Design and simulation the impact of microwave circuit imbalances on digital instantaneous frequency measurement receiver
Mikrodalga devre dengesizliklerinin dijital anlık frekans ölçüm alıcısı üzerine etkisi ve simulasyonu
- Tez No: 538237
- Danışmanlar: PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 127
Özet
Alınan bir sinyalin frekansının ölçülmesi, Electronic Savaş (EW) sistemlerinin ilgilendiği en önemli konulardan biridir. Sinyalin frekansını hakkında önceden bilgi sahibi olmadan vericilerin veya radarların varlığını tespit edilmesini sağlanabilmektedir veya RADAR'ın çalışma alanına göre sınıflandırılmasına ve böylece radarın çalışmasını karıştırmak için askeri hilelerin kullanılmasına yardımcı olmaktadir. Frekans, mikrodalga sinyal parametrelerinin en önemlilerinden biridir. Frekans ölçümü için çeşitli sistemler ve işleme yöntemleri kullanılmaktadır. RF ve mikrodalga frekanslarının anlık ölçümü, elektronik savaşta yaygın olarak yer almaktadır. Çok kısa mikrodalga sinyallerinin hızlı ölçümlerini yaparak geniş bir frekans bandında bilinmeyen sinyaller belirlenir. Ayrıca, sıkışma sinyalleri ve parazitler göndermek amacıyla, düşman ve tehdit sinyallerinin varlığını ve frekansını belirlemek veya RADAR istasyonlarının çalışma frekans bantlarını tespit etmek için de uygulanmaktadır. Dijital Anlık Frekans Ölçümü (DIFM), bu alanda birçok önemli özelliğe sahip olan en önemli alıcılardan biridir. İyi bir hassasiyetle geniş bir bandı kaplar, geniş bir dinamik aralık ve frekans ölçümünde yüksek çözünürlük özelliklerine sahiptir, bu yüzden elektronik savaş sistemlerinde geleneksel bir unsur olarak yer alır. Anlık Frekans Ölçümü alıcıları (IFM), son 50 yılda dünya genelinde deniz, hava ve yer tabanlı Elektronik Destek ölçü sistemlerinde radar ortamlarının geniş bant izlemesi için kullanılmıştır. Bir DIFM alıcısı, frekansını ölçmek için gecikme hatları kullanarak giriş sinyalinin faz farkını karşılaştırmaktadır. Bir sinüzoidal dalga iki yola bölünmüş sayılır, yolların biri diğerine göre sabit bir zaman geciktirir. Sabit zaman gecikmesinden kaynaklanan iki çıkış arasında faz farkı olur ve bu faz farkı frekansa bağlıdır. Bir IFM alıcısında, giriş sinyalinin frekansı, bu faz farkı ölçülerek belirlenir. Faz açısı ölçülür ve gecikme süresi τ bilinmekte olur. Faz ayırıcı genel olarak geciktirme hatları ve güç bölücülerinden oluşan interferometrelerdir, giriş RF / Mikrodalga sinyalinin anlık frekansını tanımlamak için gecikmeli sinyaller orijinal sinyal ile karşılaştırılır. IFM cihazını önemli bileşenleri olan mikrodalga frekans ayırıcı ve bir mikrodalga faz ayırıcı (PD) içermektedir. Faz ayırıcı çalışma prensibi, mikrodalga sinyallerinin vektör toplanmasına dayanır. Şerit hattı kuplör ve dal hattı yönlü kuplör genellikle bu işlemleri hızlıca gerçekleştirmek için kullanılır. En önemli özelliği, milimetre aralığında bile doğru faz ölçümleri yapabilmesidir. İki RF sinyali arasındaki faz farkı dört güç ölçümünden belirlenir. Devre içinde çoğu zamanda aktif bir cihaz yoktur, ayrıca düşük maliyetli ve kompakt boyutlu EW alıcıları için de uygundur. Düşük kayıp, düşük genlik ve faz dengesi açısından yüksek özelliklere sahip geniş bantlı mikrodalga bileşenleri tasarlama, herhangi bir mikrodalga bileşeni için büyük bir problemdir. Bu tezde sorun, Baskılı Devre Kartı PCB teknolojisiyle uyumlu olan mikro şerit teknolojisini kullanarak yüksek balanslı faz ayırıcı ana bileşenleri tasarlamaktır. Ayrıca, elektromanyetik simülasyon kullanarak tüm bileşenleri tasarlamanın yanı sıra, DIFM alıcısında çıkış frekansını etkileyen ana faktörü belirleme ve dengesizliklerin