การออกแบบตัวแปลงขึ้นและตัวแปลงลงคลื่นมิลลิเมตร (mmWave) เป็นส่วนประกอบสําคัญในระบบสื่อสารไร้สายสมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน 5G การสื่อสารผ่านดาวเทียม และระบบเรดาร์ ตัวแปลงเหล่านี้มีหน้าที่ในการเปลี่ยนสัญญาณระหว่างย่านความถี่ต่างๆ ทําให้สามารถส่งและรับสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านสเปกตรัม mmWave โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 24 GHz ถึง 100 GHz การออกแบบตัวแปลงขึ้นและลงต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ อย่างรอบคอบ เช่น ความเป็นเส้นตรงของสัญญาณ ตัวเลขสัญญาณรบกวน แบนด์วิดท์ และความเสถียรของความถี่ เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้งานความถี่สูง

บทความนี้อธิบายการออกแบบตัวแปลงคลื่นขึ้นมิลลิเมตรและตัวแปลงคลื่นลงมิลลิเมตรพร้อมตัวอย่าง ทั้งตัวแปลงคลื่นมิลลิเมตรและตัวแปลงลงเป็นส่วนหนึ่งของตัวรับส่งสัญญาณคลื่นมิลลิเมตร

แนวทางการออกแบบพื้นฐานสําหรับตัวแปลงขึ้นและตัวแปลงลง

ทั้งเครื่องส่งและเครื่องรับใช้เครื่องผสม RF ตั้งแต่หนึ่งเครื่องขึ้นไปสําหรับการแปลงความถี่ ในขณะที่เครื่องส่งสัญญาณทําการแปลงความถี่ขึ้นจึงเรียกอีกอย่างว่าตัวแปลงขึ้นในขณะที่เครื่องรับทําการแปลงความถี่ลงจึงเรียกว่าตัวแปลงลง แสดงในรูปที่ 1 ด้านล่าง

สําหรับ F_in เป็นความถี่อินพุต F_LO เป็นอินพุตออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่ และ F_out เป็นความถี่เอาต์พุตของมิกเซอร์ RF พวกเขาแสดงดังนี้

F_out = +/-m

F_in +/-n

F_LO

โดยที่ m และ n อยู่ในช่วงตั้งแต่ 0,1,2,3...

เครื่องผสม RF สร้างผลรวมและความแตกต่างของความถี่อินพุต ส่วนประกอบที่เหมาะสมจะถูกกรองออกตามความต้องการในระบบดังที่แสดง

การออกแบบตัวแปลงคลื่นมิลลิเมตร

ก่อนที่เราจะเจาะลึกการแปลงคลื่นขึ้นมิลลิเมตร ให้เราทําความเข้าใจแนวทางการออกแบบที่ใช้ในตัวแปลงแบนด์อัพ C

รูปที่ 2 แสดงการออกแบบพื้นฐานของตัวแปลงขึ้นที่ความถี่ย่านความถี่ C

การออกแบบใช้สถาปัตยกรรมเฮเทอโรไดน์ซึ่งใช้เครื่องผสม RF สองตัวในห่วงโซ่แทนที่จะเป็นโฮโมไดน์ที่ใช้เครื่องผสม RF หนึ่งตัว

