Проектирование двухступенчатого малошумящего усилителя с использованием сети согласования линий передачи с микрополосками

Открыть сценарий в реальном времени

В этом примере показано, как использовать элемент RF Toolbox™ микрополосковой линии передачи для проектирования двухступенчатого малошумящего усилителя (LNA) для беспроводной локальной сети (WLAN) с входным и выходным согласующими сетями (MNW) для максимизации мощности, подаваемой через 50-омную нагрузку и систему.

Проектирование входного и выходного MNW является важной частью конструкции усилителя. Усилитель в этом примере имеет высокий коэффициент усиления и низкий уровень шума. Для минимизации паразитного эффекта в этом примере используется микрополосковая линия передачи MNW с одной заглушкой.

Определение параметров микрополосковой линии передачи

Параметры микрополосковой линии передачи выбираются следующим образом.

Физическая высота проводника или толщина диэлектрика - 1,524 мм
Относительная диэлектрическая проницаемость - 3,48 (Ф/м)
Тангенс угла потерь диэлектрика - 0,0037
Физическая толщина микрополосковой линии передачи - 3,5 мкм

Проектирование сети согласования входных данных с использованием микрополосковой линии передачи

Входная согласующая сеть состоит из одного шунтирующего шлейфа и одной последовательной микрополосковой линии передачи.

Создайте входной шунт-шлейф микрополосковой линии передачи с физической длиной 8,9 мм.

TL1 = txlineMicrostrip('Width',3.41730e-3,'Height',1.524e-3,'EpsilonR',3.48,'LossTangent',0.0037,...
    'LineLength',8.9e-3,'Thickness',0.0035e-3,'StubMode','Shunt','Termination','Open');

Создайте входную микрополосковую линию передачи с физической длиной 14,7 мм.

TL2 = txlineMicrostrip('Width',3.41730e-3,'Height',1.524e-3,'EpsilonR',3.48, 'LossTangent',0.0037,...
    'LineLength',14.7e-3,'Thickness',0.0035e-3);

Создание и извлечение объекта усилителя

Создайте и извлеките объект усилителя из частотно-зависимых данных S-параметра, доступных в указанном файле.

amp1 = nport('f551432p.s2p');

Определите диапазон частот.

freq = 2e9:10e6:3e9;

Создайте двухкаскадный усилитель и постройте график его S-параметра.

casamp = circuit([amp1,clone(amp1)],'amplifiers'); % amplifier ciruit without MNW.

Постройте график S-параметра в диапазоне частот от 2 до 3 ГГц.

S2 = sparameters(casamp,freq);

Схема сети согласования выходных данных с использованием микрополосковой линии передачи

Выходная согласующая сеть состоит из одного шунтирующего шлейфа и одной последовательной микрополосковой линии передачи.

Создайте выходную микрополосковую линию передачи с физической длиной 22,47 мм.

TL3 = txlineMicrostrip('Width',3.41730e-3,'Height',1.524e-3,'EpsilonR',3.48, 'LossTangent',0.0037,...
    'LineLength',22.47e-3,'Thickness',0.0035e-3);

Создайте выходной шлейф микрополосковой линии передачи с физической длиной 5,66 мм.

TL4 = txlineMicrostrip('Width',3.41730e-3, 'Height',1.524e-3,'EpsilonR',3.48, 'LossTangent',0.0037,...
    'LineLength',5.66e-3,'Thickness',0.0035e-3,'StubMode','Shunt','Termination','Open');

Коэффициенты отражения входного сигнала графика двухступенчатой МШУ

Для проверки одновременного сопряжения на входе усилителя постройте график входных коэффициентов отражения в дБ для схемы усилителя с согласующей сетью и без нее.

Каскадировать элементы схемы путем добавления входного и выходного MNW к двухкаскадному усилителю.

c = circuit([TL1, TL2,clone(amp1),clone(amp1),TL3, TL4]); % two-stage LNA with MNW

Постройте график S-параметров и проанализируйте усилитель с согласованными сетями и без них в диапазоне частот 2,4 - 2,5 ГГц.

figure
S3 = sparameters(c,freq); 
rfplot(S2,1,1)
hold on;
rfplot(S3,1,1)
legend('|S11| of Two-Stage LNA Without MNW','|S11| of Two-Stage LNA with MNW');
title('Input Reflection Coefficients of Two-Stage LNA');
grid on;

Расчетная входная обратная потеря для двухступенчатой МШУ с входным MNW составляет -13,2 дБ.

Коэффициенты отражения выходных данных графика двухступенчатой МШУ

Чтобы проверить одновременное совпадение сопряжений на выходе усилителя, постройте график коэффициентов отражения выходного сигнала в дБ как для двухступенчатой МШУ с MNW, так и без него.

figure
rfplot(S2,2,2)
hold on;
rfplot(S3,2,2)
legend('|S22| of Without MNW','|S22| of With MNW');
title('Output Reflection Coefficients of Two-Stage LNA');
grid on;

Вычисленная выходная обратная потеря для двухступенчатой МШУ с выходной MNW составляет 11,5 дБ.

Коэффициенты усиления графика и входного отражения каскадного LNA

Для проверки одновременного сопряжения на входе и выходе усилителя постройте график входного коэффициента отражения и параметров усиления в дБ для двухступенчатой МШУ с MNW.

figure;
rfplot(S3,1,1)
hold on;
rfplot(S3,2,1)

Вычисленный коэффициент усиления усилителя S21 равен 34,5 дБ, а входной коэффициент отражения S11 равен -13,1 дБ.

Расчет и печать коэффициентов комплексной нагрузки и отражения источника

Вычислите и постройте график всех комплексных коэффициентов нагрузки и отражения источника для одновременного сопряжения во всех точках данных измеренной частоты, которые являются безусловно стабильными. Эти коэффициенты отражения измеряются на интерфейсах усилителей.

figure
smithplot(S3,1,1,'LegendLabels','Measured S11')

Расчет показателя шума усилителя

Использовать rfbudget объект вычисления показателя шума усилителя.

b = rfbudget( ...
    'Elements',[TL1 TL2 amp1 clone(amp1) TL3 TL4], ...
    'InputFrequency',2.45e9, ...
    'AvailableInputPower',0, ...
    'SignalBandwidth',2e9, ...
    'Solver','Friis', ...
    'AutoUpdate',1);
rfplot(b,'NF')

Значение шума усилителя рассчитывается как 0,7 дБ.

Ссылка

[1] Маруддани, B, M Ma 'sum, E Sandi, Y Taryana, T Daniati и W Dara. «Проектирование двухступенчатого малошумящего усилителя на частоте 2,4 - 2,5 ГГц с использованием сетевого метода согласования линий микрополосковой связи». Журнал физики: Conference Series 1402 (декабрь 2019): 044031.

Документация