:
 
مخابرات UWB برای اولین بار در دههی 1960 معرفی شد و برای رادار، حسگر، مخابرات نظامی و کاربردهای زیست شناسی در 20 سال بعد از آن به کار رفت. در سال 2002، FCC1 رنج فرکانسی 3.1~10.6GHz را برای کاربردهای UWB باز کرد و توان انتقال آنرا به -41.3dBm محدود کرد، بدین معنا که سیستم های UWB روی فراهم کردن: توان کم، قیمت کم و عملکرد باند وسیع در مساحت کوتاه تمرکز کردند. در مقایسه با کاربردهای باند باریک طراحی المانها در سیستمهای UWB
بسیار متفاوت و چالشساز است.
 
یکی از المانهای مهم در گیرندههای UWB میکسرها هستند. میکسرها برای تبادل اطلاعات بین تعداد زیادی کانال مشابه UWB RF و از طریق آنتنها نقش کلیدی دارند. میکسر، در واقع یک مبدل فرکانس است که در مدارات مخابراتی وظیفه تبدیل(ویا ترکیب) سیگنال از یک فرکانس به فرکانس(های) دیگر را به عهده دارد. اهمیت این عملکرد هم به وضوح در تهیه و تامین فرکانسهای کاری مناسب با پایداری و نویز مطلوب است. میکسر میبایستی: (1 بهرهی تبدیل بالا، که اثرات نویز در طبقات بعدی را کاهش دهد. NF (2 کوچک، که LNA را از داشتن یک بهرهی بالا راحت کند. (3
 
خطی بودن بالا، که رنج دینامیک گیرنده را بهبود ببخشد و سطوح اینترمدولاسیون2 را کاهش دهد. هر کارایی بایستی توسط مصالحه در طراحی میکسر بهدست آید. میکسر سلول گیلبرت با برخی تغییرات در ساختار آن نتایج قابل قبولی برای کاربرد در سیستمهای UWB به دست میدهد.
 
مقصود ما در این سمینار بررسی ساختارهای مناسب میکسر جهت استفاده در سیستمهای فراپهن باند UWB با استفاده از تکنولوژی CMOS است. برای این منظور ابتدا سیستم های UWB در فصل اول بررسی میگردند. سپس در فصل دوم میکسرهای گوناگون مورد بحث قرار گرفته و کاراییهای آنها مقایسه می شود. در فصل سوم یازده مقالهایی در این زمینه را که در سالهای اخیر طبع رسیده است تک تک بررسی کرده و در انتها در فصل چهارم نتایج به دست آمده و مزایا و معایب هر روش بیان میگردد.
 
 
.1 فصل اول
 
سیستمهای فرا پهن باند (UWB)
 
1.1   تاریخچه
 
در طول دهههای اخیر پیشرفت سریع ارتباطات باعث ایجاد تقاضا برای قطعات بهتر و ارزانتر و همچنین تکنولوژیهای پیشرفتهتر شده است. افزایش تقاضا برای انتقال سریع و افزایش نرخ اطلاعات در عین مصرف کم توان تاثیرات شگرفی را بر تکنولوژی ارتباطات ایجاد کرده است. در هر دو بخش مخابرات بیسیم وسیمی این گرایش منجر به استفادهی هرچه بیشتر از مدولاسیونهایی با استفادهی بهینهتر از طیف فرکانسی ویا افزایش پهنای کانالها گشته است. این روشها به همراه روش های مهندسی برای کاهش توان، به منظور تولید تراشههای ارزان و با مصرف توان کم در صنعت استفاده می شود.
 
افزایش وگسترش استانداردها نه تنها باعث شده که سیستمها با طیفهای شلوغتری از لحاظ فرکانسی روبرو باشند بلکه باعث شده است تا سیستمها به سوی چند استاندارده بودن سوق داده شده و قابلیت انطباق با استانداردهای مختلف را داشته باشند. در حقیقت این پیشرفت تکنولوزی منجر به طراحی و تولید دستگاههایی شده است که قابلیت کارکرد در باندهای وسیعتری را داشته باشند، مانند تکنولوژی فرا پهن باند . (UWB)
 
تکنولوژی فرا پهن باند (UWB) به شیوهی کاملاً متفاوتی از سایر تکنولوژی ها از باند فرکانسی استفاده میکند. این سیستمها از پالسهای باریک و پردازش سیگنال در حوزهی زمانی برای انتقال اطلاعات استفاده میکنند، بدین صورت سیستم های فرا پهن باند (UWB) قادرند در بازهی زمانی مشخص اطلاعات بیشتری را نسبت به سیستمهای قدیمیتر منتقل کنند زیرا حجم انتقال اطلاعات در سیستمهای مخابراتی به صورت مستقیم با پهنای باند تخصیص یافته و لگاریتم (Signal to SNR Noise Ratio) متناسب است.
 
میتوان گفت که اولین سیستم بیسیم که توسط گاگلیرمو مارکونی در سال 1987 نمایش داده شد، خصوصیات رادیوی فراپهنباند را دارد. اولین فرستندههای جرقهای مارکونی فضای زیادی از طیف را از فرکانسهای بسیار پایین تا فرکانسهای بالا را اشغال می کردند. همچنین این سیستمها به طور غیراتوماتیک از پردازش زمان استفاده مینمودند. چون کد مورس توسط اپراتورهای انسانی ارسال و دریافت می شد .
 
پایه و اساس سیستمهای نوین فراپهنباند در دهه 80 توسط راس و با کار انجام شده در مرکز تحقیقاتی Sperry بنیان گذاشته شد. تأکید بر استفاده از UWB به عنوان یک ابزار تحلیلی برای کشف خصوصیات شبکههای مایکروویو و خصوصیات ذاتی مواد بود. این تکنیکها به طور منطقی گسترش یافتند تا تحلیل و تولید تجربی المان های آنتن را انجام دهند. موفقیتهای اولیه باعث تولید سیستمی خانگی شد تا خصوصیات پاسخ ضربه اهداف یا موانع را اندازهگیری کند.
 
