Pencampur tolakan imej (IRM) yang lazim adalah terdiri daripada sebuah antena,
sebuah pengganding hibrid berfrekuensi radio (RF), penguat hingar rendah (LNA),
sebuah sumber pengayun tempatan (LO) luar, pencampur-pencampur, penapispenapis
berfrekuensi perantaraan (IF), dan sebuah pengganding hibrid IF.
Penggunaan pengganding hibrid RF dan LO luar bukan sahaja mengambil ruangan
besar, sambungan antara LO dan pencampur serta sambungan antara pengganding
hibrid RF dengan antena dan pencampur juga menyebabkan pelesapan kuasa.
Kelemahan ini akan menjejaskan prestasi system keseluruhannya. Sehubungan ini,
penyelidikan ini memperkenalkan sebuah seni bina baru yang tidak memerlukan
pengganding hibrid RF dan LO luar, ia diberikan nama ‘Pencampur Tolakan Imej
Berayun Sendiri Bersepadu Aktif (AISOIRM)’. Objektif-objektif penyelidikan ini
ialah membenamkan sebuah antena bersepadu aktif (AIA), sebuah pencampur
berayun sendiri (SOM), sebuah IRM bersama-sama ke dalam satu platform, dan
selanjutnya, melaksanakan, mencirikan, serta menilaikan reka bentuk ini demi
memastikan prestasinya setanding dengan prestasi IRM yang lazim. Sebagai kerja
pembuktian konsep, penyelidikan ini merealisasikan seni bina AISOIRM dengan
operasinya dalam jalur Industri, Saintifik, dan Perubatan (ISM) 2.4 GHz. RFnya
ditetapkan pada 2.4 GHz dan frekuensi LOnya ialah 2.5 GHz. Dengan ini, IF yang
ditukar-turunkan ialah 100 MHz. Dua jenis topologi yang berlainan telah
direkabentukkan. Satu menggunakan sebuah antena aktif berbentuk E yang
menyokong fungsi sebuah pembahagi kuasa RF sefasa, namanya Topologi E. Satu
lagi menggunakan sebuah antena aktif berbentuk F yang menyokong fungsi sebuah
pembahagi kuasa RF berfasa kuadratur, namanya Topologi F. Setiap satu topologi ini
disusun dalam dua cara yang berlainan. Susunan yang pertama membenamkan
kedua-dua antena dan IRM secara terus. Susunan dengan antena berbentuk E
dinamakan ‘E-AISOIRM’ manakala susunan dengan antena berbentuk F dipanggil
‘F-AISOIRM’. Susunan yang kedua menyambungkan penguat di antara antena dan
IRM bagi meningkatkan aras RF dan LO yang memasuki pencampur. Maka, susunan
dengan antena berbentuk E diberikan nama ‘E-Amp-AISOIRM’ manakala susunan
dengan antena berbentuk F itu dipanggil ‘F-Amp-AISOIRM’. Seni bina AISOIRM
ini memansuhkan keperluan pengganding hibrid RF dan LO luar terutamanya dengan
mengayunkan AIA pada kedua-dua frekuensi RF dan LO. Selain daripada fungsinya
sebagai sebuah radiator pasif, antena ini juga berfungsi sebagai sebuah pembahagi
kuasa RF, lalu menggantikan keperluan sebuah pengganding hibrid RF. Sepadan
dengan itu, SOM dibentuk dengan menggabungkan port LO antena dengan laluan
LO IRM dan pencampur utama. Dengan cara ini, isyarat LO diterima dari antena dan
disuntikkan ke dalam pencampur. Hasilnya, LO luar tidak diperlukan lagi. Bagi
memulakan penyelidikan AISOIRM ini, sastera-sastera yang berkenaan dikajikan
dulu. Ini diikuti oleh pengiraan teori dan simulasi reka bentuknya. Ketika pengiraan
teorinya, mekanisme pembatalan fasa untuk kedua-dua E-AISOIRM dan FAISOIRM
disahkan secara matematik. Selepas ini, kesemua empat reka bentuk itu
bersama dengan antena dan rekabentuk-rekabentuk sub-litar disimulasikan dengan
Advanced Design System (ADS). Tiga tahap simulasi telah dilaksanakan. Simulasi
reka bentuk blok unggul menjalankan analisa awal pada reka bentuk keseluruhannya,
simulasi reka bentuk litar mengesahkan rekabentuk-rekabentuk skemanya, dan
simulasi reka bentuk litar-susun-atur memuktamadkan rekabentuk-rekabentuk itu
dengan mengambilkirakan kesan-kesan simulasi susun atur dan papan litar bercetak
(PCB) pada rekabentuk-rekabentuk litar itu. Rekabentuk-rekabentuk yang telah
dimuktamadkan kemudiannya diimplementasikan, di mana prototaip-prototaipnya
dipasangkan dan dicirikan. Keputusan yang didapati dari penilaiannya seterusnya
dianalisiskan. Didapati bahawa nisbah pembatalan imej (IRR) yang diukur bagi
semua reka bentuk adalah lebih daripada 15 dB, apabila dipincangkan berhampiran
dengan jepitan transistor pencampur pada 0.7 V dan dibekalkan dengan pincangan
optima LNA pada 2.5 V. Menurut keputusan yang diukurkan, IRR untuk EAISOIRM
dan E-Amp-AISOIRM ialah 20.84 dB dan 22.28 dB, masing-masing.
