Technologies for Satellite, Sensors, BigData and Artificial Intelligence Development
 
TECS - TECHNOLOGICAL CONSULTING SERVICES S.R.L.

G60-Risultati attesi

1.1         LNA

1.1.1         Guadagno RF

Il requisito è >20dB.

Il requisito è soddisfatto con un margine di circa 3-4dB, come evidenziato nella figura sottostante. Particolare cura è stata posta sul fatto di abbattere il più possibile il guadagno alle frequenze immediatamente inferiori alla banda operativa. Questo per mitigare il potenziali rischio di oscillazioni (instabilità) non volute.

Figure 4.1: Guadagno del LNA nell’intorno della banda operativa 59-66GHz. (sinistra) e DC-100GHz destra

1.1.2         Cifra di rumore

Il requisito è < 4.0 dB.

Il requisito è soddisfatto con un margine di almeno 2dB, come evidenziato nella figura sottostante. Particolare cura è stata posta sul fatto di simulare con tecniche avanzate (EM 2½D) in modo da predire maniera accurata il comportamento di rumore. Va sottolineato, che il requisito è abbastanza agevole da raggiungere per la tecnologia selezionata come dimostra l’ampio margine rispetto al requisito.

D’altronde, se avessimo selezionato una tecnologia meno prestazionale, avremmo corso il rischio di non poter soddisfare il requisito di guadagno.

Figure 4.2: Cifra di rumore LNA nell’intorno della banda operativa 59-66GHz.

1.1.3         Adattamento alle porte I/O

Il requisito è > 10.0 dB.

Il requisito è soddisfatto senza margine, come evidenziato nella figura sottostante. Anzi, per S11 oltre, nella gamma 65-66GHz il requisito non è soddisfatto. Particolare cura è stata posta sul fatto di simulare con tecniche avanzate (EM 2½D) in modo da predire maniera accurata l’adattamento alle porte I/O. Va sottolineato, che il requisito è difficile da raggiungere alle frequenze di interesse e contemporaneamente difficile da anticipare in maniera molto accurata.

Figure 4.3: Adattamento alle porte I/O nella banda operativa 59-66GHz. (sinistra) e DC-100GHz destra

Per quanto riguarda la predizione, bisogna sottolineare che l’adattamento è fortemente dipendente dai modelli dei passivi e attivi utilizzati. La simulazione con tecniche avanzate (EM 2½D) permette di predire in maniera più accurata rispetto al simulatore circuitale.

Va infine sottolineato, che un parziale mancato soddisfacimento di questo requisito, NON avrebbe impatti significativi sulle prestazioni globali del ricevitore.

1.1.4         Max Input Power

Il requisito è > -70 dBm. Il requisito è soddisfatto con ampio margine.

Si stima che il 1dB compression point all’ingresso sia del LNA sia nell’ordine dei -25 dBm.

1.1.5         DC bias power

Il requisito è < 60 mW, il requisito è proposto dal progettista in assenza di un’indicazione del committente.

Il requisito è soddisfatto avendo impiegato una topologia a 3 stadi con ciascuno stadio che assorbe meno di 20.0 mW (12 mA da una tensione pari a 1.5 V).

1.2         HPA

1.2.1         Performance Non Lineari

I requisiti sono di >18dB per il guadagno e almeno 28 dBm per la Pout.

Figure 4‑4: Prestazioni non lineari dell’HPA presentato al variare della potenza in ingresso. Le varie tracce sono relative a tre diversi valori di frequenza: 59, 62.5 e 66 GHz.

Il requisito di Pout è ampiamente soddisfatto con un margine di circa 6dB, come evidenziato nella Figure 4‑1. Per quanto riguarda invece il guadagno, il requisito non è stato soddisfatto. Una tecnologia in GaAs avrebbe certamente garantito un migliore risultato, ma avremmo ottenuto un livello di potenza nettamente inferiore rispetto a quello presentato. Inoltre, particolare cura è stata posta sul fatto di abbattere il più possibile il guadagno alle frequenze immediatamente inferiori alla banda operativa per mitigare il potenziale rischio di oscillazioni (instabilità) non volute. Tutto ciò ha certamente influito negativamente sul soddisfacimento delle richieste di guadagno. La PAE risulta invece sempre superiore al 32%: tale risultato è sicuramente frutto della particolare cura volta alla riduzione delle perdite di inserzione del combinatore in uscita. In Figure 4‑5sono riportate le stesse prestazioni al variare della frequenza, per una potenza in ingresso pari a 20.5 dBm.