این رویکرد استفاده از رادارهای کوتاهبرد، نیاز به محفظه بدون انعکاس برای مطالعه اهداف رادار را برطرف کرد، زیرا انعکاسهای ناخواسته از دیوارها و سقفها را میتوان با تکنیک های گیت زمانی حذف کرد. استفاده از UWB، و تکنیکهای پردازش حوزه زمان آن، نیاز بزرگی را در اوایل دوره ظهور
 
کامپیوتر برطرف کرد. مدارهای منطقی پرسرعت، در حد نانو ثانیه در اواخر دهه 60 و اوایل دهه 70،
 
دستیابی به سرعتهای بالاتر را ممکن ساخت. ولی لازم بود که حجم زیادی از اطلاعات میان پردازنده اصلی کامپیوتر و تجهیزات ورودی و خروجی متعدد منتقل شود. این مشکل با تکنیک های پردازش حوزه زمان و ارسال چندین سیگنال روی خط ارتباطی حل شد. تکنیک فوق توسط راس و همکارانش اختراع و به ثبت رسید. این اختراع عاملی کلیدی در مخابرات UWB گردید. از این مرحله تا ایجاد مخابرات بیسیم UWB راه زیادی نیست.
 
پیشرفتهای دیگر در دههی 70 باعث پیدایش اصول لازم برای توصیف و تولید کامل رشته الکترومغناطیس حوزه زمان شد. در دهههای 80 و 90، الکترومغناطیس حوزه زمان به مخابرات بیسیم و به خصوص مخابرات راه نزدیک و محیط های چند مسیره و متراکم اعمال میشد. شاتز این کاربری را با جزئیات بیان کرده و مزایا و معایب آن را شناخته است. او نشان داد که میتوان تعداد زیادی از این سیستمها را در یک مکان به کار انداخت و سیگنالهای پهنباند به مراتب بیشتر از سیگنالهای باریکباند نسبت به آثار مخرب چندمسیری مصونیت دارند.
 
یکی از کاربردهای بالقوه مخابرات UWB ارائه خدمات به کاربرهای متعدد در محیطهای چندمسیره است، ولی چالش سیستم، همزیستی آن در طیف رادیویی شلوغ فعلی است. مزایای این سیستم ممکن است بر معایب آن نچربد، و شاید دیگر روشهای بی سیم در محیطهای چند مسیره و متراکم به خوبی روش فوق کار کنند. دیگر کاربرد مهم روش فوق در حسگرها است، مثلا رادارهای تفکیک بالا و کوتاهبرد. این کاربرد نیاز بسیار کمتری به پردازش سیگنال دارد و مدارهای الکترونیکی بسیار سادهتری نیز دارد ولی به اندازهی دیگر سیستمهای پیچیده مخابراتی جلب توجه نکرده است.
 
یکی از اولین کاربردهای آن، رادارهای نفوذ در زمین بود. در سال 1974، موری، یک رادار به نام خود ثبت کرد که به دلیل استفاده از باند بسیار پهنی از فرکانسها، میتوانست حدود یک تا چند متر در زمین نفوذ کند. این امتیاز بعدها باعث یک موفقیت تجاری شد.
 
UWB  1.2 در قوانین FCC1
 
در سال 2002، FCC رنج فرکانسی 3.1~10.6Ghz را برای کاربردهای UWB باز کرد و در اولین گام FCC توان خروجی سیستمهای UWB

 را به -41.3dBm/MHz محدود کرد، این محدودیت این امکان را برای سیستم های UWB ایجاد میکند که بدون اینکه توان سیگنال خروجی آنها توسط سیستمهای باند باریک مجاور احساس شود از پهنای باند وسیعی برای انتقال اطلاعات خود استفاده کنند. محدودیتهایی که برای توان انتشار این سیستمها ایجاد شد ، عمدتاً محدودیتهایی بودند که برای حفاظت از سیستم GPS و سایر سیستمهای دولتی که در باند فرکانسی 690MHZ~1610MHz

 
کار میکنند مطرح شده بود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است این ماسک توان همچنین
 
برای سایر سیستمهای دولتی که عملکرد آنها در فاصلهی 3.1GHz~10.6GHz یعنی باندی که برای کاربرد داخلی UWB تعریف شده است نیز کاربرد دارد.
 
شکل -1 طرح ماسک توان برای سیستم UWB بر حسب فرکانس
 
بنا به تعریف FCC پهنای -10dB یک سیگنال UWB بزرگتر از %25 فر کانس مرکزی یا بزرگتر
 
از 1.5GHz میباشد. سیستمهای فرا پهن باند با عرض باند بیش از 7GHz در بازه فرکانسی 3.1GHz~10.6GHz با سطح توان مجاز -41.3dBm/MHz فعالیت میکنند. هر کانال رادیویی در این سیستمها بسته به فرکانس مرکزی خود میتواند عرض باندی بیش از 500MHz داشته باشد. طرح
 
انتقال OFDM1 به عنوان اولین کاندیدا برای UWB در مارچ 2003 در جلسهی گروهی IEEE 802.15.3a مطرح شد.
 
روش دیگری که برای انتقال مطرح شده استفاده از ارسالهای پالس بسیار کوتاه به همراه مدولاسیون قطبی است. مهمترین دلایل استفاده از استاندارد IEEE 802. 15.3a برای انتقال طرح چند بانده2 به شرح زیر است:
 
(1 انعطاف پذیری طیفی: استفاده از طرح چند بانده این امکان را برای سیستمها فراهم میکند که بتوانند به صورت همزمان با سیستمهای قدیمیتر کار کنند در حالیکه تخصیص یک باند پیوسته با استانداردهای قدیمی ممکن است محدودیتهای زیادی ایجاد کند.
 
(2 انرژی جمع آوری شده در هر بازه فرکانسی با افزایش پهنای باند افزایش می یابد، در نتیجه ترجیح بر کاهش تعداد این بازههای فرکانسی است.
 
