Спецификации к проекту ЛНА

Спецификации проекта LNA следующие:

Создание rfckt.amplifier Объект и исследование усилителя Степени коэффициентов усиления и Фигуры шума

Создайте rfckt.amplifier объект для представления усилителя, заданного в файле 'samplelna1.s2p'. Анализируйте усилитель с помощью analyze функционирует усилитель в частотной области значений от 2 до 10 ГГц.

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

Постройте график усиления степени преобразователя (Gt), доступное усиление степени (Ga) и максимальный доступный коэффициент усиления степени (Gmag).

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

Исследуйте коэффициент усиления степени на 5,2 ГГц в порядок, чтобы спроектировать вход и выходные сети соответствия 5,2 ГГц. Без входа и выхода совпадающих сетей коэффициент усиления степени преобразователя на 5,2 ГГц составляет около 7,2 дБ. Это ниже требования к усилению 11 дБ в проект спецификациях и меньше, чем доступный коэффициент усиления степени. Этот усилитель также потенциально нестабильен на частоте 5,2 ГГц, поскольку максимального доступного усиления на частоте 5,2 ГГц не существует.

Постройте график измеренного минимального рисунка (Fmin) и шумового рисунка (NF) вычисляется, когда нет входной совпадающей сети. Задайте $$x$$- область значений осей от 4,9 ГГц до 6 ГГц, где измеряется минимальный рисунок шума.

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

При отсутствии входной совпадающей сети рисунок шума находится между 5,10 и 5,30 ГГц, что выше требования к шумовому рисунку 2,2 дБ в спецификации.

Построение графиков усиления, шумовой фигуры и кругов устойчивости

И доступный коэффициент усиления, и шумовой рисунок являются функциями коэффициента отражения источника, ГаммаС. Чтобы выбрать подходящий GammaS, который обеспечивает подходящий компромисс между усилением и шумом, используйте circle метод rfckt.amplifier объект для размещения постоянного доступного усиления и кругов рисунка постоянного шума на графике Смита. Как упоминалось ранее, усилитель потенциально нестабильен на частоте 5,2 ГГц. Поэтому следующая circle команда также помещает входные и выходные круги устойчивости на график 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 Data Cursor и щелкните по постоянному доступному кругу усиления. На всплывающую подсказку отображаются следующие данные:

Ga, NF, GammaOut и ZS все функции коэффициента отражения источника, GammaS. GammaS - комплексное число, которое соответствует местоположению Data Cursor. Звезда ('*') и круг в штриховой линии также появятся на графике Смита. Звезда представляет совпадающий коэффициент отражения нагрузки (GammaL), который является комплексным сопряженным с GammaOut. Коэффициент усиления максимизируется при GammaL - комплексный сопряженный GammaOut. Круг в штриховой линии представляет траекторию совпадения GammaL когда Data Cursor перемещается по постоянному доступному усилению или шуму рисунка кругу.

Потому что оба S11 и S22 параметры усилителя меньше единицы по величине, и входная, и выходная стабильная область содержат центр графика Смита. В порядок сделать усилитель стабильным, GammaS должен находиться в входе стабильной области и соответствующей GammaL должен находиться в выходе стабильном регионе. На приведенном выше рисунке выхода стабильная область затенена. Однако, когда GammaS который дает подходящий компромисс между усилением и шумом найден, GammaL соответствия всегда выпадает за пределы выхода стабильного региона. Это делает необходимую стабилизацию усилителя.

Стабилизация усилителя

Один из способов стабилизации усилителя - это каскадирование шунтирующего резистора на выходе усилителя. Однако этот подход также уменьшит коэффициент усиления и усилит шум. В конце примера вы заметите, что общий усиление и шум все еще соответствовали требованию.

Чтобы найти максимальное значение сопротивления шунта, которое делает усилитель безусловно стабильным, используйте fzero функция для нахождения значения резистора, которое делает устойчивость MU равным 1. The fzero функция всегда пытается достичь нулевого значения 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 целевую функцию fzero для получения максимального значения сопротивления шунта.

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

Поиск GammaS и GammaL

Каскадируйте 118-ом резистор на выходе усилителя и анализируйте каскадную сеть. Поместите новый постоянный доступный коэффициент усиления и круги рисунка постоянного шума на графике 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 Data Cursor, чтобы найти GammaS. Можно обнаружить, что существует подходящий компромисс между усилением и шумом.

Пример обозначен, чтобы выбрать GammaS что дает коэффициент усиления 14 дБ и рисунок шума 1,84 дБ. Вычислите соответствующий GammaL, который является комплексным сопряженным GammaOut на всплывающей подсказке.

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

GammaS = -0.6001 + 0.2979i

Вычислите нормированный входной импеданс источника.

Zs = gamma2z(GammaS,1)

Zs = 0.2080 + 0.2249i

Вычислите соответствующий GammaL это равно комплексному сопряженному 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

Проектируйте входную сеть, совпадающую с использованием GammaS

В этом примере lumped LC- элементов используются для создания входа и выходных сетей соответствия следующим образом:

Входная сеть согласования состоит из одного шунтирующего конденсатора, Cin, и одного последовательного индуктора, Lin.Используйте график Смита и Data Cursor, чтобы найти значения компонентов. Для этого начните с графика постоянной проводимости круга, который пересекает центр диаграммы Смита и постоянного сопротивления круга, который пересекает 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 постоянного круга сопротивления. На основе приведенной выше принципиальной схемы следует использовать точку пересечения в нижней половине графика Смита. Пометьте его как точку A.

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

Определите значение Cin от различия восприимчивости от центра графика Смита до точки А. А именно,

где 50 - ссылка сопротивление.

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

Cin = 1.1945e-12

Определите значение Lin от различия реактивного напряжения от точки A до GammaS. А именно:

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

Lin = 9.6522e-10

Проектируйте выходную совпадающую сеть с помощью GammaL

Используйте подход, описанный в предыдущем разделе о разработке входа совпадающей сети, чтобы спроектировать выход совпадающую сеть и получить значения 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

Проверьте проект

Создайте вход и выходные сети, соответствующие. Каскадируйте вход совпадающую сеть, усилитель, шунтирующий резистор и выход совпадающую сеть, чтобы создать 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 вокруг расчетного диапазона частот и постройте график доступного усиления степени и преобразователя. Доступный и коэффициент усиления степени преобразователя на 5,2 ГГц составляют 14 дБ, как и предполагалось в проекте. Коэффициент усиления степени преобразователя выше 11 дБ в расчетной области значений, который удовлетворяет требованиям спецификации.

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

Постройте график рисунка шума вокруг проекта частотных областей значений.

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

Шумовой рисунок ниже 2,2 дБ в расчетной частотной области значений, который также удовлетворяет требованиям спецификации. Шумовой рисунок ЛНА на 5,2 ГГц примерно на 0,1 дБ в ше, чем у усилителя (1,84 дБ), который демонстрирует добавленный шум от шунтирующего резистора.

Доступный метод проекта усиления часто используется в согласовании с LNA. Во второй части примера - Разработка совпадающих сетей (Часть 2: Single Stub Линий электропередачи), представлен пример одновременного сопряженного соответствия.