Havadan C-bant Yüksek Performanslı Düşük Gürültülü Amplifikatörün Araştırma ve Tasarımı
Yang Guangxi
(Hava Trafik Kontrol Süreci İnşaat Merkezi, Sivil Havacılık Güneybatı Hava Trafik Yönetim Bürosu, Chengdu 610202, Sichuan)
Düşük gürültülü amplifikatörün tasarım yöntemini araştırın, radyo frekansı teorisini kullanın, ön uç alan mevcut sivil havacılık havadan C-bant radarının gereklilikleri ile birleştirin, yüksek kazançlı, düşük gürültülü, kararlı bir performans amplifikatörü tasarlayın, C-bandı havadan alıcı ön uç gereksinimlerini karşılayabilir .
Düşük gürültülü amplifikatör; bağlantı simülasyonu; C-bandı radarı
İletişim teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, havadan iletişim kalitesi gereksinimleri artmaya devam ediyor ve alıcı ön uç, yüksek kazanç, yüksek hassasiyet ve geniş dinamik aralık hayati bir rol oynamaktadır [1]. Düşük gürültülü amplifikatör (LNA), radar alıcısının ön ucunda bulunur.Anten sinyali aldıktan sonra, zayıf radyo frekansı sinyalini düşük gürültü amplifikatörü aracılığıyla güçlendirir ve gürültü girişimini azaltır. Şu anda ister sivil havacılık yerden havaya iletişim parazit bastırma sistemlerini, hava trafik kontrol radar tasarımını veya sivil havacılık istasyonu tasarımını inceliyor olsun, düşük gürültü rakamına sahip düşük gürültülü amplifikatörler, düşük sinyal-gürültü oranı bozulması ve yüksek kazanç gereklidir. Yüksek kazançlı, düşük gürültülü ve kararlı performansa sahip düşük gürültülü amplifikatörler üzerine yapılan araştırmalar, havadan gelen alıcıların hassasiyetini artırmak ve havadan iletişimin kalitesini artırmak için büyük önem taşımaktadır [2] Aynı zamanda, çeşitli iletişim navigasyonu ve radar denetimi garantileri sağlayan teknisyenler için önemlidir. Bahsedilen bu tür radyo frekanslı elektronik teçhizatın üretimine aşina olan, aynı zamanda temel bir beceridir.
1 Düşük gürültülü amplifikatör tasarımının temel teorisi
Düşük gürültülü amplifikatör, sivil havacılık hava radarının alıcı ön ucunda hayati bir rol oynar.Simülasyon ve tasarımı, aşağıda ayrı ayrı analiz edilecek olan mikrodalga ağ teorisine ve empedans eşleştirme teorisine dayanmaktadır.
1.1 Mikrodalga ağı eşdeğer devre analizi
Aktif bir cihaz, çok portlu bir cihaz olarak soyutlanabilir ve bu makaledeki transistör, bu ağın temel özelliklerini açıklamak için S parametresi ve yansıma katsayısı ile iki portlu bir ağ olarak kabul edilebilir [3].
Şekil 1, soyutlanmış iki portlu bir ağdır.S-parametrelerinin tanımına göre, normalize edilmiş olay dalgaları, normalize edilmiş yansıyan dalgaları karakterize etmek için kullanılabilir:
Bu iki portun giriş yansıma katsayısı in ve çıktı yansıma katsayısı :
Yukarıdaki formülde, s ve L sırasıyla kaynağın ve yükün yansıma katsayılarıdır.Eşleştiğinde formül (2) 'nin son terimi 0'dır. Yukarıdaki ağın olay gücü:
Yük tarafından emilen güç:
1.2 RF amplifikatöründe empedans eşleştirme şekli
Devre, mikrodalga frekans aralığına ait olan C-bandında çalıştığı için, geleneksel devre teorisindeki gerilim ve akım formları yerini elektrik ve manyetik alan formlarına bırakmıştır Devre tasarlanırken empedansın eşleşip eşleşmediğini dikkate almak gerekir [4].