(3 پهنای باند کم در گیرنده ها به کاهش مصرف توان میکسر و نیاز به خطی بودن آن کمک می کند.
 
(4 یک ساختار تماًما دیجیتال برای پردازش سیگنال نسبت به یک ساختار تک بانده در همان باند فرکانسی قابل دسترستر میباشد.
 
(5 شکل دهی آسانتر پالسها در فرستنده: ترکیب پالسهای طولانیتر در فرستندهها به سادگی انجام میشود، همچنین میزان اعوجاج سیگنالها به هنگام عبور از تراشهها کاهش محسوسی مییابد.
دو طرح کلی در یک سیستم انتقال چند بانده موجود است: طرح پالسی وطرح .MBOA1
 
گروه کاری IEEE 802. 15.3a در حال حاضر بر روی گسترش استانداردهای مربوط به UWB
 
برای تخصیص و استفاده از باند وسیع فرکانسی آن کار میکند. از دو روش گفته شده در بالا طرح چند بانده MBOA از مدولاسیون تقسیم فرکانسی قائم2 در باند فرکانسی با پهنای باند 528MHz برای انتقال اطلاعات استفاده میکند. با وجود اینکه این روش، راه حل مناسبی برای حل مشکل تداخلات چند مسیره است اما از طرف دیگر احتیاج به سیستمهای پیچیدهتر با میزان خطی بودن بیشتر و یا یک سیستم کدینگ دارد.
 
طرح دنباله مستقیم3 در استاندارد IEEE 802. 15.3a از ارسال پالسهایی با پهنای باند 2.1GHz که بوسیلهی سوئیچزنی باینری مدوله شدهاند استفاده می کند. با این وجود این سیستم نیز به همان اندازه سیستمهای قبلی از پیچیدگی و مصرف توان برخوردار است.
 
به دلیل آنکه سیستمهای UWB سیستمهایی با همپوشانی فرکانسی نسبت به تداخلات داخلی باند میباشند طبق استاندارد FCC توان خروجی بسیار کمی نسبت به سیستمهای فرکانسی باند باریک با باند فرکانسی یکسان دارند. بنابراین برعکس اثرات تداخلی بسیار کمی که سیگنالهای UWB بر روی سیستمهای باند باریک دارند خود به شدت تحت تاثیر این سیستمها قرار میگیرند، به عنوان مثال برای جلوگیری از تداخل سیگنال های یک سیستم 802.11 در فاصله یک متری و دمدولاسیون یک سیگنال
 
UWB در فاصلهی ده متری، احتیاج به 65dB تضعیف در صورت عدم وجود فیلترینگ در بخش باند
 
 
پایه داریم. برای جلوگیری از چنین تداخلاتی سیستمهای UWB معمولاً باند U-NII (5.725GHz~5.825GHz) را فیلتر کرده و از آن استفاده نمیکنند.
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

:
 
رشد سریع تکنولوژی و پیشرفت موفق تجاری مخابرات بی سیم روی زنـدگی روزمـره ی مـا تـاثیر قابل توجهی گذاشته است. امروزه بهکار بردن میکسرهای فرکانس بالا در سیستم های ارتباطاتی بیسـیم، دارای اهمیت خاصی میباشد. میکسرها یکی از اجزای اساسـی گیرنـده در مخـابرات بـیسـیم محسـوب میشوند. اجرای میکسرهای پایین آورنده1 در گیرنده ها به لحاظ وجود نویز و تضعیف در سیگنال دریافتی از اهمیت بیشتری برخوردار است.
هدف اصلی این پایان نامه، تحلیل و طراحـی میکسـر بـرای کـاربرد در بانـد فرکانسـی فـراپهن (UWB) و با استفاده از تکنولوژی CMOS می باشد. ابتدا عملکرد یک میکسر توزیع شده بررسی شده، سپس مدار میکسر پیشنهادی توزیع شده، ارایه می گردد. میکسر پیشنهادی دارای بهـره ی تبـدیل 3dB، IIP3 برابر 5/5dBm، عدد نویز 7dB، پهنـای بانـد 3 تـا 10 گیگـاهرتز و تـوان مصـرفی 52 میلـی وات میباشد. میکسر فراپهن باند توزیع شدهی پیشنهادی با استفاده از تکنولوژی CMOS 0/18μm با منبع تغذیه 1/8 ولت طراحی شده است.
 

 
رشد سریع تکنولوژی و گذار از مخابرات آنالوگ به دیجیتال، ترقی سیستم های رادیویی بـه نسـل سوم و چهارم و جانشینی سیستم های سیمی با Wi-Fi و Bluetooth مشـتریان را قـادر مـی سـازد بـه گستره ی عظیمی از اطلاعات از هرجا و هر زمان دسترسی داشته باشند. مخابرات UWB برای اولین بـار در دهــهی 1960 معرفــی شــد و در ســال 2002، FCC1 رنــج فرکانســی 3.1~10.6GHz را بــرای کاربردهای UWB معرفی و توان انتقال آنرا به -41.3dBm محدود کرد، بدین معنا کـه سیسـتمهـای
 
UWB روی فراهم کردن: توان کم، قیمت کم و عملکرد باند وسیع در مساحت کوتـاه تمرکـز کردنـد. در مقایسه با کاربردهای باند باریک طراحی المانها در سیستمهای UWB بسیار متفاوت و مشکل است.
 
یکی از بلوكهای مهم در گیرندههای UWB میکسرها هستند کـه بـرای تبـادل اطلاعـات بـین تعداد زیادی کانال مشابه UWB نقش کلیدی دارند. اهمیـت عملکـرد میکسـر بـه عنـوان یـک مبـدل فرکانس، در تامین فرکانسهای کاری مناسب با پایداری و نـویز مطلـوب اسـت. میکسـر مـیبایسـتی: (1
بهرهی تبدیل بالا، که اثرات نویز در طبقات بعدی را کاهش دهـد، (2 عـددنویز کوچـک، کـه LNA را از داشتن یک بهرهی بالا راحت کند و (3 خطی بودن بالا، که رنج دینامیک گیرنده را بهبود بخشد و سطوح اینترمدولاسیون2 را کاهش دهد. هر کارایی بایستی توسط مصالحه در طراحی میکسر بهدست آید. میکسر سلول گیلبرت با برخی تغییرات در ساختار آن نتایج قابل قبـولی بـرای کـاربرد در سیسـتمهـای UWB
 
بهدست میدهد.
 
