Технические условия на проектирование LNA

Проектные спецификации LNA следующие:

Создать rfckt.amplifier Объект и исследование Коэффициент усиления мощности и шума усилителя Рисунок

Создание rfckt.amplifier объект для представления усилителя, указанного в файле, «samplelna1.s2p». Проанализируйте усилитель с помощью analyze функция усилителя в диапазоне частот от 2 - 10 ГГц.

unmatched_amp = read(rfckt.amplifier, 'samplelna1.s2p');
analyze(unmatched_amp, 2e9:50e6:10e9);

Постройте график усиления мощности преобразователя (Gt), доступное усиление мощности (Ga) и максимальное доступное усиление мощности (Gmag).

figure
plot(unmatched_amp,'Gmag','Ga','Gt','dB')

Проверьте коэффициент усиления мощности на частоте 5,2 ГГц для проектирования согласующих сетей ввода и вывода 5,2 ГГц. Без сети согласования входных и выходных сигналов коэффициент усиления мощности преобразователя при частоте 5,2 ГГц составляет около 7,2 дБ. Это ниже требования к коэффициенту усиления 11 дБ в проектных спецификациях и ниже имеющегося коэффициента усиления мощности. Этот усилитель также потенциально нестабильен на частоте 5,2 ГГц, так как максимальный доступный коэффициент усиления не существует на частоте 5,2 ГГц.

Постройте график измеренного минимального шумового показателя (Fmin) и показатель шума (NF) вычисляется, когда отсутствует входная согласующая сеть. Задайте $$$$диапазон осей X от 4,9 ГГц до 6 ГГц, где измеряется минимальное значение шума.

plot(unmatched_amp,'Fmin','NF','dB')
axis([4.9 6 1.5 4])
legend('Location','NorthWest')

В отсутствие входной согласующей сети значение шума находится в диапазоне 5,10-5,30 ГГц, что выше требования к значению шума 2,2 дБ в технических условиях.

Коэффициент усиления графика, изображение шума и круги устойчивости

Как доступный коэффициент усиления, так и показатель шума являются функциями коэффициента отражения источника, GammaS. Чтобы выбрать подходящий GammaS, который обеспечивает подходящий компромисс между коэффициентом усиления и шумом, используйте circle способ rfckt.amplifier объект, чтобы разместить постоянное доступное усиление и круги фигуры постоянного шума на диаграмме Смита. Как упоминалось выше, усилитель потенциально нестабильен при частоте 5,2 ГГц. Следовательно, следующее circle команда также помещает круги стабильности ввода и вывода на диаграмму Смита.

fc = 5.2e9;
hsm = smithplot;
circle(unmatched_amp,fc,'Stab','In','Stab','Out','Ga',10:2:20, ...
    'NF',1.8:0.2:3,hsm);
legend('Location','SouthEast')

Включите курсор данных и щелкните по постоянной доступной окружности усиления. В подсказке по данным отображаются следующие данные:

Ga, NF, GammaOut и ZS - все функции коэффициента отражения источника, GammaS. GammaS - комплексное число, соответствующее местоположению курсора данных. Звезда ('*') и круговая пунктирная линия также появятся в диаграмме Смита. Звезда представляет совпадающий коэффициент отражения нагрузки (GammaL), который является комплексным конъюгатом GammaOut. Коэффициент усиления максимизируется, когда GammaL - комплексный конъюгат GammaOut. Окружность в пунктирной линии представляет траекторию совпадения GammaL когда курсор данных перемещается по окружности с постоянным доступным коэффициентом усиления или шумом.

Потому что оба S11 и S22 параметры усилителя меньше единицы по величине, и входная, и выходная стабильная область содержат центр диаграммы Смита. Чтобы сделать усилитель стабильным, GammaS должен находиться во входном стабильном регионе и согласовании GammaL должен находиться в стабильной области вывода. Область стабильности выхода затенена на приведенном выше рисунке. Однако, когда GammaS что дает подходящий компромисс между коэффициентом усиления и шумом найден, согласование GammaL всегда выходит за пределы стабильной области вывода. Это делает необходимым стабилизацию усилителя.

Стабилизация усилителя

Одним из способов стабилизации усилителя является каскадирование шунтирующего резистора на выходе усилителя. Однако этот подход также уменьшит усиление и добавит шума. В конце примера вы заметите, что общий коэффициент усиления и шум по-прежнему соответствуют требованиям.

Чтобы найти максимальное значение шунтирующего сопротивления, которое делает усилитель безоговорочно устойчивым, используйте fzero функция, чтобы найти значение резистора, которое делает стабильность MU равно 1. fzero функция всегда пытается получить нулевое значение для целевой функции, поэтому целевая функция должна вернуться MU-1.

type('lna_match_stabilization_helper.m')

function mu_minus_1 = lna_match_stabilization_helper(propval, fc, ckt, element, propname)
%LNA_MATCH_STABILIZATION_HELPER Return Stability MU-1.
%   MU_MINUS_1 = LNA_MATCH_STABILIZATION_HELPER(PROPVALUE, FC, CKT,
%   ELEMENT, PROPNAME) returns stability parameter MU-1 of a circuit, CKT
%   when the property called PROPNAME of an element, ELEMENT is set to
%   PROPVAL.
%
%   LNA_MATCH_STABILIZATION_HELPER is a helper function of RF
%   Toolbox demo: Designing Matching Networks (Part 1: Networks with an LNA
%   and Lumped Elements).