Düşük gürültülü amplifikatörlerin tasarımı için, eşleşen devre gürültü rakamını azaltabilir ve çıkış gücünü artırabilirken, aynı zamanda transistörün kararlılığını da geliştirebilir. Gerçek devre eşleştirme tasarımında, bunu gerçekleştirmek için genellikle toplu dağıtım karışımının eşleştirme biçimi kullanılır. Daha yaygın olarak kullanılan toplu eşleştirme biçimleri T-tipi ve Pi-tipi eşleştirmedir ve dağıtılmış eşleme genellikle açık devre saplamaları, kısa devre saplamaları vb. Dahil olmak üzere mikroşerit hatlarını kullanır [5].
2 Bu makalenin tasarım dizini ve planı
2.1 Tasarım indeksi
Sivil havacılık mevzuatı gerekliliklerine uygun olarak, radyo frekansı teorisinden başlayarak ve doğrulamak için simülasyon yazılımı kullanılarak havadan çalışma koşullarına uygun düşük gürültülü bir amplifikatör tasarlandı.Başlıca teknik göstergeler aşağıdaki gibidir:
(1) Frekans aralığı: 5300 MHz ~ 5600 MHz;
(2) Gürültü değeri: NF1.3 dB;
(3) Kazanç: Gp30 dB;
(4) Düzlük kazanın: G1 dB;
(5) Geri dönüş kaybı: Lr-15 dB.
2.2 Transistör seçimi
Vücut tüpü seçimi esas olarak aşağıdaki noktaları dikkate alır:
(1) Çalışma frekansı bandı;
(2) Gürültü şekli;
(3) Gereksinimleri kazanın.
Bu tasarım C bandında çalıştığı için, gerekli kazanç nispeten yüksek ve gürültü rakamı nispeten düşük olduğundan, Avago'nun ATF-36077 yüksek elektronlu mobilite transistörünün kullanılmasına karar verildi. Transistör, havada çalışma ortamı için çok uygun olan yüksek frekans, yüksek sıcaklık, düşük sıcaklık performansı, düşük gürültü ve güçlü radyasyon direnci avantajlarına sahip bir galyum arsenit (GaAs) yarı iletken cihazdır [6]. 2 ~ 18 GHz'lik ultra geniş bir frekans aralığında çalışabilir ve C-bandında 16 dB'den fazla kazançla ultra düşük gürültü rakamına sahiptir.
2.3 Devre yapısı
Yukarıda bahsedilen göstergeler, özellikle giriş yankısı olmak üzere bağlantı noktası yankısı için nispeten yüksek gereksinimlere sahiptir, ancak düşük gürültülü amplifikatör giriş eşleştirmesi yaparken, giriş yankısı ve gürültü şekli aynı anda dikkate alınamaz. İyi bir giriş yankısı sağlamak için bu tasarım, devrenin kararlılığını sağlarken geri dönüş kaybını iyileştirmek için dengeli bir yapı benimser, yani kanallardan birinde sorun varsa devre hala çalışabilir, bu da hava iletişiminin yüksek kararlılığı ile uyumludur. Gereksinimler [7].
Kazanç gereksinimi 30 dB'den fazladır ve tek bir tüpün gereksinimi karşılaması zordur.Burada iki aşamalı bir seri bağlantı yapısı benimsenmiştir.Kapasitif bağlantı sayesinde, sonraki devrenin gürültü rakamının bozulma faktörü azaltılırken yüksek kazanç elde edilebilir.
2.4 Gösterge bütçesi
Bağlantı kazancı, denklem (5) ile hesaplanabilen tüm kazanç seviyelerinin toplamına eşittir:
Bunlar arasında, bağlantının gürültü sistemi formül (6) ile hesaplanabilir:
Bağlantı simülasyon yazılımı Syscal, kazanç ve gürültü rakamı gibi göstergeleri değerlendirmek için kullanılır.Bağlantı bütçesinin değerlendirme sonuçlarından, bağlantı gürültüsü rakamının 0.81 dB olduğu ve bağlantı kazancının 31 dB olduğu görülebilir, bu da tasarım gereksinimlerini karşılayabilir, bu nedenle çözüm uygulanabilir. .
2.5 Bağlantı blok şeması
Şekil 2, iki hibrit köprü ve iki aşamalı amplifikatör içeren tüm sistemin bir bağlantı blok diyagramıdır.
