УДК 621.372
, ,
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса,
г. Шахты
Моделирование направленного ответвителя в программе Agilent ADS
До недавнего времени полупроводниковые устройства диапазона крайне высоких частот (КВЧ) строились исключительно с использованием технологических процессов на основе полупроводниковых материалов группы A3B5 , что существенно препятствовало их широкому применению в аппаратуре промышленного и бытового назначения ввиду относительно высокой стоимости при массовом производстве, а также ограничивало дальнейшую микроминиатюризацию существующих систем. Перспективными в плане построения КВЧ монолитных интегральных схем (МИС) класса «система на кристалле» являются технологические процессы БиКМОП с SiGe гетеробиполярными транзисторами c проектными нормами 130 нм. К достоинствам КВЧ диапазона можно отнести существенное уменьшение размеров пассивных элементов и соответственно размеров кристалла, таких как направленные ответвители, которые часто используются в приемопередатчиках для получения квадратурного сигнала и распределения по входам субгармонического смесителя со сдвигами фаз 0°,180°,270° и 90°. [1]. Простейшая схема такого ответвителя состоит из четырех четвертьволновых отрезков линии передачи с разным волновым сопротивлением для согласования входов на сопротивление 50 Ом, рис. 1 [2]. Однако на частоте 60 ГГц такое устройство будет занимать большую площадь на кристалле по сравнению с другими архитектурами, что не эффективно.
Рис. 1 – Направленный ответвитель.
Структура рис. 2 позволяет уменьшить площадь, занимаемую ответвителем путем введения дополнительных конденсаторов [3].
Рисунок 2 – Направленный ответвитель с уменьшенной площадью
Такая структура позволяет уменьшить площадь, занимаемую на кристалле более чем в два раза, однако для получения заданных сдвигов по фазе понадобиться использование два таких ответвителя. Для устранения этого недостатка была спроектирована схема на связанных линиях, рис. 3.
Рисунок 3 – Дифференциальный квадратурный направленный ответвитель
Для согласования на дифференциальное сопротивление 100 Ом, волновое сопротивление двух связанных линий было выбрано равным 70,7 Ом, оно зависит от расстояния между линиями и их ширине. 3D схема и размеры показаны на рисунке 4.
Рисунок 4 – Топология и размеры дифференциального квадратурного направленного ответвителя в 3D режиме
Данный ответвитель был промоделирован в программе ЭМ моделирования Momentum пакета Agilent ADS.
Рисунок 5 – S параметры направленного ответвителя со входа 1 на вход 2 и вход 3
Рисунок 6 – Разбаланс по фазе между входами 2 и 3
Был спроектирован направленный ответвитель в программе Agilent ADS на модели современного SiGe техпроцесса с толщиной верхнего металла 2 мкм для частоты 60 ГГц. В полосе частот 55-65 ГГц ответвитель имеет 4,5-5 дБ потерь (рис. 5), амплитудный разбаланс составляет не более 0,5дБ, фазовый разбаланс не более 8 градусов (рис. 6), коэффициент отражения по входам более -11дБ.
Библиографический список
1. Ali M. Niknejad, Hossein Hashemi mm-Wave Silicon Technology 60 GHz and Beyond //Springer, 2008.- С. 301
2. G. E. Ponchak Experimental analysis of reduced-sized coplanar waveguide transmission lines // IEEE MTT-S Int. Dig., 2003, С. 971–974.
3. Haroun, I. Experimental Analysis of a 60 GHz Compact EC-CPW Branch-Line Coupler for mm-Wave CMOS Radios // 2010 IEEE Microwave and Wireless Components Letters С. 211 – 213
