Diseño de un mezclador auto-oscilante basado en estructura slow-wave

Abstract

RESUMEN: El trabajo propuesto en este TFM (Trabajo Fin de Máster) se basa en el diseño y análisis de un mezclador auto-oscilante o SOM (Self-Oscillating Mixer) unido a un circuito resonador, basado en una estructura de onda lenta o “slow-wave”. El principal objetivo de la inserción de este tipo de estructuras de onda lenta es obtener una reducción del ruido de fase. Este tipo de ruido es inherente a los circuitos osciladores y una característica no deseada, por lo que resulta un inconveniente importante en cualquier sistema de comunicación. Por otro lado, una de las ventajas conjuntas de este tipo de topologías es la obtención de un diseño bastante compacto. A lo largo del trabajo se han utilizado distintos métodos y técnicas, para obtener un análisis preciso del diseño optimizado del SOM. Todo el proceso analítico se ha llevado a cabo con ayuda del software comercial ADS (“Advanced Design System”), de Keysight, haciendo uso de herramientas proporcionadas por el propio software, y, por otro lado, aplicando técnicas desarrolladas por el grupo de Ingeniería de Microondas y Sistemas de Radiocomunicación (GIMSR) de la Universidad de Cantabria. En primer lugar, se procedió a analizar diversas estructuras “slow-wave” implementadas en tecnología microstrip. El principal motivo para estudiar estas estructuras e introducir una de ellas en el SOM, es debido a que pueden presentan un alto retardo de grupo y factor de calidad manteniendo un diseño muy compacto. Del estudio de estas estructuras se ha seleccionado la que presenta mayor factor de calidad, y se han optimizado sus parámetros para obtener su frecuencia de resonancia a la frecuencia de diseño del SOM. El siguiente paso, consiste en introducir la estructura “slow-wave” como parte del oscilador, analizando con ello su comportamiento en régimen de oscilación y re-optimizando los parámetros de la “slow-wave” para conseguir un bajo ruido de fase en el oscilador. Posteriormente, se ha analizado el sistema como SOM, introduciendo una señal de radiofrecuencia (RF) y analizando con ello los aspectos más relevantes de este tipo de sistemas. Por último, para la caracterización experimental se ha fabricado en tecnología híbrida un prototipo que opera entorno a [2.3 GHz- 2.4 GHz] basado en un transistor

ABSTRACT: The work proposed in this TFM is based on the design and analysis of a self-oscillating mixer or SOM connected to a resonator circuit, based on a slow-wave structure. The main objective of adding this type of slow-wave structures is to obtain a reduction in the phase-noise. This type of noise is inherent to oscillator circuits and an undesired characteristic which is considered an important drawback in any communication system. On the other hand, one of the joint advantages of this type of topologies is obtaining a fairly compact design. Throughout the work, different methods and techniques have been carried out to obtain an accurate analysis of the optimized SOM design. The entire analytical process has been carried out with the aid of the commercial software ADS (“Advanced Design System”), by Keysight, making use of the software-specific tools, and on the other hand, applying techniques developed by the Group of Microwave Engineering and Radiocommunication Systems (GIMSR) of the University of Cantabria. Firstly, different "slow-wave" structures implemented in microstrip technology were analyzed. The main reason to study these structures and introduce one of them in the SOM is because they present a high group delay and quality factor maintaining a very compact design. From the study of these structures, the one with the highest quality factor has been selected, and its parameters have been optimized to obtain its resonance frequency at the design frequency of the SOM. The next step is to introduce the "slow-wave" structure as constitutive part of the oscillator, thereby analyzing its behavior in the oscillation regime and re-optimizing the parameters of the "slow-wave" to achieve low oscillator phase-noise spectral density. Subsequently, the system has been analyzed as a SOM, introducing a radio frequency (RF) signal and thus analyzing the most relevant aspects of this type of system are analyzed with it. Finally, for the experimental characterization, a prototype, based on a PHEMT transistor, has been manufactured in hybrid technology operating around [2.3 GHz-2.4 GHz]. Very good results have been obtained. They have also been compared with the simulation results with good agreement.