بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله یک تقویتکننده فوق کمنویز با قابلیت بکارگیری در طبقات فرکانس بالای سیستم گیرنده مورد طراحی و شبیهسازی قرار میگیرد. فرکانس طراحی 9.5GHz با پهنای باند 500MHz بوده و در کل پهنای فرکانسی مذکور باید دارای عدد نویز کمتر از 1dB، بهره کمینهی 10dB و تلفات برگشتی کوچکتر از -10db باشد. برای طراحی این تقویتکننده از ترانزیستور ATF-36077 شرکت Agilent استفاده شده است. در ابتدا ضریب پایداری تقویتکننده را در بازه فرکانسی مورد نظر بررسی کرده و ملاحظه شد که ترانزیستور در این محدوده بدون قید و شرط پایدار است.
به منظور تامین تغذیه مناسب نیاز به طراحی یک RF-Choke داریم که این ساختار با تکنیک استاب پروانهای مدلسازی شده است تا تاثیر متقابل بین خطوط DC و RF به حداقل برسد. سپس به منظور استخراج حداکثر پهنای باند، برای مدارات تطبیق ورودی و خروجی از تکنیک دو استاب استفاده شده است. مدارات حاصل به کمک نرم افزار ADS مدلسازی و مقدار بهینه برای آنها انتخاب شدند. نتایج حاصل از طراحی تئوری و شبیهسازی انطباق قابل قبولی دارند.
مقدمه
تقویت کننده کم نویز LNA اولین مرحله افزایش گین از هر گیرنده رادیویی است، چراکه از طرفی، سیگنال ورودی کوچکی که از آنتن دریافت میکند را باید به مقدار مناسب تقویت کند و از طرف دیگر نویز این طبقه باید کوچک باشد، به دلیل اینکه سهم بیشتری در عدد نویز کل سیستم گیرنده دارد. با این حال در بسیاری از موارد نمیتوان به طور هم زمان به حداکثر بهره و حداقل عدد نویز دست یافت و باید بین بهره زیاد و نویز کم مصالحه نمود. از پارامترهای مهم دیگری که در یک تقویت کننده کم نویز وجود دارند میتوان به میزان تلفات بازگشتی پورتهای ورودی و خروجی و نیز نقطه فشردگی 1dB اشاره کرد.
اصول کلی طراحی این تقویتکنندهها در [1] و [2] آمده است. در [3]، یک تقویتکننده کمنویز یک طبقه در فرکانس 2.3GHz برای کاربرد در مخابرات سیار طراحی شده است. روش طراحی به این ترتیب است که پس از انتخاب ترانزیستور - AFT-34143 - و پایدار نمودن آن توسط یک مقاومت شنت، با کمک نرم افزار ADS، مدارهای تطبیق ورودی و خروجی را با گزینش ΓS مناسب محاسبه شده و در نهایت مقدار بهره تقویتکننده در فرکانس 2.3GHz برابر با 17dB و عدد نویز آن 0.73dB بدست آمده است. همچنین در [4]، برای طراحی تقویتکننده کمنویز از ترانزیستور خانواده ATF استفاده شده است.
این تقویت کننده در باند S و به صورت دوطبقه طراحی شده است. با انتخاب مناسب، مدارات تطبیق به کمک نرم افزار ADS طراحی شده که به صورت دو تطبیق -Lشکل در ورودی و خروجی ظاهر شدهاند. در فرکانس3.1GHz، مقدار بهره برابر حدود 30dB و مقدار عدد نویز 1.25dB و مقدار VSWR وروردی و خروجی به ترتیب 2.1 و 1.43 حاصل شدهاند.
در این مقاله با انتخاب ترانزیستور ATF-36077 شرکت Agilent که دارای مشخصه های نویز و بهره مطلوب در باند فرکانسی موردنظر است و بررسی پایدار آن با روش [1] برای محدودهی فرکانسی 9.3GHz تا 9.7GHz کار طراحی آغاز میشود. هدف اصلی طراحی این تقویتکننده کمنویز، دستیابی به عدد نویز کمتر از 1dB، بهره کمینهی 10dB تنها با یک طبقه و تلفات بازگشتی کمتر از 10dB در کل محدوده پهنای باند است.
قابل توجه است جهت دستیابی به بهره چند برابر میتوان از دو یا چند تقویت کننده با شبکههای تطبیق ورودی و خروجی یکسان در توالی با ساختار مذکور استفاده کرد .[5] به منظور برقراری تطبیق مناسب بین ورودی و خروجی ترانزیستور با پورتهای 50 از مدارات تطبیق با استفاده از تکنیک استاب دوتایی استفاده شده که این تکنیک در رسیدن به کمینه نویز در این پهنای باند کاملا موثر و کارآمد می باشد. همچنین مدارات تغذیه در راه اندازی این ترانزیستور نیز نویزی به مدار اضافه میکردند که این امر نیز با تکنیک RF Chock به حداقل خود رسیده است.
بررسی پایداری
برای بررسی شرط پایداری مدار میتوان از دو روش استفاده کرد. یکی از طریق نمودار اسمیت و رسم دوایر نویز ثابت و گاما ثابت که میبایست در خارج از نمودار قرار گیرند و دیگری بررسی پارامتر های و k است.[1] در اینجا، پایداری ترانزیستور طبق روابط - 1 - و - 2 - مورد تحلیل قرار میگیرد. نتایج ارزیابی پایداری نشان میدهند با توجه به دستیابی به k > 1 و∆< 1، این ترانزیستور در محدودهی فرکانسی باند X، بدون قید و شرط پایدار است. در حقیقت برای شرایط ناپایدار نیز میتوان از تکنیکهای مختلفی نظیر بارگذاری، سلفگذاری در سورس [6] و خنثیسازی استفاده کرد. در شکل 1 مقدار ضریب پایداری در محدوده فرکانسی گستردهای نشان داده شده است و ملاحظه میشود که در پهنای باند مورد طراحی بیشتر از یک است.
طراحی RF Choke
شکل 2 چوکهای مایکرواستریپ را که از سه بخش شامل خط انتقال ربع طول موج - L1 - ، استاب اتصال باز - L2 - و یک طول دلخواه - L3 - تشکیل شدهاند، نشان میدهد. استاب اتصال باز را میتوان با عناصر مایکرواستریپ مختلف ساخت. در اینجا استاب پروانهای برای طراحی چوک RF استفاده میشود که پهنای باند گستردهتری نسبت به استاب مایکرواستریپ معمولی دارد .[7]
