臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要討論正交混頻器的分析與設計，該元件是由三個基本元件構成，包含功率分波器、90度相位差耦合器以及兩個雙平衡式混頻器，本論文先分別討論各元件的設計方法和製作，最後再組合成正交混頻器。不同於一般微帶線結構設計的電路，正交混頻器電路中的功率分波器採用平衡線結構進行設計；而三級90度相位差耦合器中耦合強度最強的中間耦合段，採用垂直設置平面電路結構來達成；而在雙平衡式混頻器製作上，採用環形二極體進行設計，可以有效地提高隔離度。
本論文將以有限元素法為基礎的模擬軟體HFSS和ADS來執行相關的設計，以ADS進行初步模擬，再以HFSS針對集總元件部分加以修正和改善，並以實作進行驗證。

The design of an IQ mixer is analyzed in this thesis. The device consists of three components: a power divider, a 90-degree directional coupler, and two double-balanced mixers. The designs and fabrication of individual components are studied first. The overall performance of the IQ mixer is evaluated after the integration of the three components. In contrast to the microstrip-line circuits, the power divider of the IQ mixer chooses the balanced line for its design. The middle section of the three-section coupled-line coupler requires the strongest coupling, and employs the structure of vertically-installed planar circuits. As to the fabrication of the double-balanced mixer, the design of ring-diodes is selected to effectively increase the isolation.
The simulation package ADS and the finite element method-based software HFSS are chosen to conduct the required simulations. ADS is responsible for the preliminary modeling, whereas HFSS provides the follow-up corrections for the values of the lumped elements. The results are verified experimentally.

目 錄

中文摘要 .i
英文摘要 ....ii
誌謝 iv
目錄 .v
圖目錄 .viii
表目錄 xi
第一章 序論 ..1
1.1 研究背景 ..1
1.2 研究動機 ..1
1.3 論文架構 ..2
第二章 混頻器理論和特性介紹 ..4
2.1 升頻轉換/降頻轉換 ..4
2.2 各種參數性質介紹 ..5
2.2.1 轉換損失/增益 ..6
2.2.2 1 dB壓縮值 ..7
2.2.3 埠對埠訊號隔離度 ..8
2.2.4 功率消耗 ..9
2.2.5 反射消耗 ..9
2.3 混頻器種類 ..9
2.3.1 升頻混頻器 10
2.3.2 降頻混頻器 10
2.3.3 單二極體式混頻器 11
2.3.4 90度和180度單平衡式混頻器 11
2.3.5 雙平衡式混頻器 12
第三章 正交混頻器中的功率分波器設計 13
3.1 正交混頻器中的功率分波器概述 13
3.2 平面傳輸線式威爾金森功率分波器 13
3.3 平衡線電路 17
3.3.1 平衡線電路特性分析 18
3.3.2 50歐姆平衡傳輸線模擬 19
3.4 平衡線結構的功率分波器設計 22
3.4.1 阻抗轉換器設計 22
3.4.2 隔離電阻設計 26
3.4.3 電路設計 28
第四章 正交混頻中的耦合器設計 33
4.1 正交混頻器中的耦合器概述 33
4.2 耦合線簡介 33
4.2.1 奇模與偶模分析 34
4.2.2 方向耦合器基本原理 36
4.3 由垂直設置平面電路構成的定向耦合器 37
4.4 各參數對耦合量之影響 39
4.4.1 垂直基板厚度 39
4.4.2 垂直基板材料 40
4.4.3 垂直基板上的電路線寬 40
4.4.4 利用垂直設置平面結構設計的3 dB定向耦合器 41
4.5 利用垂直設置平面結構設計的三級定向耦合器 43
4.5.1 電路設計 43
4.5.2 正交混頻器中的耦合器模擬 47
第五章 正交混頻器設計 52
5.1 正交混頻器概述 52
5.2 電路布局和模擬 53
5.3 實作與量測 58
第六章 結論 70
參考文獻 71 