دستیابی همزمان به بهره ی تبدیل و خطی بودن بـالا کـه افـزایش یکـی باعـث کـاهش دیگـری می گردد یکی از چالش های طراحی میکسر می باشد، در کارهایی کـه تـا کنـون انجـام شـده تمرکـز روی دستیابی یکی از این دو بوده به طوریکه یا میکسری غیر فعال با خطی بودن قابل قبـول و یـا میکسـری فعال با خطی بودن کم ارائه شده است. تطبیق امپدانس در کل رنج فرکانسی 7 گیگا هرتـزی و همچنـین عدد نویز پایین از دیگر پارامترهای مهم طراحی میکسر میباشد.
 
9 اهداف پایان نامه
 
در این پایان نامه با بررسی میکسرهای فراپهن باند و مقایسهی آنها از نظر ساختار، بهرهی مدار، عدد نویز، تطبیق در ورودی و خروجی و خطی بودن، سـاختار مناسـب بـرای یـک میکسـر فـراپهن بانـد پیشنهاد شده و از لحاظ کارکرد در سیستمهای UWB بررسی گشته است.
 
بر خلاف کارهایی که تا کنون در این زمینه صورت گرفته که بر بهبود یکی از پارامترهای بهـره ی تبدیل یا خطی بودن میکسر تاکید شده، در اینجا سعی شـده اسـت تـا ضـمن دسـتیابی بـه هـر دو ایـن پارامترها در اندازههای قابل قبول برای گیرندهها، کل پهنای باند سیستمهای UWB پوشش داده شود.
 
بر این اساس در فصل اول سیستم های فراپهن باند بطور کامل معرفـی و بررسـی مـی گـردد، در فصل دوم به بررسی انواع میکسر، نحوهی عملکرد و کاربرد آنها پرداختـه شـده، در فصـل سـوم سـاختار میکسرهای توزیع شده، مشخصات و تکنیکهای بهبود کارایی آنها و در فصل چهارم اعوجـاج و نـویز در میکسر بررسی گردیدهاند. در فصل پنجم ساختار میکسر فراپهن باند طراحی شده بـه طـور مفصـل شـرح داده شده است. در فصل ششم نتیجهگیری و پیشنهادات و فصل هفتم نیز منابع و مأخذ مورد استفاده بـه تفکیک درج شدهاند.
 
.1  فصل اول: سیستمهای فراپهن باند (UWB)
 
1-1   تاریخچه تکنولوژی فراپهن باند UWB
 
در طول دهههای اخیر پیشرفت سریع ارتباطات باعث ایجاد تقاضا برای قطعات بهتـر و ارزانتـر و همچنین تکنولوژیهای پیشرفتهتر شده است. افزایش تقاضا برای انتقال سریع و افزایش نرخ اطلاعـات در عین مصرف کم توان تاثیرات شگرفی را بر تکنولوژی ارتباطات ایجاد کرده است. در هر دو بخش مخابرات بیسیم و سیمی این گرایش منجر به استفادهی هرچه بیشتر از مدولاسیونهایی با استفادهی بهینـهتـر از طیف فرکانسی و یا افزایش پهنای کانالها گشته است. این روشها به همـراه روشهـای مهندسـی بـرای کاهش توان، به منظور تولید تراشه های ارزان و با مصرف توان کم در صنعت استفاده میشود.
 
افزایش و گسترش استانداردها نه تنها باعث شده که سیستمها با طیفهای شلوغتری از لحاظ فرکانسی روبرو باشند بلکه باعث شده است تا سیستمها به سوی چند استاندارده بودن سوق داده شده و قابلیت انطباق با استانداردهای مختلف را داشته باشند. در حقیقت این پیشرفت تکنولوزی منجر به طراحی و تولید دستگاههایی شده است که قابلیت کارکرد در باندهای وسیعتری را داشته باشند، مانند تکنولوژی فرا پهن باند . (UWB)
 
تکنولوژی فراپهن باند (UWB) در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفتـه اسـت. مـیتـوان گفت که شروع استفاده از دانش UWB مربوط به انتهای قرن نوزدهم می باشد. اولین سیستم بی سیم که توسط گاگلیرمو مارکونی1 در سال 1987 نمایش داده شد، خصوصیات رادیوی فـراپهن بانـد را دارد. رادیـو ساخته شده توسط مارکونی از پهنای باند وسیعی برای انتقال اطلاعات بهره می گرفت. اولین فرستنده

 های جرقه ای مارکونی فضای زیادی از طیف (از فرکانس هـای بسـیار پـایین تـا فرکـانس هـای بـالا) را اشـغال می کردند. همچنین این سیستم ها به طور غیراتوماتیک از پردازش زمان اسـتفاده مـی نمودنـد. چـون کـد مورس توسط اپراتورهای انسانی ارسال و دریافت می شد. پس از آن مفهوم UWB مجدداً در دهـه 1960

 
برای ساخت رادارهای ایمن در برابر تداخل با مصرف توان کم مورد توجه قرار گرفت .[1]
 
در اوایل پیدایش ، UWB به نامهای Carrier free ، باند پایه یا ضربه رایج بود که در حقیقت متضمن این نکته بود که استراتژی تولید سیگنال نتیجه یک پالس با Rise time بسیار سریع و یـا یـک ضربه میباشد که یک آنتن باند پهن را تحریک میکند. در اوایل سال 2002 میلادی تکنولوژی باند بسیار پهن (UWB) برای کاربردهای تجاری تصویب شد. این تکنولوژی جدید شـیوه ی جدیـدی در ارتباطـات بدون سیم ابداع کرد:”استفاده از حوزه زمان به جای حوزه فرکانس”.
 