Figure 4‑5: Prestazioni non lineari dell’HPA presentato al variare della frequenza. La Potenza in ingresso è fissata a 20.5 dBm

1.2.2         Adattamento alle porte I/O

Il requisito è > 10.0 dB per l’ingresso, > 6.0 dB per l’uscita.

Figure 4‑6: Adattamento alle porte I/O nella banda DC-100 GHz (sinistra) ed in quella operativa 59-66GHz. (destra)

Entrambi i requisiti sono soddisfatti con un ampio margine, come evidenziato nella Figure 4‑6. Particolare cura è stata posta nella simulazione tramite tecniche avanzate (EM 2½D) in modo da predire nella maniera più accurata l’adattamento alle porte I/O. Va sottolineato che il requisito è difficile da raggiungere alle frequenze di interesse e contemporaneamente difficile da anticipare in maniera molto accurata.

Per quanto riguarda la predizione, bisogna sottolineare che l’adattamento è fortemente dipendente dai modelli dei passivi e attivi utilizzati. La simulazione con tecniche avanzate (EM 2½D) permette di predire in maniera più accurata rispetto al simulatore circuitale.

1.2.3         Temperatura operativa di giunzione

In Figure 4‑7 sono riportate le temperature operative dei transistor dei tre stadi che compongono l’amplificatore. Come si può notare, il limite di 200°C è ampiamente soddisfatto se non per un range di 3 GHz ad inizio banda per quel che riguarda l’ultimo stadio.

Figure 4‑7: Temperature operative di giunzione dei dispositivi che compongono i tre stadi.

1.2.4         Potenza dissipata

Al valore di polarizzazione prescelto, l’amplificatore assorbe 322 mA in totale. Ciò significa che può essergli attribuito un consumo di potenza pari a 3.8W.

1.3         Mixer a fondamentale

1.3.1         Simulazioni sui modelli circuitali ed elettromagnetici

I guadagni di conversione in upconversion e downconversion sono le prime prestazioni che possono essere mostrate nella seguente figura:

Figure 4‑8: Guadagni in downconversion e upconversion con modelli EM @ fCENTRALE, fCENTRALE-200MHz, e fCENTRALE+200MHz.

La perdita di conversione sia in down-conversion sia in up-conversion è pari a circa 9 dB su tutta la banda operativa. Utilizzando i modelli elettromagnetici le perdite di conversione stimate aumentano di 1,3 dB in downconversion e 0,6 dB in upconversion. Esse risultano comunque in linea con i requisiti di progetto.

Nel caso in cui siano utilizzati i modelli elettromagnetici delle strutture passive, gli adattamenti del mixer sono rappresentati nella seguente figura. La circonferenza tratteggiata corrisponde a 10dB di adattamento alla porta d’interesse.

Figure 4‑9: Adattamenti mixer singolarmente bilanciato alle porte OL (nero), RF (rosso) e IF (blu). Banda operativa 400MHz.

I valori evidenziati dalla simulazione elettromagnetica sono in linea, con ampio margine, rispetto al requisito di specifica di 10dB.

Gli isolamenti nella modalità di funzionamento downconversion, utilizzando i modelli circuitali nella simulazione, sono i seguenti:

Table 4.1: Isolamenti in DOWN-conversion con modelli circuitali.

Isolamento LO -> IF Isolamento RF -> IF Isolamento LO -> RF
20 dB 30 dB 25 dB

Nel caso in cui il mixer funzioni come up-converter, gli isolamenti sono riassunti nella seguente tabella:

Table 4.2: Isolamenti in UP-conversion con modelli circuitali.

