بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک تقویتکننده کم نویز میکرواستریپی در فرکانس 2,4GHz برای کاربردهای شبکه ناحیه محلی بیسیم طراحی شده است. در تقویتکننده کم نویز پیشنهادی مقدار عدد نویز 0,4 بدست آمده است. همچنین مقدار تقویتکنندگی در فرکانس 2,4GHz برابر با 16 dB میباشد. به دلیل اینکه در طراحی این تقویتکننده کم نویز از قطعات میکرواستریپی با ابعاد کوچک، تنها یک خازن فشرده و یک ترانزیستور استفاده شده است، ابعاد آن نسبت به تقویتکنندههای طراحی شده با استفاده از فناوری میکرواستریپی بسیار کوچک میباشد. به منظور کاهش تلفات و افزایش تطبیق امپدانس از خطوط میکرواستریپی امپدانس پلهای در ورودی و خروجی تقویتکننده استفاده شده است. به منظور کاهش توان مصرفی، تغذیه مدار 1,2 ولت انتخاب شده است.
مقدمه
تقویتکنندهی کم نویز - Low Noise Amplifier - در سیستمهای مخابراتی برای تقویت سیگنالهای گرفته شده از آنتن به کار میرود و اغلب در فاصله کمی از آنتن قرار میگیرد تا کاهش دامنه سیگنال در خطوط به حداقل ممکن برسد . - Shin, 2005; Huang, 2009 - در طراحی این تقویتکننده ها از فناوریهای مختلفی مانند GaN HEMT در مرجع - Chen, 2010 - برای کار در بازه فرکانسی 1-25GHz، فناوری PCB در مرجع - Djoumessi,2009 - برای کار در فرکانسهای شبکه ناحیه محلی بیسیم 2.45/5.2GHz، فناوری CMOS در مرجع - Kim, 2011 - برای کار در بازه فرکانسی 25-33GHz و فناوری میکرواستریپ در مراجع - Challal, - 2011; Rodríguez, 2011 استفاده شده است.
تقویتکننده کم نویز طراحی شده در مرجع - Djoumessi,2009 - دارای نویز بالایی میباشد. در مرجع - Challal, 2011 - علاوه بر المانهای گسترده میکرواستریپی با ابعاد بزرگ از المانهای فشرده متعددی نیز استفاده شده است که منجر به افزایش ابعاد قطعه شده است. در مرجع - Jin, 2010 - یک تقویتکننده کم نویز با استفاده از تعداد زیادی عنصر فشرده طراحی شده است. استفاده از المانهای فشرده با ابعاد بالا باعث افزایش ابعاد قطعه شده است. همچنین مقدار ولتاژ تغذیه اعمال شده به این تقویتکننده کم نویز مقدار زیادی است.
با این وجود نویز این تقویتکننده کمتر از 2 میباشد. یک تقویتکننده کم نویز با مقدار نویز پایین 0,88 با استفاده از فناوری میکرواستریپ و خازنهای فشرده در مرجع - Wang, 2008 - طراحی شده است. در مرجع - Adabi, 2007 - یک تقویتکننده کم نویز با استفاده از فناوری 90nm CMOS طراحی شده که مقدار نویز بالایی در فرکانس مرکزی دارد. در مرجع - Ibrahim, 2013 - یک تقویتکننده کم نویز برای کار در فرکانس 1,4GHz طراحی شده است. این تقویتکننده کم نویز با استفاده از فناوری میکرواستریپی طراحی شده و دارای ابعاد بزرگ و مقدارنویز بالایی میباشد.
الگوریتم طراحی تقویتکننده کم نویز پیشنهاد شده
الگوریتم شبیهسازی یک تقویتکننده کم نویز در فلوچارت شکل - 1 - نشان دادهشده است. در طراحی LNA ها از قطعههای میکرواستریپی، عنصرهای فشرده1، قطعههای فعال2 و در صورت لزوم عنصرهای گسترده3 استفاده میشود. می توان بهجای سلفها و خازنهای بزرگ از قطعههای امپدانس پلهای استفاده نمود. انتخاب ترانزیستور خوب با کارایی بالا یکی از مراحل مهم طراحی است.
در طراحی تقویتکننده کم نویز پیشنهاد شده از ترانزیستور NEC_mdl_NE38018 استفاده شده است. علت استفاده از این ترانزیستور این است که، کارایی این ترانزیستور از نقطه نظر تقویتکنندگی و داشتن نویز پایین بالا است. بعد از انتخاب ترانزیستور باید سلف، خازن و مقاومتها را به ترانزیستور اضافه کرد. در فرکانسهای بالا سلفها و خازنها کارایی خود را از دست میدهند و میتوان بهجای آنها از قطعههای میکرواستریپی استفاده کرد. بنابراین طراحی سلولهای میکرواستریپی گام مهمی در طراحی تقویتکننده کم نویز میکرواستریپی است. این سلولها بهجای سلف و خازنها در مدار تقویتکننده قرار خواهند گرفت.
شکل :1 الگوریتم مراحل شبیهسازی تقویتکننده کم نویز.
قطعه میکرواستریپی متصل به منبع تغذیه و درین ترانزیستور باید خاصیت سلفی داشته باشد. بنابراین باید از یک خط میکرواستریپ ساده با عرض کم و طول زیاد استفاده شود. قطعه میکرواستریپی متصل به خروجی تقویتکننده باید خاصیت خازنی داشته باشد. پس بهجای آن باید از یک قطعه پهن با طول کوتاه استفاده شود. بهمنظور تطبیق امپدانس با قطعههایی که به تقویتکننده اضافه میشوند باید در بخش ورودی و خروجی تقویتکننده از خطوط تطبیق امپدانس استفاده کرد.
باید توجه داشت که استفاده از این خطوط منجر به افزایش ابعاد تقویتکننده نشود. استفاده از خطوط تطبیق امپدانس با ساختاری T شکل موثر بوده و منجر به کاهش ابعاد و کاهش تلفات می شود. در طراحی تقویتکننده کم نویز گاهی اضافه کردن المانهای فشرده به مدار ضروری است.
از طرفی وجود این قطعهها باعث افزایش ابعاد میشود. بنابراین باید تعداد آنها را در مدار حداقل کرد. همچنین به قطعه میکرواستریپ متصل به درین - که خاصیت سلفی دارد - ، باید منبع تغذیه اضافه شود. باید توجه شود که مقدار ولتاژ تغذیه زیاد نشود. با تغییرات مقادیر طول و عرض قطعات میکرواستریپ میتوان با مقدار ولتاژ کمتری به نتیجه مطلوب رسید. در شکل - 2 - تصویر تقویت کننده کم نویز 2,4GHz و منحنی پاسخ فرکانسی آن نشان دادهشده است.