تکنولوژی فرا پهن باند (UWB) به شیوهی کاملاً متفاوتی از سایر تکنولوژی ها از بانـد فرکانسـی استفاده میکند. این سیستمها از پالسهای باریک و پـردازش سـیگنال در حـوزهی زمـانی بـرای انتقـال
 
اطلاعات استفاده میکنند، بدین صورت سیستمهـای فـرا پهـن بانـد (UWB) قادرنـد در بـازهی زمـانی مشخص اطلاعات بیشتری را نسبت به سیستمهای قدیمیتر منتقل کنند زیرا حجـم انتقـال اطلاعـات در سیســتمهــای مخــابراتی بــه صــورت مســتقیم بــا پهنــای بانــد تخصــیص یافتــه و لگــاریتم SNR (Signal to Noise Ratio) متناسب است. استفاده از یک پهنای بانـد خیلـی وسـیع چنـدین مزیـت دارد: ظرفیت بالا، مخفی بودن، مقاومت در برابر مسدود شدن و همزیستی با سایر سیستم های رادیویی.
 
پایه و اساس سیستم های نوین فراپهن باند در دهه 80 توسط راس و با کار انجـام شـده در مرکـز تحقیقاتی Sperry بنیان گذاشته شد. تأکید بر استفاده از UWB بـه عنـوان یـک ابـزار تحلیلـی بـرای کشف خصوصیات شبکه های مایکروویو و خصوصیات ذاتی مـواد بـود. ایـن تکنیـک هـا بـه طـور منطقـی گسترش یافتند تا تحلیل و تولید تجربی المان های آنتن را انجام دهند. موفقیـتهـای اولیـه باعـث تولیـد سیستمی خانگی شد تا خصوصیات پاسخ ضربه اهداف یا موانع را اندازهگیری کند.
 
با افزایش درخواست کاربران برای ظرفیت بالاتر، سرویس های سریعتر و مخابرات بی سیم امن تـر، تکنولوژی های جدید مجبورند جایگاه خود را در طیف فوق العاده شلوغ و امن رادیـویی بیابنـد. بـه دلیـل اینکه هر تکنولوژی رادیویی یک بخش خاص از طیف را اشغال میکند و با معرفی سـرویس هـای جدیـد رادیویی محدودیت دسترسی طیف RF سخت گیرانه تر شده است. در این شرایط تکنولـوژی UWB یـک راه حل نوید بخش برای محدودیت دسترسی به طیف RF با اجازه به سرویس های جدید برای هم زیستی با سیستمهای رادیویی جاری با تداخل حداقل یا بدون تداخل است.
در فوریه ی سال 2002، FCC اولین طراحی و استاندارد مربوط بـه بانـدها و تـوان مجـاز بـرای کاربران UWB را صادر کرد. بدین ترتیب باند فرکانسی 3.1GHz تا 10.6GHz به UWB اختصـاص یافت. در همین زمان FCC مجوزی صادر کرد که حدود و میزان تشعشع عمدی یا سهوی دسـتگاه هـای مخابراتی در باندهای مختلف را مشخص نمود. این تشعشع مجاز در باندهای مورد استفاده، مبنـایی بـرای طراحی دستگاه های UWB شد. با گسترش تحقیقات در این زمینه، IEEE کمیتـه ی مخصوصـی بـرای استاندارد سازی این سیسـتم هـا تحـت عنـوان 802.15.3.x تشـکیل داد. شـکل 1-1 تاریخچـه ی ایـن تکنولوژی را به اختصار نشان میدهد .[2]
 
 
 
شکل 1-1 تاریخچهی تکنولوژی فراپهن باند
 
 
در اولین گام FCC توان خروجی سیستم های UWB را به -41.3dBm/MHz محدود کرد، این محدودیت این امکان را برای سیستم های UWB ایجاد میکند که بدون اینکه توان سیگنال خروجی آنها توسط سیستمهای باند باریک مجاور احساس شود از پهنای باند وسیعی برای انتقال اطلاعات خود استفاده کنند. محدودیت هایی که برای توان انتشار این سیستم ها ایجاد شد ، عمدتاً محدودیتهایی بودند که برای حفاظت از سیستم GPS و سایر سیستم های دولتی که در باند فرکانسی 690MHZ~1610MHz کار میکنند مطرح شده بود. همانطور که در شکل 2-1 نشان داده شده است این ماسک توان همچنین برای سایر سیستمهای دولتی که عملکرد آنها در فاصلهی 3.1GHz~10.6GHz
 
یعنی باندی که برای کاربرد داخلی UWB تعریف شده است نیز کاربرد دارد.
 
شکل 2-1 طرح ماسک توان برای سیستم UWB بر حسب فرکانس [3]
 
بنا به تعریف FCC پهنای باند -10dB یک سیگنال UWB بزرگتر از %25 فرکانس مرکزی یا بزرگتر از 1.5GHz میباشد. سیستمهای فرا پهـن بانـد بـا عـرض بانـد بـیش از 7GHz در بـازه فرکانسـی
 
3.1GHz~10.6GHz با سطح توان مجاز -41.3dBm/MHz فعالیت مـیکننـد. هـر کانـال رادیـویی در ایـن سیستمها بسته به فرکانس مرکزی خود میتواند عرض بانـدی بـیش از 500MHz داشـته باشـد. طـرح
 
انتقال OFDM1 به عنوان اولین کاندیـدا بـرای UWB در مـارچ 2003 در جلسـهی گروهـی IEEE 802.15.3a مطرح شد.
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

 
یک موج سطحی صوتی 1 SAW یک نوع حرکت موج مکانیکی می باشد که در طول سـطح یـک مـاده
 
جامد حرکت می کند. این موج در سال 1885 به وسیله لرد رایلی کشف شد و پـس ازآن بـه ایـن نـام
 