3C Band RF Amplifikatör Simülasyon Tasarımı
Bu tasarım, 3,66 dielektrik sabiti Er, 0,04 kayıp tanjantı, düşük kayıp, kararlı performans ve C-bandı devre tasarımı için uygun Rogers 4350B 30mil kalınlığında yüksek frekanslı levhaya dayanmaktadır.
3.1 Kararlılık analizi
Devre seviyesinde simülasyon, Avagonun ATF36077 transistörünün devresini tasarlamak için Agilentin ADS simülasyon yazılımını kullanır. İlk olarak, stabilite simülasyonu gerçekleştirilir ve stabilite, kaynak negatif geri besleme formuyla geliştirilir. Burada, mikroşerit formu benimsenir. Birincisi, stabiliteyi artırabilir ve ikincisi, gürültü rakamını bozmaz. Şekil 3, tek bir tüpün stabilite simülasyonunun şematik bir diyagramıdır. Şekil 4, simülasyonla elde edilen kararlılık eğrisidir ve Şekil 4'ten transistörün 5-6 GHz frekans aralığında kararlı bir durumda olduğu görülebilir.
3.2 Tek aşamalı amplifikatör simülasyonu
Ardından, ideal mikro şerit hattı, tek aşamalı bir transistör amplifikatörünü simüle etmek için gerçek bir mikro şerit hattına dönüştürülür.
Şekil 5-7, optimize edilmiş tek aşamalı amplifikatör performansını gösterir. Şekil 5'den tek aşamalı amplifikatörün kazancının 16 dB'ye, ters izolasyonun -20 dB'ye kadar olduğu görülmektedir.Şekil 6, giriş ve çıkış portlarının dönüş kaybıdır.Port empedansının daha iyi eşleştiği görülmektedir; Şekil 7 Devrenin kararlılık faktörü ve gürültü rakamı verilmiştir ve gürültü rakamı yaklaşık 0,4 dB'dir. Gürültü rakamı esas olarak burada eşleşir ve yankı sorunu, sonraki denge yapısı ile geliştirilebilir, böylece tek aşamalı amplifikatörün performansı tasarım gereksinimlerini karşılar.
3.3 İki seviyeli kademeli simülasyon
Tek aşamalı amplifikatörün kazancı 16 dB olduğundan, 30 dB'lik indeks gereksinimini karşılamak için iki aşamalı bir kaskad gereklidir ve kaskad tasarım, kapasitif kuplaj şeklinde gerçekleştirilir Şekil 8, iki aşamalı bir kaskad simülasyonunun şematik bir diyagramıdır.
İki aşama kademeli olduktan sonra, devrenin ince ayarlanması gerekir İlk aşamanın kazancı 16 dB olduğundan, ikinci aşamanın genel gürültü rakamı üzerindeki etkisi kademeden sonra azalır, bu nedenle kademeli, gürültüyü hesaba katarak kazanç ve düzlük göstergelerine odaklanır. 9 ~ 10, iki seviyeli kademeli simülasyon sonuçlarıdır.
Şekil 9, giriş ve çıkış portlarının geri dönüş kaybı, kazanç ve izolasyon eğrilerini göstermektedir.Merkez frekanstaki giriş ve çıkışın geri dönüş kaybının -15 dB'den daha düşük olduğu, iyi bir eşleşmeye sahip olduğu; kademeli kazanç 32'den büyük olduğu şekilden görülebilir. dB, kazanç düzlüğü 0.8 dB'dir. Şekil 10, stabilite faktörü ve gürültü rakamının eğrisidir.Kaskatlamadan sonra, amplifikatör hala stabildir ve banttaki maksimum gürültü rakamı 0.52 dB'dir ve her indeks yine de gereksinimleri karşılamaktadır.
3.4 Dengeli devre simülasyonu
Bölüm 2.3'teki analize göre, bu tasarım dengeli bir mimari benimser. İki aşamalı kademeli amplifikatör, C_LNA adlı küçük bir modül içinde paketlenir ve modül, Şekil 11'de gösterildiği gibi dengeli bir devre blok şeması oluşturmak için kullanılır.