Isolamento LO -> RF Isolamento IF -> RF Isolamento LO -> IF
50 dB 50 dB 40 dB

Nel caso in cui si utilizzino i modelli elettromagnetici si può notare un contenuto peggioramento degli isolamenti a porta RF e IF dal segnale di oscillatore locale. Ciò è dovuto al fatto che gli alti livelli di questi ultimi erano assicurati principalmente dalla simmetria della struttura. Essa presuppone che i gate dei due dispositivi attivi siano pilotati con segnali aventi stessa ampiezza ma che siano sfasati di 180°. Ciò è di difficile realizzazione pratica, soprattutto per la deviazione dall’idealità del BALUN.

1.3.2         Confronto prestazioni e specifiche di progetto

Le prestazioni ottenute, in downconversion, tramite l’utilizzo dei modelli circuitali ed elettromagnetici, sono state paragonate alle aspettative iniziali nella seguente tabella:

Table 4.3: Confronto tra specifiche e prestazioni in downconversion.

Parametro Unità di Misura Specifiche Prestazioni Attese Note
Banda di Frequenza RF GHz 60,0-60,4 60,0-60,4 OK
Banda di Frequenza IF GHz 8,0-8,4 8,0-8,4 OK
Conversion Loss dB ≤10 9,2 OK, margine 1dB
Isolamento LO-RF dB ≥20 25 OK, margine 5dB
Isolamento LO-IF dB ≥20 20 OK, Nessun margine
Isolamento RF-IF dB ≥20 30 OK, margine 10dB
Return Loss LO dB ≥10 15 OK, margine 5dB
Return Loss RF dB ≥10 15 OK, margine 5dB
Return Loss IF dB ≥10 15 OK, margine 5dB
Potenza LO dBm 10 10 OK

Le altre prestazioni sono adeguate alle specifiche iniziali, alcune anche con elevato margine.

Nel caso in cui il mixer resistivo singolarmente bilanciato sia utilizzato come upconverter, le prestazioni ottenute dalle simulazioni sui modelli circuitali ed elettromagnetici sono mostrate nella seguente tabella:

Table 4.4: Confronto tra prestazioni in upconversion.

Parametro Unità di Misura Specifiche Prestazioni Attese Note
Banda di Frequenza RF GHz 60,0-60,4 60,0-60,4 OK
Banda di Frequenza IF GHz 8,0-8,4 8,0-8,4 OK
Conversion Loss dB ≤10 8,8 OK, margine 1dB
Isolamento LO-RF dB ≥20 50 OK, margine 30dB
Isolamento LO-IF dB ≥20 40 OK, margine 20dB
Isolamento RF-IF dB ≥20 50 OK, margine 30dB
Return Loss LO dB ≥10 15 OK, margine 5dB
Return Loss RF dB ≥10 15 OK, margine 5dB
Return Loss IF dB ≥10 15 OK, margine 5dB
Potenza LO dBm 10 10 OK

Si può notare che l’entità della perdita di conversione è minore rispetto al caso in cui esso sia utilizzato come downconverter. Questa differenza è dovuta alla non perfetta reciprocità dei dispositivi attivi e degli elementi passivi.

I valori degli adattamenti non dipendono dal fatto che il dispositivo sia utilizzato come upconverter o downconverter e quindi sono uguali per entrambe le modalità di funzionamento.

Un parametro che non è stato indicato nei requisiti è la potenza del termine fLOfIF quando il mixer opera in up-converter. Tale termine si trova a circa 44 GHz, non troppo lontano dalla banda V e praticamente alla stessa potenza del segnale fRF desiderato (fLO + fIF).

1.4         Mixer subarmonico

1.4.1         Simulazioni sui modelli circuitali ed elettromagnetici

I guadagni di conversione in upconversion e downconversion sono le prime prestazioni che possono essere mostrate nella seguente figura:

Figure 4‑10: Guadagni in downconversion e upconversion con modelli circuitali.

Il guadagno di conversione in downconversion ha un valore maggiore di -9,55 dB su tutta la banda, mentre quello di upconversion medio è pari a -7,15 dB. Utilizzando i modelli elettromagnetici le perdite di conversione stimate aumentano di 1,3 dB in downconversion e 0,6 dB in upconversion. Esse risultano comunque adatte alla presente applicazione e possono essere ridotte ulteriormente introducendo uno stadio di guadagno successivo oppure variando la potenza di oscillatore locale.