kabul edilebilir değerlerini belirleme de önemlidir. Bu tür alıcıların tasarımındaki ilk adım, IFM alıcılarını incelemek, analiz etmek ve basit imalat, kompakt gerçekleştirme avantajları olan ve geniş bant genişliği üzerinden tasarlanabilen faz ayırıcı yapısını bulmaktır. Daha sonra, IFM alıcısı için RF ön ucu, düşük maliyetli olması ve geleneksel PCB teknolojisini kullanarak kolay entegrasyonu nedeniyle, özellikle önemli olan mikroşerit teknolojisini kullanmayı amaçlamaktadır. Faz ayırıcı DIFM alıcısının en önemli parçası olduğundan, uygun yapısını bulmak için birçok araştırma yapılmıştır. Bu tezde, önerilen bazı faz ayırıcı yapıların bazıları aktif, bazıları pasif durumdadır. Bu tez çalışmasında aktif unsurları kullanmayacağız çünkü düşük karmaşıklık arıyoruz ve aktif unsurların sorunlardan kurturmak istiyoruz. Pasif yapılar için sadece iki farklı eleman içeren ve geniş bantta çalışan kolay bir yapı seçtik. Bu tez çalışmasında, gerçek dünyadaki (pratik bileşenler) mikrodalga devrelerinin, pratik gerçekleştirmenin kusurunu, örneğin faz ve genlik dengesizliklerinin sınırlı miktarda geri dönüş kaybı değerinin etkilerinin incelemesi hedeflenmektedir. Tüm bu faktörler, alıcının çıktısındaki ölçüm çözünürlüğünü etkiler, bu nedenle bu etkileri incelemek ve genel çözünürlüğün belirlenmesinde büyük rol oynayan faz ayırıcı için pratik bir yapı önermek adına birçok pratik kısıtlama eklenmiştir. Düşük maliyeti ve imalat kolaylığı, mikroşerit teknolojisi kullanılarak oluşturulacaktır. Burada frekans çözünürlüğünü, iyileştirilecek en önemli faktör olarak belirlendi, çünkü alınan sinyal ne kadar daha doğru ölçülürse, elektronik karşı önlemlerde o kadar gelişme sağlanacaktır. Tasarımlarımız kompakt ve düşük maliyetli olmayı hedeflemekte olup faz ve genlik dengesizliği olarak kabul edilen dengesizlik aralığını belirleyen simülasyon sonucuna tabi olmaktadır. Bir diğer önemli problem ise önceki mikrodalga bileşenlerini genişbant üzerinden tasarlamak, bizim durumumuzda bir oktav (S bandı), ideal faz ayırıcı bileşenlerini tasarımımızla değiştirmek ve frekans ölçümlerinin toplam hatasını elde etmektir. Bu tezde, tüm S Bandını kapsayacak şekilde bir faz ayırıcı analiz edilmiş ve tasarlanmıştır. Faz ayırıcı için farklı topoloji tartışılmış, analiz edilmiş ve karşılaştırılmış, ayrıca ideal durumda alıcı için matematiksel bir model yapılarak genlik ve faz dengesizliği durumları da belirtilmiştir. Üç dörtlü hibrit kuplör ve bir güç bölücüsünden oluşan bir yapı seçilmiştir. DIFM alıcısı, NI AWR®'den Görsel Sistem simülatörü (VSS) ortamında analiz edilmiş ve alıcının özellikleri hesaplanmıştır. Daha sonra, tüm S bandında ayrımcıların bileşenlerinin tasarımında bazı tasarım gereklilikleri ortaya çıkarılmıştır. Son olarak hem güç bölücülerinde hem de hibrit kuplörlerde genlik ve faz dengesizliğinin yanı sıra gecikme hattındaki kayıplar, güç bölücülerindeki ve yönlü kuplörlerde ölçümlerin çözünürlüğünü etkileyen birçok önemli ve temel alıcı bileşenlerinin etkileri incelenmiştir. Yüksek frekanslı yapı simülatörü (HFSS) yazılımı kullanılarak bir elektromanyetik simülasyon gerçekleştirildi ve bu bileşenler, dörtlü hibrit kuplör ve güç bölücüsünde tasarlandı. İmalattaki birçok teknolojik kısıtlamayı işlem esnasında göz önünde bulunduruldu. Sonuç olarak, tüm S bandında mükemmel faz dengesizliği (90 ° ± 0.5 °) ve genlik dengesizliği (-3 ± 1 dB) ile bir oktavdan daha büyük bir bant genişliğinde çalışan bir karesel hibrit kuplör uygulandı. Ayrıca, 0.2 dB'den daha iyi genlik dengesizliği ve tüm S bandında 0.4° 'den daha iyi faz dengesizliği olan bir güç bölücü dikkate alındı.