 
نامیده شد. رایلی نشان داد که امواج SAW می توانند مؤلفه ای از سیگنال مرتعش مربوط بـه زلزلـه را
 
به خوبی توصیف کنند. امروزه این امواج صوتی اغلب در دستگاه های الکترونیکی استفاده می شـوند. در
 
 
نگاه اول استفاده از یک موج صوتی در کاربردهای الکترونیکی عجیب به نظر می رسد؛ اما امـواج صـوتی
 
 
مشخصات ویژه ای دارند که آنها را برای کاربردهای خاصی مناسب می سازند. این امواج اسـتفاده هـای
 
 
متعارفی دارند. دربسیاری از ساعت های مچی از کریستال به عنوان یـک رزونـاتور صـوتی بـرای تولیـد
 
 
فرکانس صحیح استفاده می شود، اگر چه دراین رزوناتور از امواج صوتی bulk بیشتر از امـواج سـطحی
 
 
استفاده می شود.
 
 
یــک دســتگاه SAW ابتــدایی در شــکل 1-1 نــشان داده شــده اســت کــه شــامل 2 ترانــسدیوسر
 
اینتردیجیتــالIDT 2 بــر روی یــک زیــر لایــه3 فیزوالکتریــک ( ( Piezoelectric  هماننــد کــوارتزمی
 
 
باشد. IDT شامل الکترودهای فلزی تو در تو است که برای ارسال1 و دریافت امواج استفاده مـی شـوند
 
به طوری که یک سیگنال الکتریکی به یک موج صوتی و سپس به الکتریکـی تبـدیل مـی شـود. مزیـت
 
 
عمده ای که این امواج نسبت به سایر امواج دارند این است کـه بـسیار آرام حرکـت مـی کننـد ( مـثلاً
 
 
300m / s )، چنان که تاخیرهای بزرگی را می توانند ایجاد کنند. از آن جـایی کـه شـکل IDT قابلیـت
 
 
تغییرات بسیارزیادی را دارد، در نتیجه دستگاه های متنوعی را مـی تـوان بـا اسـتفاده از ایـن خاصـیت
 
 
ساخت. اوایل سـال 1970 دسـتگاه هـای SAW بـه منظـور فـشرده سـازی پـالس رادار، اسـیلاتورها و
 
فیلترهای میان گذر در تلویزیون هـای خـانگی و رادیوهـای حرفـه ای تولیـد شـدند. فیلترهـای جدیـد
 
 
SAWبا کارآیی بالا وارد بازار شده اند و تعداد بسیار زیادی (حدود 3 بیلیون در سال) نیز در حال تولید
 
می باشند.
 
شکل .1-1 دستگاه SAW مبنا
 
 
شکل 2-1 حرکت امواج SAW در طول سطح یک ماده جامد1  را نشان می دهد. هنگامی که موج
 
SAW از این سطح عبور می کند، هریک از اتم های ماده یک مسیر بیضی شکلی را طی می کند، در
 

حالی که این مسیر برای هر دوره از حرکت موج تکرار می شود. هر چه قدر به عمق نفوذ می کنیم اتم
 
 
های کمتری از سطح جا به جا می شوند. بنابراین، این موج در امتداد سطح هدایت می شود. در ساده
 
ترین حالت (یک ماده ایزوتروپیک)، اتم ها در سطحی معروف به صفحه جهتی2  حرکت می کنند.
 
صفحه جهتی، صفحه ای معمولی است که انتشار در آن در جهت مشخصی می باشد.
 
شکل.2-1 حرکت موج سطحی در طول سطح
 
 
2-1 پدیده Piezoelectricity
 
در دستگاه های الکترونیکی، لازم است که موج های SAW را از یک سیگنال الکتریکـی ورودی تولیـد
 
کنیم و سپس ازاین موج SAW برای تولید سیگنال الکتریکـی خروجـی اسـتفاده کنـیم. عمـل تغییـر
 
الکتریکی به صوتی یا صوتی به الکتریکی تبدیل1 نامیده می شود. به منظور توصیف این پروسه، در ابتدا
 
باید خاصیت Piezoelectricity را شرح دهیم که مشخصه بسیاری از مواد جامد می باشد. در یـک مـاده
 
 
فیزوالکتریک مکانیزمی وجود دارد که بین اختلالات الکتریکـی و مکـانیکی نـوعی تطبیـق و همـاهنگی
 
 
ایجاد می کند. از این رو استفاده از میدان الکتریکی، نیروها و کشش هـای مکـانیکی ایجـاد مـی کنـد.
 
 
برعکس، یک تغییر مکانیکی، به عنوان مثال تغییر در فشار، میدان الکتریکی و در نتیجه ولتاژ ایجاد می
 
 
کند.
 
پدیده Piezoelectricity در بسیاری از مواد اتفاق می افتد، اما این ماده بایـد 2 anisotropic باشـد، بـه
 
طوری که مشخصه های آن به جهت قرارگیری اتم ها در داخل ماده بستگی دارد. معمولاً این به معنای
 
 
آن است که از مواد کریستالی باید استفاده شود. مواد تشکیل دهنده متداول SAW ها کریستال هـای
 
کوارتز، لیتیم نیوبیت یا لیتیم تانتالیت است که همگی فیزوالکتریک مـی باشـند. در ایـن کریـستال هـا
 
 
حرکت موج SAW مشابه حرکت موج درحالت ایزوتروپیک می باشد با این تفاوت کـه همـراه بـا مـوج
 
 
2 این ماده دارای مشخصات فیزیکی مختلف در سطوح مختلف اندازه گیری می باشد.
 
