10GHz نسبت به کوپلرهای خط انتقالی می باشد که امکان مجتمع سازی آن ها را با دیگر قسمت های سیستم فراهم می کند. مزیت دیگر این گونه مدارها قابلیت تنظیم ضریب تزویج و فرکانس کاری است که کاربردهای زیادی در سیستم های با چند استاندارد و سیستم های آرایه فازی به منظور اتصال دهانه فرستنده و گیرنده به آنتن دارند. یکی از چالش ها و نکات مهم در این مدارها، ضریب کیفیت محدود عناصر بوده که پارامترهای مختلف کوپلر را تحت تأثیر قرار می دهد. مسئله مهم دیگر بازه محدود تغییرات ضریب تزویج و فرکانس کاری برای کاربردهای مختلف و همچنین توان مصرفی بالا به دلیل استفاده از سلف های فعال به‌منظور تنظیم پارامترهای کوپلر می hy;باشد. به‌طوری‌که تاکنون کوپلرهای طراحی‌شده در این زمنیه علاوه بر توان مصرفی بالا، قابلیت دسترسی به ضریب تزویج مثبت و یا حتی صفر را نداشته و در بهترین حالت به مقدار -1.5dB رسیده اند. در این رساله ابتدا به‌منظور انجام یک کار تحلیلی و بررسی نحوه اثرگذاری ضریب کیفیت محدود عناصر برروی پارامترهای کوپلر، به تحلیل یک مدار کوپلر با درنظرگرفتن اثر ضریب کیفیت عناصر غیرفعال آن پرداخته می شود. با استفاده از تحلیل های انجام‌گرفته، نشان داده می شود که با کاهش کنترل‌شده در ضریب کیفیت عناصر و یک انتخاب بهینه برای آن ها، می توان پارامترهای افت برگشتی و یا ایزولاسیون را برای کاربردهای خاص بهبود قابل ملاحظه ای بخشید. در همین راستا علاوه بر ارائه یک روند طراحی و دو مثال طراحی برای کوپلر، راهکار پیشنهادی در دو ساختار مختلف و برای دو فرکانس مرکزی نمونه به کار گرفته شده و شبیه سازی می گردد. سپس به‌منظور تست ایده پیشنهادی، یک مدار کوپلر با استفاده از عناصر فشرده برروی یک برد مدار چاپی از نوع Rogers 4003 برای بهبود افت برگشتی ساخته و تست شده است. نتایج ساخت نشان می دهند که پارامتر افت برگشتی از طریق تنظیم ضریب کیفیت عناصر، به مقدار 26dB بهبود پیدا کرده و به -56dB می رسد. سپس براساس تحلیل های صورت گرفته، نشان داده می شود که با استفاده از یک مقاومت منفی در مدار کوپلر، می توان به ضرایب تزویج مثبت دست پیدا کرد. به همین منظور یک مدار خازن فعال توان پایین پیشنهاد می شود که علاوه بر تولید خازن قابل تنظیم، توانایی ایجاد مقاومت منفی نیز دارد. به علاوه با استفاده از این مدار، یک روش نیز جهت ایجاد سلف قابل تنظیم ارائه می گردد. در این روش پیشنهادی، سلف در محدوده ای مشخص قابل تغییر بوده و همچنین مقدار مقاومت معادل سری با هرسلف بدست آمده نیز به‌صورت تقریباً مستقل از مقدار سلف، قابل تنظیم است. به‌طوری‌که این مقاومت می تواند مقادیر صفر، مثبت و یا حتی منفی داشته باشد. در نهایت مدارهای پیشنهادی در یک کوپلر استفاده شده و برای فرکانس مرکزی 4 GHz طراحی و شبیه سازی شده اند. به‌منظور درنظر گرفتن تمامی عوامل پارازیتی، پس از رسم جانمایی کوپلر نهایی شبیه سازی های الکترومغناطیسی نیز با تکنولوژی 0.18µm CMOS توسط یک نرم افزار شبیه ساز الکترومغناطیسی انجام گردیده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهند که ضریب تزویج کوپلر در بازه -7dB - +1.3dB به همراه S 11 بهتر از -12.1dB و S 41 بهتر از -34.5dB در فرکانس مرکزی 4 GHz قابل تنظیم می باشد. توان مصرفی کوپلر نیز به دلیل استفاده از سلف قابل تنظیم پیشنهادی، کاهش چشمگیری پیدا کرده به‌طوری‌که در بیشترین حالت به مقدار 6.71mW می رسد. همچنین ساختار استفاده‌شده بگونه ایست که قابلیت جابجایی دهانه های عبوری و ایزوله را نیز دارد که این امر توسط جابجایی ولتاژ کنترلی ورکتورها انجام گردیده و نتایج آن گزارش شده است. در ادامه به تنظیم فرکانس مرکزی کوپلر پرداخته و نشان داده می شود که کوپلر قابلیت کارکرد در فرکانس های مرکزی مختلف به همراه افت برگشتی و ایزولاسیون مناسب را برای کاربردهای سیستم های با چند استاندارد دارد. براساس نتایج شبیه سازی، کوپلر طراحی شده دارای محدوده فرکانسی 2.4 GHz – 4.2 GHz به همراه افت برگشتی و ایزولاسیون بهتر از -25dB می باشد که از کاربردهای این بازه فرکانسی می توان به سیستم های Bluetooth، Wimax، WLAN و WPAN اشاره کرد. توان مصرفی کوپلر نیز در کل بازه فرکانسی کمتر از 7mW است. کلمات کلیدی: کوپلر با عناصر فشرده، کوپلر قابل تنظیم، ضریب کیفیت محدود، خازن فعال، سلف قابل تنظیم

ارتقاء امنیت وب با وف بومی