Nel caso in cui siano utilizzati i modelli circuitali o elettromagnetici delle strutture passive, gli adattamenti del mixer resistivo subarmonico sono rappresentati nella seguente figura.

Figure 4‑11: Adattamenti mixer resistivo subarmonico con modelli circuitali e elettromagnetici.

I valori evidenziati dalla simulazione elettromagnetica sono i seguenti:

  • Return loss di 22,15 dB alla porta LO alla frequenza di oscillatore locale rispetto ai 20,8 dB ottenuti dalle simulazioni sui modelli circuitali;
  • Return loss maggiore di 8 dB a porta RF per tutta la banda di ingresso considerata rispetto ai 26,6 dB ottenuti dalle simulazioni sui modelli circuitali;
  • Return loss maggiore di 12,3 dB a porta IF per i 400 MHz di banda di ingresso rispetto ai 13,3 dB ottenuti dalle simulazioni sui modelli circuitali.

Gli isolamenti nella modalità di funzionamento downconversion, utilizzando i modelli circuitali nella simulazione, sono i seguenti:

Table 4.5: Isolamenti in downconversion con modelli circuitali.

Nel caso in cui il mixer funzioni come upconverter, gli isolamenti sono riassunti nella seguente tabella:

Table 4.6: Isolamenti in upconversion con i modelli circuitali.

Nel caso in cui si utilizzino i modelli elettromagnetici si può notare un contenuto peggioramento degli isolamenti a porta RF e IF dal segnale di oscillatore locale. Ciò è dovuto al fatto che gli alti livelli di questi ultimi erano assicurati principalmente dalla simmetria della struttura. Essa presuppone che i gate dei due dispositivi attivi siano pilotati con segnali aventi stessa ampiezza ma che siano sfasati di 180°. Ciò è impossibile da ottenere, in pratica, soprattutto per la deviazione dall’idealità del Marchand balun.

Nel seguente grafico, utilizzando le strutture passive simulate tramite modelli circuitali, è mostrato l’andamento del guadagno di conversione al variare della potenza di ingresso nel caso in cui il mixer sia utilizzato come downconverter o upconverter:

Figure 4‑12: Punto a 1 dB di compressione in downconversion e upconversion.

Dalle simulazioni sui modelli elettromagnetici delle strutture passive si evidenzia un aumento del punto a 1 dB di compressione in upconversion e downconversion. Esso viene raggiunto per una potenza di ingresso rispettivamente di 11 dBm e di 14 dBm.

Utilizzando i modelli elettromagnetici, l’ultima caratteristica del mixer resistivo subarmonico ad essere mostrata nella seguente figura è la dipendenza del guadagno di conversione dalla potenza di oscillatore locale in downconversion e upconversion:

Figure 4‑13: Dipendenza del guadagno di conversione dalla potenza di oscillatore locale in downconversion e upconversion.

1.4.2         Confronto prestazioni e specifiche di progetto

Le prestazioni ottenute, in downconversion, tramite l’utilizzo dei modelli circuitali ed elettromagnetici, sono state paragonate alle aspettative iniziali nella seguente tabella:

Table 4.7: Confronto tra specifiche e prestazioni in downconversion.

Si può notare come la conversion loss sia leggermente superiore alle specifiche che si volevano ottenere inizialmente, ma questa piccola differenza può essere recuperata variando la potenza di oscillatore locale o introducendo un successivo stadio di guadagno nella catena ricevente.

Tutti gli adattamenti risultano conformi tranne quello a porta RF che però risulta di poco inferiore alla specifica.

Le altre prestazioni sono adeguate alle specifiche iniziali.

Nel caso in cui il mixer resistivo subarmonico sia utilizzato come upconverter, le prestazioni ottenute dalle simulazioni sui modelli circuitali ed elettromagnetici sono mostrate nella seguente tabella:

Table 4.8: Confronto tra prestazioni in upconversion.

Si può notare che l’entità della perdita di conversione è minore rispetto al caso in cui esso sia utilizzato come downconverter. Questa differenza è dovuta alla non perfetta reciprocità dei dispositivi attivi e degli elementi passivi.

I valori degli adattamenti non dipendono dal fatto che il dispositivo sia utilizzato come upconverter o downconverter e quindi sono uguali per entrambe le modalità di funzionamento.

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