Sementara itu, IRR yang diukurkan untuk F-AISOIRM dan F-Amp-AISOIRM ialah
21.72 dB dan 21.52 dB, masing-masing. Pada amnya, apabila dibandingkan antara
kedua-dua topologi itu, Topologi-E lebih digemari atas sebab pengagihan fasa RFnya
yang lebih stabil, maka menghasilkan sebuah system yang lebih mantap. Ini adalah
kerana pembahagian fasa RF 0o dari antena berbentuk E itu ditentukan oleh
kesimetrian geometri struktur antena tersebut. Sebaliknya, pembahagian fasa RF 90o
dari antena berbentuk F itu adalah berdasarkan pada ketepatan dimensi-dimensi
geometrinya serta kedudukan titik-titik sambungannya. Oleh sebab itu, fasa RF bagi
antena berbentuk F adalah lebih peka kepada gangguan jika dibandingkan dengan
fasa RF bagi antena berbentuk E. Secara keseluruhannya, seni bina AISOIRM ini
dapat menjalankan pembatalan imej dengan kurang suntikan luaran dan lebih operasi
persendirian melalui mekanisme dalaman yang menyumbang kepada seni bina yang
lebih padat. Maka, saiz kecilnya amat bersesuaian untuk aplikasi-aplikasi tanpa
wayar RF.
_______________________________________________________________________
A conventional image reject mixer (IRM) is composed of an antenna, a radio
frequency (RF) hybrid coupler, low noise amplifiers (LNAs), an external local
oscillator (LO), mixers, intermediate frequency (IF) filters, and an IF hybrid coupler.
The usage of the RF hybrid coupler and the external LO in the conventional IRM not
only consume large space, the interconnections for the LO to the mixer as well as the
interconnections for the RF hybrid coupler with the antenna and the mixer also result
in losses. These drawbacks eventually affect the performance of the overall system.
In view of these concerns, this research introduces a new architecture that eliminates
the need of the RF hybrid coupler and external LO, entitled ‘Active-Integrated Self-
Oscillating Image Reject Mixer (AISOIRM)’. The objectives of this research are to
embed an active integrated antenna (AIA), a self-oscillating mixer (SOM), an IRM
together into a single platform, and subsequently to implement, to characterize, as
well as to evaluate the design in ensuring its performance is compatible with that of
the conventional IRM. As a proof-of-concept work, this research realizes the
AISOIRM architecture that operates in the 2.4 GHz Industrial, Scientific, and
Medical (ISM) band. Its RF is assigned at 2.4 GHz and its LO frequency is 2.5 GHz.
With this, the down-converted IF is 100 MHz. Two different topologies are designed.
One adopts an E-shaped active antenna which supports an in-phase RF power divider
function, namely the E-Topology. The other uses an F-shaped active antenna which
supports a quadrature-phase RF power divider function, namely the F-Topology.
Each of these topologies is configured in two different ways. The first configuration
embeds both the antenna and IRM directly. Thereby, the configuration with the Eshaped
antenna is named as ‘E-AISOIRM’ while the configuration with the F-shaped
antenna is called ‘F-AISOIRM’. The second configuration cascades the amplifiers
between the antenna and the IRM to increase the RF and LO signal levels that are
delivered into the mixer. Thereby, the configuration with the E-shaped antenna is
named as ‘E-Amp-AISOIRM’ while the configuration with the F-shaped antenna is
called ‘F-Amp-AISOIRM’. The AISOIRM architecture eliminates the need of the RF
hybrid coupler and external LO mainly by resonating its AIA at both the RF and LO
frequencies. Aside from functioning as a passive radiator, the antenna also functions
as an RF power divider, which replaces the need of the RF hybrid coupler.
Correspondingly, the SOM is formed by merging the LO port of the antenna with the
LO path of the IRM and the core mixer. This way, the LO signal is received from the
antenna and injected into the mixer. Hence, the external LO source is omitted. To
initiate the AISOIRM research, relevant literatures are first reviewed. This is
followed by the theoretical calculations and simulations of the designs. During the
theoretical calculations, the phase cancellation mechanism of both the E-AISOIRM
and F-AISOIRM are analyzed mathematically. After this, all the four AISOIRM
designs along with the antennas and sub-circuit designs are simulated using
Advanced Design System (ADS). Three levels of simulation are performed. The
ideal block design simulation performs a preliminary analysis on the overall designs,
the circuit design simulation verify the schematics of the designs, and the circuitlayout
design simulation finalizes the designs by taking into account the simulated
effects of the layouts and printed circuit boards (PCBs) on the circuit designs. The
finalized designs are then implemented, whereby the prototypes are assembled and
characterized. The results obtained from the evaluations are subsequently analyzed.
It is noted that the measured image rejection ratio (IRR) obtained for all the designs
are greater than 15 dB, when biased near to the mixer transistor pinch-off at 0.7 V
and supplied with the LNA optimum bias at 2.5 V. According to its measured results,
the IRRs for the E-AISOIRM and the E-Amp-AISOIRM are 20.84 dB and 22.28 dB,
respectively. Meanwhile, the measured IRRs for the F-AISOIRM and the F-Amp-
AISOIRM are 21.72 dB and 21.52 dB, respectively. Generally, comparing between
both the topologies, the E-Topology is preferred due to its much stable RF phase
distribution, which thereon yields a much robust system. This is because the 0o RF
phase division from the E-shaped antenna is determined by the symmetric geometry
of its antenna structure. In converse, the 90o RF phase division of the F-shaped
antenna depends on the exactness of its geometrical dimensions and the positions of
its feed points instead. Hence, the RF phase of the F-shaped antenna is much
sensitive to distortion than the RF phase of the E-shaped antenna. In overall, the
AISOIRM architecture is able to perform image rejection with less external injection
and more on self-operation through internal mechanism that contributes to more
compact design. Therefore its miniaturized size is well suitable for wireless RF
applications.
Active-integrated self-oscillating image reject mixer (irm)_Yeap Kim Huat_E3_2018_MYMY