Şekil 11'deki dengeli devrenin giriş ve çıkışı, havadan alıcı devrenin güvenilirliğini sağlarken port yankısını iyileştirebilen 3 dB karesel köprülerdir. Gerçek devre yönlendirmesinde üst ve alt kanalların tutarlılığına dikkat edin.Biri kazanımın tutarlılığı, diğeri fazın tutarlılığıdır.Üst ve alt tutarlılık iyi değilse güç sentezini etkileyecektir. Faz ince ayarı için mikro şerit hattı çıkışta rezerve edilebilir.Üst ve alt kanallar arasındaki faz farkı güç amplifikatörü tüpü veya köprü farkından kaynaklanıyorsa, faz mikro bandın uzunluğunun ince ayarıyla telafi edilebilir ve sonunda daha iyi bir kombinasyon elde edilir. Yol etkisi.
Geniş bant performansını daha da doğrulamak için, 1 GHz ila 6 GHz frekans aralığında bir geniş bant simülasyonu gerçekleştirilir.
Şekil 12'den 13'e kadar, çalışma bandındaki giriş ve çıkış portlarının geri dönüş kaybının -25 dB'nin altında, kazancın 30,5 dB'den büyük, bant içi dalgalanmanın 0,33 dB ve çıkıştaki gürültü rakamının 1 dB'den az olduğunu görebiliriz. Şekil 13 devreyi göstermektedir. 1 GHz ~ 6 GHz geniş bant aralığında kararlı olma eğilimindedir. Özetle, tasarlanan havadan C bantlı yüksek performanslı düşük gürültülü amplifikatör, üstün performansa sahiptir ve tüm indeks gereksinimlerini karşılar ve bazı indekslerin büyük bir marjı vardır.
4. Sonuç
Düşük gürültülü amplifikatör alıcının ön ucundadır ve endeksi doğrudan alıcının performansını belirler. Tasarım sürecinde, gürültü rakamı, geri dönüş kaybı ve kazanç esas olarak tehlikeye atılır ve gürültü rakamı, girdi yankısı ve kazancının karşılanması öncülü altında optimize edilir. Agilentin EDA yazılımı ADS, zengin ve doğru simülasyon modelleri sağlayan 2,5 boyutlu tam dalga simülasyon yazılımıdır. Tasarım için yazılımları rasyonel bir şekilde kullanarak ürün tasarım döngüsünü hızlandırabilir, geliştirme maliyetlerinden tasarruf edebilir ve ürün tasarımının başarı oranını artırabilir. Bu yazıda, C-bant havadan alıcı ön uç gereksinimlerine göre, gerçek ürünle birleştirilen makul bir tasarım şeması seçildi ve Agilent ADS simülasyon yazılımı kullanılarak yüksek performanslı, düşük gürültülü bir amplifikatör simüle edildi ve tasarlandı.
Referanslar
[1] Wu Renbiao, Gong Liping, Hu Tieqiao. Sivil havacılık yer-hava haberleşmesi engelleme sisteminin tasarımı ve uygulaması J. Çin Sivil Havacılık Üniversitesi Dergisi, 2009, 27 (2): 1-5.
[2] Luo Xudong. Sivil havacılık radyo alıcısının radyo frekansı ön ucunun geliştirilmesi Chengdu: Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2008.
[3] LUDWIG R, BOGDANOV G. RF devre tasarımı-teorisi ve uygulaması [M] Wang Ziyu, Wang Xinyue, vb., Tercüme Pekin: Electronic Industry Press, 2002.
[4] Liao Chengen, Mikrodalga Teknolojisinin Temelleri [M] Xi'an: Xidian University Press, 1994.
5 Yang Guomin, Xiao Gaobiao RF düşük gürültü amplifikatör devre yapısının tasarımı J Elektronik Ölçüm Teknolojisi, 2006,29 (1): 1-2.
6 Guo Qing, Lv Shengang SAR uygulaması için C-band katı hal T / R modülü tasarımı C. Asya Sentetik Açıklık Radarında Pacifi Coference, Xian, Çin, 2009: 345-347.
7 Fan Ningsong, Xia Da, He Hui. S-bant hava trafik kontrol radarı için 2,2 kW katı hal güç amplifikatörü bileşenlerinin tasarımı J Modern Radar, 2013, 35 (6): 65-68.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