圖目錄

圖2.1.1 混頻器特性的示意圖 ..5
圖2.2.1 典型收發機示意圖. ..6
圖2.2.2 轉換損失的示意圖 ..7
圖2.2.3 增益壓縮表示圖 ..8
圖2.3.1 單二極體式混頻器 11
圖2.3.2 90度&180度單平衡式混頻器 12
圖2.3.3 雙平衡式混頻器 12
圖3.2.1 (a)威爾金森功率分波器、(b)等效傳輸線模型 14
圖3.2.2 威爾金森功率分波器求解模型 14
圖3.2.3 威爾金森功率分波器偶模輸入半電路 15
圖3.2.4 威爾金森功率分波器奇模輸入半電路 16
圖3.2.5 威爾金森功率分波器輸入阻抗Z1 17
圖3.3.1 雙邊平行帶線 17
圖3.3.2 (a)電場分布、(b)虛擬接地面位置 18
圖3.3.3 雙邊平行帶線等效圖 19
圖3.3.4 50歐姆平衡傳輸線波埠定義圖 20
圖3.3.5 50歐姆的平衡傳輸線插入損耗模擬圖 21
圖3.3.6 50歐姆的平衡傳輸線特性阻抗模擬圖 21
圖3.3.7 50歐姆的平衡傳輸線相位差模擬圖 22
圖3.4.1 四分之一波長阻抗轉換器示意圖 23
圖3.4.2 柴比雪夫多項式前四項響應圖 24
圖3.4.3 二階柴比雪夫阻抗轉器示意圖 26
圖3.4.4 一階平衡線結構功率分波器奇模等效半電路圖 28
圖3.4.5 平衡線結構功率分波器電路圖 28
圖3.4.6 平衡線結構功率分波器波埠定義圖 29
圖3.4.7 平衡線結構功率分波器反射損耗模擬圖 30
圖3.4.8 平衡線結構功率分波器插入損耗模擬圖 30
圖3.4.9 平衡線結構功率分波器隔離度模擬圖 31
圖3.4.10 平衡線結構功率分波器相位差模擬圖 31
圖4.2.1 耦合微帶線結構 34
圖4.2.2 耦合線奇、偶模輸入示意圖和等效電路圖(a)偶模(b)奇模 35
圖4.2.3 方向耦合器(a)示意圖(b)奇、偶模分析 35
圖4.2.4 方向耦合器的電路符號 37
圖4.3.1 (a)微帶分支定向耦合器、(b)混合環 38
圖4.3.2 垂直設置平面結構的定向耦合器 38
圖4.4.1 垂直設置平面結構的定向耦合器波埠定義 39
圖4.4.2 改變垂直基板厚度對耦合埠插入損耗模擬圖 40
圖4.4.3 改變垂直基板上電路線寬對耦合埠插入損耗模擬圖 41
圖4.4.4 波埠定義圖 42
圖4.4.5 頻率響應圖 42
圖4.4.6 相位差模擬圖 43
圖4.5.1 (a)俯視圖、(b)側面圖 45
圖4.5.2 波埠定義圖 46
圖4.5.3 頻率響應圖 46
圖4.5.4 相位差模擬圖 47
圖4.5.5 正交混頻器中的耦合器電路(a)隔離電阻(b)接地面(c)輸出埠部分
48
圖4.5.6 正交混頻器中的耦合器波埠定義圖 49
圖4.5.7 正交混頻器中的耦合器反射損耗模擬圖 49
圖4.5.8 正交混頻器中的耦合器插入損耗模擬圖 50
圖4.5.9 正交混頻器中的耦合器隔離度模擬圖 50
圖4.5.10 正交混頻器中的耦合器相位差模擬圖 51
圖5.1.1 正交混頻器示意圖 52
圖5.2.1 正交混頻器電路圖(a)基板正面(b)基板背面(c)側面圖 53
圖5.2.2 正交混頻器ADS電路圖
(a)射頻訊號和分波器(b)振盪器和耦合器(c)雙平衡式混頻器
(d)電路配置圖(e)接線後的整體電路圖 55
圖5.2.3 正交混頻器轉換損失模擬圖
(a)6 dBm(b)8 dBm (c)10 dBm(d)12 dBm 57
圖5.2.4 正交混頻器相位差模擬圖 58
圖5.3.1 正交混頻器正面圖 59
圖5.3.2 正交混頻器框圈處放大圖 60
圖5.3.3 正交混頻器背面圖 60
圖5.3.4 正交混頻器側面圖 61
圖5.3.5 正交混頻器側面框圈處放大圖 61
圖5.3.6 實際量測示意圖 62
圖5.3.7 轉換損失量測圖(a)6 dBm(b)8 dBm (c)10 dBm(d)12 dBm 64
圖5.3.8 功率6 dBm時的轉換損失比較圖 65
圖5.3.9 功率8 dBm時的轉換損失比較圖 66
圖5.3.10 功率10 dBm時的轉換損失比較圖 67
圖5.3.11 功率12 dBm時的轉換損失比較圖 68
圖5.3.12 相位差比較圖 69
 