%   Copyright 2007-2008 The MathWorks, Inc.

set(element, propname, propval)
analyze(ckt, fc);
mu_minus_1 = stabilitymu(ckt.AnalyzedResult.S_Parameters) - 1;

Вычислите параметры целевой функции и передайте ее в fzero для получения максимального значения шунтирующего сопротивления.

stab_amp = rfckt.cascade('ckts', {unmatched_amp, rfckt.shuntrlc});
R1 = fzero(@(R1) lna_match_stabilization_helper(R1,fc,stab_amp,stab_amp.Ckts{2},'R'),[1 1e5])

R1 = 118.6213

Найти GammaS и GammaL

Каскадировать 118-омный резистор на выходе усилителя и проанализировать каскадную сеть. Поместите новое постоянное доступное усиление и круги с постоянным шумом на диаграмму Смита.

shunt_r = rfckt.shuntrlc('R',118);
stab_amp = rfckt.cascade('ckts',{unmatched_amp,shunt_r});
analyze(stab_amp,fc);
hsm = smithplot;
circle(stab_amp,fc,'Ga',10:17,'NF',1.80:0.2:3,hsm)
legend('Location','SouthEast')

Используйте курсор данных для поиска GammaS. Можно найти подходящий компромисс между коэффициентом усиления и шумом.

Пример предназначен для выбора GammaS это дает коэффициент усиления 14 дБ и показатель шума 1,84 дБ. Вычислить совпадение GammaL, который является комплексным конъюгатом GammaOut на подсказке данных.

GammaS = 0.67*exp(1j*153.6*pi/180)

GammaS = -0.6001 + 0.2979i

Вычислите нормированный импеданс источника.

Zs = gamma2z(GammaS,1)

Zs = 0.2080 + 0.2249i

Вычислить совпадение GammaL что равно комплексному сопряжению GammaOut.

GammaL = 0.7363*exp(1j*120.1*pi/180)

GammaL = -0.3693 + 0.6370i

Вычислите нормированный импеданс нагрузки.

Zl = gamma2z(GammaL,1)

Zl = 0.2008 + 0.5586i

Разработка сети согласования входных данных с помощью GammaS

В этом примере скошенные LC-элементы используются для построения сетей согласования входов и выходов следующим образом:

Входная согласующая сеть состоит из одного шунтирующего конденсатора, Cin, и одного последовательного индуктора, Lin. Используйте диаграмму Смита и курсор данных для поиска значений компонентов. Для этого начните с построения графика круга постоянной проводимости, пересекающего центр диаграммы Смита, и круга постоянного сопротивления, пересекающего GammaS.

hsm = smithplot;
circle(stab_amp,fc,'G',1,'R',real(Zs),hsm); 
hsm.GridType = 'YZ';
hold all
plot(GammaS,'k.','MarkerSize',16)
text(real(GammaS)+0.05,imag(GammaS)-0.05,'\Gamma_{S}','FontSize', 12, ...
    'FontUnits','normalized')
plot(0,0,'k.','MarkerSize',16)
hold off

Затем найдите точки пересечения постоянной проводимости и постоянной окружности сопротивления. На основании приведенной выше принципиальной схемы следует использовать точку пересечения в нижней половине диаграммы Смита. Пометить как точку А.

GammaA = 0.6983*exp(1j*(-134.3)*pi/180);
Za = gamma2z(GammaA,1);
Ya = 1/Za;

Определение значения Cin от разницы в чувствительности от центра диаграммы Смита до точки А. А именно,

где 50 - опорный импеданс.

Cin = imag(Ya)/50/2/pi/fc

Cin = 1.1945e-12

Определение значения Lin от разницы реактивного сопротивления от точки А до GammaS. А именно:

Lin = (imag(Zs) - imag(Za))*50/2/pi/fc

Lin = 9.6522e-10

Создание сети согласования выходных данных с помощью GammaL

Используйте подход, описанный в предыдущем разделе по проектированию входной согласующей сети, для проектирования выходной согласующей сети и получения значений Cout и Lout.

GammaB = 0.7055*exp(1j*(-134.9)*pi/180);
Zb = gamma2z(GammaB, 1);
Yb = 1/Zb;
Cout = imag(Yb)/50/2/pi/fc

Cout = 1.2194e-12

Lout = (imag(Zl) - imag(Zb))*50/2/pi/fc

Lout = 1.4682e-09

Проверка конструкции

Создайте сети согласования входных и выходных данных. Каскадировать входную согласующую сеть, усилитель, шунтирующий резистор и выходную согласующую сеть для построения LNA.

input_match = rfckt.cascade('Ckts', ...
    {rfckt.shuntrlc('C',Cin),rfckt.seriesrlc('L',Lin)});
output_match = rfckt.cascade('Ckts', ...
    {rfckt.seriesrlc('L',Lout),rfckt.shuntrlc('C',Cout)});
LNA = rfckt.cascade('ckts', ...
    {input_match,unmatched_amp,shunt_r,output_match});

Проанализируйте LNA в проектном диапазоне частот и постройте график возможного усиления мощности преобразователя. Имеющаяся мощность и коэффициент усиления преобразователя при частоте 5,2 ГГц равны 14 дБ, как и предполагалось. Коэффициент усиления мощности преобразователя в проектном диапазоне частот превышает 11 дБ, что соответствует требованиям спецификации.

analyze(LNA,5.05e9:10e6:5.35e9);
plot(LNA,'Ga','Gt','dB');

Постройте график шума вокруг расчетного диапазона частот.

plot(LNA,'NF','dB')

Показатель шума ниже 2,2 дБ в проектном диапазоне частот, что также соответствует требованиям технических условий. Показатель шума МШУ при 5,2 ГГц примерно на 0,1 дБ выше, чем у усилителя (1,84 дБ), что демонстрирует добавленный шум шунтирующим резистором.

Доступный метод проектирования усиления часто используется при согласовании LNA. Во второй части примера - Проектирование согласующих сетей (часть 2: Одиночные шлейфные линии передачи) представлен пример одновременного сопряженного согласования.