فصل اول: آشنایی با فیلتر SAW                                                                                                ٨
 
یک میدان الکتریکی نیز وجود دارد. از طرف دیگرچون ماده ناهمـسانگرد مـی باشـد؛ یعنـی مشخـصات
 
 
SAW به جهتی که در آن زیر لایه از ماده اصلی برش داده شده بستگی دارد؛ بنابراین جهت برش باید
 
مشخص شود. نمونه ای از این برش ها در شکل 3-1 نشان داده شده است.
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

 
روش های عددی ابزاری بسیار مفید در شبیه سازی مسائل الکترومغناطیسی هستند.  از این رو می توان
 
 
به روش ممان، روش عنصر محدود و روش تفاضلات محدود در حوزة زمان به عنوان مهم ترین این روش
 
 
ها اشاره کرد.  روش عددی FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازی انواع شکل های پیچیده، بدون
 
 
نیاز به حل ماتریس های بزرگ، معادلات غیر خطی و معادلات انتگرالی پیچیده، نسبت به سایر روش
 
 
های ذکر شده از مزایایی برخوردار است.  همچنین با استفاده از این روش می توان با یک بار اجرای
 
 
برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت بررسی را در باند وسیعی در اختیار داشت.
 
فصل اول :
 
معرفی روش FDTD
 
فصل اول: معرفی روش FDTD

 
روش های عددی ابزاری بسیار مفید در شبیه سازی مسائل الکترومغناطیسی هستند. از این رو می توان
 
 
به روش ممان، روش عنصر محدود و روش تفاضلات محدود در حوزة زمان به عنوان مهم ترین این روش
 
ها اشاره کرد. روش عددی 1 FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازی انواع شکل های پیچیده، بدون
 
نیاز به حل ماتریس های بزرگ، معادلات غیر خطی و معادلات انتگرالی پیچیده، نسبت به سایر روش
 
 
های ذکر شده از مزایایی برخوردار است. همچنین با استفاده از این روش می توان با یک بار اجرای
 
 
برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت بررسی را در باند وسیعی در اختیار داشت. به طور کلی می توان با
 
 
یک بار اجرای برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت بررسی را در اختیار داشت. به طور کلی می توان به
 
 
مزایای این روش نسبت به سایر روش های عددی اینچنین اشاره کرد.
 
 
١- این روش نیاز به حل معادلات انتگرالی ندارد و مسائل پیچیده بدون نیاز به معکوس سازی
 
 
ماتریس های بزرگ قابل حل هستند.
 
 
٢- این روش برای استفاده در ساختارهای پیچیده، غیر همگن هادی یا دی الکتریک ساده است،
 
 
زیرا مقادیر ε، μ و σ در هر نقطه از شبکه قابل تعریف است.
 
٣- نتایج حوزه فرکانس با استفاده از نتایج حوزه زمان بسیار ساده تر از روش معکوس گیری از
 
 
ماتریس به دست می آیند. بنابراین نتایج باند وسیع فرکانسی به راحتی محاسبه می شوند.
 
 
٤- این روش موجب استفاده از حافظه به صورت ترتیبی می شود.
 
 
اما این روش دارای معایبی نیز هست که عبارتند از:
 
 
١- مش بندی اجسام پیچیده دشوار است.
 
 
٢- از آن جایی که شبکه به شکل چهار گوش است، مسائل با سطوح منحنی را در بر نمی گیرد و
 
 
در مدل سازی آن با این روش با خطا مواجه خواهیم شد.
 
 
٣- در الگوریتم های تفاضل محدود، مقادیر میدان ها فقط در گره های شبکه مشخص است.
 
 
٤- برای دست یابی به دقت بالا در محاسبات، نیاز به اجرای برنامه در تعداد گام زمانی زیاد است که
 
 
سبب کندتر شدن اجرای برنامه می شود.
 
 
چند دلیل افزایش علاقه مندی به استفاده از FDTD و روش های حل محاسباتی مربوطه اش برای
 
 
معادلات ماکسول وجود دارد.
 
 
FDTD -1  از جبر غیر خطی استفاده می کند. با یک محاسبه کاملاً ساده، FDTD از مشکلات جبر
 
 
خطی که اندازة معادله انتگرالی حوزة فرکانس و مدل های الکترومغناطیسی عنصر محدود را به کمتر
 
 
از 106 میدان نامشخص الکترومغناطیسی محدود می کند؛ اجتناب می کند. مدل های FDTD با 109
 
 
میدان ناشناخته، اجرا می شوند.
 
FDTD -2 دقیق و عملی می باشد. منابع خطا در محاسبات FDTD به خوبی شناخته شده اند و این
 
 
خطاها می توانند محدود شوند به گونه ای که مدل های دقیقی را برای انواع مسائل عکس العمل موج
 
 
الکترومغناطیسی فراهم کنند.
 
 
FDTD -3 طبیعتاً رفتار ضربه ای دارد. تکنیک حوزة زمان باعث می شود تا FDTD به طور مستقیم
 
 
پاسخ ضربه یک سیستم الکترومغناطیسی را محاسبه کند. بنابراین شبیه سازی FDTD می تواند شکل
 
 
موج های زمانی بسیار پهن باند یا پاسخ های پایدار سینوسی را در هر فرکانسی در طیف تحریک فراهم
 
 
کند.
 
 
FDTD -4 طبیعتاً رفتار غیر خطی دارد. با استفاده از تکنیک حوزة زمان، FDTD پاسخ غیر خطی یک
 
 
سیستم الکترومغناطیسی را محاسبه می کند.
 
 
FDTD -5 یک روش سیستماتیک می باشد. با FDTD می توان به جای استفاده از معادلات انتگرالی
 
 
پیچیده از تولید مش برای مشخص کردن مدل یک ساختار جدید استفاده نمود. به عنوان مثال FDTD
 
 
نیازی به محاسبه توابع گرین مربوط به ساختار مورد نظر ندارد.
 
 
-6 ظرفیت حافظه کامپیوتر به سرعت در حال افزایش است. در حالی که این روش به طور مثبت تمام
 
 
تکنیک های عددی را تحت تاثیر قرار می دهد، این از مزیت های روش FDTD است که گسسته سازی
 
 
مکانی را روی یک حجم انجام می دهد، بنابراین نیاز به RAM بسیار زیادی دارد.
 