Özet (Çeviri)
Frequency is one of the more important microwave signal parameters. Various systems and processing methods are used for frequency measurement. The instantaneous measurement of RF and microwave frequencies is widely used in Electronic Warfare (EW) for the determination of unknown signals over a broad frequency band by perform fast measurements of very short microwave signals. Instantaneous Frequency Measurement (IFM) receivers have been used for wideband monitoring of radar environments in naval, airborne and ground-based Electronic Support Measures (ESM) systems worldwide in the last 50 years. The discriminators are generally interferometers composed of delay lines and power dividers, where delayed signals are compared with the original signal to identify the instantaneous frequency of an input RF/Microwave signal. The important components of an IFM device include a microwave frequency discriminator and a microwave Phase Discriminator (PD). The PD principle of operation is based on vector summing of microwave signals. The coupled line or branch line directional couplers are often used to quickly handle these operations. Its most important feature is the ability to perform accurate phase measurements, even in the millimeter range. Phase difference between two RF signals is determined from four power measurements. The circuit often has no active device also it is suitable for low-cost and compact-size applications in the EW receivers. The first step in the design of such receivers is to study and analyze the IFM receivers and finding out the structure of the phase discriminator which has the advantages of simple fabrication, compact realization and could be designed over broad bandwidth. Then, the RF front-end for IFM receiver aim to use microstrip technology, which is particularly important due to its lower cost and easy integration using conventional PCB technology. In this thesis, a phase discriminator has been analyzed and designed to cover the whole S Band. A structure consisting of three quadrature hybrid couplers and a power divider has been selected. The DIFM receiver has been analyzed in Visual System Simulator (VSS) environment from NI AWR®, and the receiver's specifications has been computed. Then, some design requirements have been found out to helping the design of discriminator's components. over the whole S band, and finally we have been studied effects of many important and essential paramters of receiver components, which affect the resolution of the measurements such as losses in delay line, power dividers and directional couplers, in addition to amplitude and phase imbalance in both power dividers and hybrid couplers. We designed these components, the quadrature hybrid coupler and the power divider, by performing an electromagnetic simulation using High Frequency Structure Simulator (HFSS) software; we also took into account many technological constraints on the fabrication. As a result, a quadrature hybrid coupler operating on a bandwidth larger than one octave has been implemented, with excellent phase imbalance (90°±0.5°) and amplitude imbalance (-3±1 dB) over the whole S band. Also, a power divider has been implemented having amplitude imbalance better than 0.2 dB and phase imbalance better than 0.4° over the whole S band.
Benzer Tezler
- A performance-enhanced planar schottky diode for terahertz applications:An electromagnetic modeling approach
Terahertz uygulamaları için optimize edilmiş bir yüzeysel schottky diyot: Elektromanyetik modelleme tabanlı bir yaklaşım
AMIR GHOBADI
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY
- High performance InP-based HEMTs with dry etched gate recess
Başlık çevirisi yok
HALİT CELALEDDİN DURAN
Doktora
İngilizce
1998
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolEidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH)Prof. WERNER BäCHTOLD
Prof. H. MELCHIOR
- Radiation characteristics and efficiency analysis of microstrip patch antennas for IoT application
IoT uygulaması için mikrostrip yama antenlerin radyasyon özellikleri ve verimlilik analizi
ABDIFATAH ADBULKADIR AHMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Aydın ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NECİP GÖKHAN KASAPOĞLU
- Design of a patch array antenna for 5G applications
5G uygulamaları için bir yama dizisi anten tasarımı
ZOHAYA MOHAMMED ELKHATIM MAHDI EDRESS
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. LOKMAN KUZU