• มิกเซอร์ตัวแรกแปลงความถี่ IF (52 ถึง 88 MHz) เป็น 1182.5 +/- 18 MHz โดยใช้ความถี่ Local Oscillator ที่ 1112.5 MHz
• มิกเซอร์ตัวที่สองแปลงความถี่ IF นี้เป็นความถี่ RF ในช่วง 5925 ถึง 6425 MHz โดยใช้ซินธิไซเซอร์ RF ที่ 4680 ถึง 5375 MHz
• ในระหว่างนั้น แผ่นแอมพลิฟายเออร์และตัวลดทอน (3 dB หรือ 6 dB) จะใช้เพื่อตอบสนองความต้องการจุดบีบอัดเอาต์พุต/อินพุต P1dB ของมิกเซอร์และอุปกรณ์แอมพลิฟายเออร์อื่นๆ ในห่วงโซ่
• ตัวแยกใช้เพื่อส่งสัญญาณในทิศทางไปข้างหน้าเท่านั้นและปิดกั้นสัญญาณในทิศทางย้อนกลับ
• GCN คือ "เครือข่ายควบคุมเกน" เป็นตัวลดทอนแบบไดโอด PIN ที่ใช้ในการเปลี่ยนกําลังขับของตัวแปลงขึ้น มีตัวลดทอนดิจิตอลที่ใช้เพื่อจุดประสงค์เดียวกัน
• ตัวกรอง RF ใช้ในขั้นตอนต่างๆ ในห่วงโซ่ตัวแปลงขึ้นเพื่อกรองความถี่ที่ต้องการและปฏิเสธความถี่ที่ไม่ต้องการ ตัวอย่างเช่นที่อินพุต LPF ใช้เพื่อส่งความถี่ต่ําในช่วงตั้งแต่ 52 ถึง 88 MHz ในสเตจกลางหลังจากมิกเซอร์ตัวแรกจะใช้ BPF 1182.5+/-18 MHz หลังจากมิกเซอร์ตัวที่สองจะใช้ BPF ของช่วง 5925 ถึง 6425 MHz เป็นต้น

รูปที่ 3 แสดงการออกแบบตัวแปลงคลื่นขึ้นมิลลิเมตร ใช้เครื่องผสมเดียวสําหรับการแปลง RF ขึ้น ความถี่ LO จะถูกคูณและส่งผ่านไปยังเครื่องผสม RF เป็นอินพุตเพื่อเอาชนะด้วยอินพุต IF เอาต์พุตมิกเซอร์ RF จะถูกส่งผ่านตัวแยกและ BPF ก่อนที่จะถูก amplified โดย PA (Power Amplifier) ใช้ตัวแยกอีกหนึ่งตัวหลังจากตัวคูณตามที่แสดงเพื่อหลีกเลี่ยงการสะท้อนของสัญญาณ LO กลับ

ตัวอย่าง:

• ความถี่อินพุต IF: 11 ถึง 16 GHz
• สังเคราะห์ LO : 16.3 GHz ถึง 18.3 GHz ซึ่งคูณด้วย 3 เท่า
• ความถี่เอาต์พุต RF: 57 ถึง 64 GHz

การออกแบบตัวแปลงคลื่นลงมิลลิเมตร

ให้เราทําความเข้าใจการแปลงแบนด์ดาวน์ C ก่อนที่เราจะเจาะลึกการออกแบบตัวแปลงคลื่นลงมิลลิเมตร

รูปที่ 4 แสดงแผนภาพเส้นพื้นฐานของตัวแปลงดาวน์ที่ใช้สําหรับความถี่ย่านความถี่ C การออกแบบขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมเฮเทอโรไดน์ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นในห่วงโซ่การแปลงขึ้น

ในขั้นต้น เครื่องผสม RF ตัวแรกจะแปลงความถี่ RF (3700 ถึง 4200 MHz) เป็นความถี่ IF (1042.5 +/- 18 MHz) เครื่องผสม RF ตัวที่สองแปลงความถี่ IF เป็นเอาต์พุตความถี่ IF เบสแบนด์ (52 ถึง 88 MHz)

รูปที่ 5 แสดงตัวแปลงคลื่นลงมิลลิเมตรโดยใช้วิธีการผสม RF เดียว ใช้เครื่องผสม RF ตัวเดียวสําหรับการแปลงลง

สรุป

การออกแบบตัวแปลงขึ้นและตัวแปลงลงคลื่นมิลลิเมตรเป็นกุญแจสําคัญในการปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของเทคโนโลยี mmWave ในระบบสื่อสารไร้สายความเร็วสูงและระบบเรดาร์ เมื่อเทคโนโลยี mmWave ก้าวหน้า การพัฒนาตัวแปลงสัญญาณรบกวนต่ําประสิทธิภาพสูงจะยังคงเป็นจุดโฟกัสในการปรับปรุงความสมบูรณ์และประสิทธิภาพของสัญญาณในระบบสื่อสารยุคหน้า การออกแบบตัวแปลงที่เชื่อถือได้จะเป็นเครื่องมือในการตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสําหรับอัตราข้อมูลที่เร็วขึ้นแบนด์วิดท์ที่สูงขึ้นและการเชื่อมต่อที่เพิ่มขึ้นในเครือข่ายไร้สายในอนาคต