表目錄

表2.3.1 各種類型之混頻器 10
表3.3.1 特性阻抗50歐姆傳輸線不同電路結構尺寸比較 22
表3.4.1 柴比雪夫轉換器設計 26
表4.5.1 定向耦合器參數表 44
表4.5.2 各級耦合量 45
表4.5.3 應用垂直平面結構設計的三級定向耦合器尺寸 46

[1] HFSS and Optimetrics, Version 11.1, 2008 (Ansoft Corp., USA)
[2] D. M. Pozar, Microwave Engineering 3rd ed.,John Wiley and Sons, New York, 2005.
[3] H. A. Wheeler, “Transmission-line properties of parallel strips separated by a dielectric sheet,” IEEE Transactions on Microwave Theory Tech., vol. 13, no. 2, pp. 172-185, Mar. 1965.
[4] J. M. Rochelle, “Approximations for the symmetrical parallel-strip transmission line,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-23, pp. 712–714, Aug. 1976.
[5] S. G. Kim and K. Chang, “Ultrawide-band transitions and new microwave components using double-sided parallel-strip lines,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 52, pp. 2148-2151, Sept. 2004.
[6] J. X. Chen, C. H. K. Chin, and Q. Xue, “Novel power divider with fixed strip width using offset double-sided parallel-strip lines,” Microwave and Optical TechnologyLett., vol. 49, pp. 1109-1111, May 2007.
[7] L. Chiu, T. Y. Yum, Q. Xue, and C. H. Chan, “A wideband compact parallelstrip 180° Wilkinson power divider for push-pull circuitries,” IEEE Microwave and Wireless Components Lett., vol. 16, pp. 49-51, Jan. 2006.
[8] J. X. Chen, C. H. K. Chin, K. W. Lau, and Q. Xue, “180° out-of-phase power divider based on double-sided parallel striplines,” Electronics Lett., vol. 42, pp. 1229-1230, Oct. 2006.
[9] X. Y. Zhang, J. X. Chen, and Q. Xue, “Broadband transition between double-sided parallel-strip line and coplanar waveguide,” IEEE Microwave and Wireless Components Lett., vol. 17, pp. 103-105, Feb. 2007.
[10] Y. K. Konishi, I. Awai, Y. Fukuoka, and M. Nakajima, “A directional coupler of vertically installed planar circuit structure,” IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques., vol. 36, no. 6, pp. 1057-1063, Jun. 1988.
[11] C. Zhao and I. Awai, “Application of the finite difference techniques to the compensated VIP 3 dB directional coupler,” IEEE Trans. Microw.Theory Tech., vol. 44, no. 11, pp. 2045–2052, Nov. 1996.
[12] J. H. Cho, H. Y. Hwang, and S. W. Yun, “A design of wideband 3-dB coupler with N-section microstrip tandem structure,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 15, no. 2, pp. 113-115, Feb. 2005.
[13] S. Kumar, C. Tannous, and T. Danshin, “A multisection broadband impedance transforming branch-line hybrid,” IEEE Trans. Microw.Theory Tech., vol. 43, no. 1, pp. 2517-2523, Nov. 1992.
[14] A. M. Abbosh and M. E. Bialkowski, “Design of compact directional couplers for UWB applications,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 55, no.2, pp. 189-194, Feb. 2007.
[15] H. C. Chen and C. Y. Chang, “Modified vertically installed planar couplers for ultrabroadband multisection quadrature hybrid,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 16, no. 8, pp. 446-448, Aug. 2006.
[16] C. H. Chi and C. Y. Chang, “A new class of wideband multisection 180° hybrid rings using vertically installed planar couples,” IEEE Trans. Microw.Theory Tech., vol. 54, no. 6, pp. 2478–2486, Jun. 2006.
[17] H. C. Chuang, C. M. Lin, C. H. Lin, and Y. H. Wang, “A K- to Ka-Band Broadband Doubly Balanced Monlithic Ring Mixer,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters., vol. 18, no. 6, pp. 401-403, Jun. 2008.
[18] B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, New Jersey, 1998.
[19] H. Y. Chang, P. S. Wu, T. W. Huang, H. Wang, C. L. Chang, and J. G. J. Chern, “Design and analysis of CMOS broadband compact high-linearity modulators for gigabit microwave/millimeter-wave applica-tions,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 54, no. 1, pp. 20–30, Jan. 2006.
[20] P. A. Rizzi, Microwave Engineering: Passive Circuits, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988.