ハイブリッドリングミキサとマッチング回路のコ・シミュレーション

アクティブなコンポーネントとシステムレベルのシミュレーションとの統合は、STUDIO SUTIE の特筆すべき特徴です。この記事では、トポロジに180ºのハイブリッド接合が用いられたミキサを取り上げます。まず MW STUDIO でハイブリッドのシミュレーションを行った後、DESIGN STUDIO でダイオードとマッチング回路との連携を考慮します。

MW STUDIO によるシミュレーションでは測定結果と比べ遜色の無い結果が出ています。また DESIGN STUDIO でのマッチング回路の最適化によって、全体的なパフォーマンスの向上が図られています。

図1: DESIGN STUDIO のダイオードを接続したハイブリッドミキサのMW STUDIO モデル

図1は MW STUDIO の 3D シミュレーションモデルです。ポストプロセスで、DESIGN STUDIO を使用してダイオードを付加しシミュレーションを行い、Sパラメータ、時間領域波形、周波数領域スペクトラムを得ます。

図2: 3D シミュレーションの S パラメータ結果

図 2 は 180ºハイブリッド接合の S パラメータのシミュレーション結果です。

図3: 3D 表面電流プロットのアニメーション

図 3 は、28GHz での表面電流をアニメーション化したものです。 MW STUDIO のアニメーションのファイルへの出力は、マクロを使用して、ごく平易に行えます。

図4: MW STUDIO/DESIGN STUDIO コ・シミュレーション
のスケマティックビュー

パッケージ寄生のコンポーネントのダイオードとミキシングのダイオードは、図4 に示すように DESIGN STUDIO上で表現されています。

図5: S パラメータ結果プロット。
DESIGN STUDIO コ・シミュレーションの結果（緑）と測定結果（赤）

図6: S パラメータ結果プロット。
DESIGN STUDIO コ・シミュレーションの結果（緑）と測定結果（赤）

前述の結果を図 5〜8 に表示します。 図5 と 6 で、シミュレーション結果は測定結果と良好な相関関係を示しています。

図7: IF ポートの時間領域電圧波形

図 7 の時間領域電圧波形から、デバイスが適正に動作していることが確認できます。 IF 周波数は RF および LO に比較して非常に低く設定され、時間領域波形での識別を容易にしています。 なお、180ºハイブリッドの設計周波数は 2.8GHz で、LO 周波数がマッチングしていなくてはなりません。 図 8 では、適正な動作条件を、IF ポートにおけるスペクトラム成分とともに示しています。

図8: 周波数領域スペクトラム

図 8 に示す通り、RF および LO 入力の高周波成分にあたる周波数で、出力のスペクトラムが確認されます。

図9: マッチング回路を接続させた DESIGN STUDIO モデル

図 9 に示すように、3 つのポート各々にインピーダンスマッチング回路接続することで、全体のパフォーマンスの向上を図ることができます。 マッチングエレメントの数値については、図5 と 6 のSパラメータから妥当な初期値を設定できそうですが、ただし 3 つのポートを同時に、しかも異なった周波数でマッチングさせる必要があります。 このようなタスクは困難で時間がかかるものとなりがちです。 ここでは DESIGN STUDIO に内蔵されたオプティマイザの使用により、最適なソリューションが生成されています。最適化された数値を図 9 に、最適化された S パラメータを図10 に示します。

図10: DESIGN STUDIO によるマッチング後の S パラメータ

最適化が良好に働いたことが、図10 から良く分かります。すべてのポートにおいて 60dB を超えるリターンロスとなりました。IF ポートのスペクトラムを再シミュレーションした結果プロットが図11 です。

図11: DESIGN STUDIO によるマッチング後の
IF ポートスペクトラムのシミュレーション結果

図11 から、ミキサのパフォーマンスはマッチング回路によって劇的に改善したことが分かります。出力スペクトラムは IF および RF/LO によって占められ、ハーモニクスは抑制されています。