-7 توانایی مصور سازی کامپیوترها به سرعت در حال افزایش است. در حالی که این روش به طور مثبت
 
 
تمام تکنیک های عددی را تحت تاثیر قرار می دهد. این از مزیت های روش FDTD است که آرایه گام
 
 
های زمانی از مقادیر میدان را برای استفاده در ویدئو های رنگی برای نمایش حرکت میدان مناسب می
 
 
سازد.

 
-1-1 تاریخچه تکنیکFDTD  در معادلات ماکسول
 
 
جدول زیر بعضی از نشریات اصلی در این زمینه لیست شده اند که با مقاله Yee آغاز شده است.
 
 
بخشی از تاریخچه تکنیک FDTD برای معادلات ماکسول:
 
 
Yee :1966 اساس تکنیک عددی FDTD را برای حل معادلات کرل ماکسول در حوزة زمان و بر روی
 
 
شبکه مکانی مطرح کرد.
 
 
Taflove :1975 و Brodwin ملاك پایداری عددی را برای الگوریتم Yee و اولین روش FDTD حالت
 
 
پایدار سینوسی را از موج الکترومغناطیسی 2 و 3 بعدی در ساختار ماده را تشکیل دادند.
 
 
Holland :1977 و Kunz و Lee الگوریتم Yeeرا در مسائل EMP به کار بردند.
 
 
1891:    Mur شرط مرزی جذب ABC مرتبه اول و دوم را برای شبکه Yeeبه کار برد.
 
 
Choi : 1986 و Hoeffer شبیه سازی FDTD از ساختارهای موجبری را ارائه دادند.
 
Sullivan :1988  اولین مدل FDTD سه بعدی از جذب موج الکترومغناطیسی توسط بدن انسان را
 
 
ارائه داد.
 
 
:1988 مدل FDTD یک مایکرواستریپ توسط Zhing ارائه شد.
 
 
:1990-91 مدل FDTD از پرمیتیویتی دی الکتریک وابسته به فرکانس توسط Kashiva و Luebbers
 
 
و Joseph ارائه شد.
 
 
:1992 مدل FDTD از عناصر مداری الکترونیکی فشرده در دو بعد به وسیله Sui بیان شد.
 
Berenger :1994 شرط مرزی جذب 1 PML را برای شبکه های FDTD دو بعدی مطرح کرد که به
 
وسیله Katz به سه بعد و توسط Re uter به پایانه های موجبری تفرقی منجر شد.
 
 
Schneider :1999 و Wagner آنالیز جامعی از پراکندگی شبکه FDTD مربوط به عدد موج مختلط را
 
 
بیان نمود.
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

• طراحی تقویت کننده با ویژگی نویز پذیری پایین .

2. طراحی تقویت کننده با ویژگی پهنای باند وسیع .

3. طراحی تقویت کننده متعادل برای حصول بهره متوسط در باند وسیع .

 
توام بودن ویژگی های فوق در یک مدار تقویت کننده مایکروویو مستلزم طراحی مرحله به مرحله و استفاده از تکنیک های روتین طراحی و در نهایت جهت بهینه سازی پاسخ طراحی بدست آوردن ترکیب مناسبی از نمونه های طراحی می باشد .
 
.1-1   مدارات مایکروویو
 
فرکانس های مایکروویو بصورت قراردادی به فرکانس های 1 تا300GHz اطلاق می گردد یا به عبارت دیگر طول موج های رنج میکرون از نواحی مادون قرمز و نور مرئی را در خود دارد. با توجه به استاندارد
 
سازی انجام گرفته توسط IEEE یک مقیاس بندی در فرکانس های مایکروویو صورت گرفته است و
 
بعنوان نمونه در این پروژه هدف طراحی در باند X می باشد یعنی در رنج فرکانسی 8

~12GHz

 
طراحی انجام می گیرد .
 
با پیشرفت تکنولوژی رویکردی در تجهیزات مایکروویو انجام گرفته و استفاده از موجبرها ، خطوط هم محور یا خطوط نواری جای خود را به مدارات مجتمع در فرکانس های مایکروویو داده است که در اینجا به سه دسته از آن اشاره خواهیم کرد :
 
-1   مدارات مایکروویو گسسته. (MDCs) 1  یک مدار گسسته شامل عناصر جداگانه ای است که
 
توسط سیم های هادی به هم وصل می شوند. مدارات گسسته همچنان در سیستم های مایکروویو پرتوان بسیار مفید هستند .
-2   مدارت مجتمع مایکروویو یکپارچه. (MMICs) 2  یک مدار مجتمع مایکروویو یکپارچه
 
متشکل از یک تراشه بلور نیمه هادی واحد است که همه عناصر اکتیو و پسیو و اجزاء اتصالات بر روی آن ساخته و پرداخته می شوند. معمولاً در سیستم های ماهواره ای و رادار هواپیمایی که در آنها به تعداد زیادی مدار مشابه وجود دارد ، کاربرد دارد.
-3  مدارات مجتمع مایکروویو. (MICs)3  مدارات مجتمع مایکروویو ترکیبی از عناصر پسیو و
 
اکتیو هستند که در طی مراحل متوالی نفوذ بر روی یک زمینه نیمه هادی یکپارچه یا هایبرید ساخته می شوند. MMICها دارای چگالی بسیار بالایی هستند یکMIC به صورت هایبرید
 
یا یکپارچه ساخته می شود ، بکارگیری MICها در مدارات دیجیتال و سیستم های نظامی با توان مصرف کم وچگالی بسته بندی کم ، بسیار مفید است.
 
.1-1-1 عناصر مداری مایکروویو .
 
عناصر مداری مایکروویو به دو نوع تقسیم بندی می شوند :
 

1. مدارات عنصر فشرده. عبارت فشرده به معنی غیر متغیر بودن LوC با فرکانس ثابت بودن فاز موج در روی عنصر می باشد. در فرکانس های مایکروویو حجم عناصر فشرده بسیار کوچکتر از مدار معادل گسترده آن است.