Diseño de amplificadores RF para los sistemas de baja velocidad de bloqueo (LNB) es un aspecto crítico de los sistemas de receptor de satélites. Estos amplificadores aseguran que las señales extremadamente débiles recibidas de los satélites se amplifican con un mínimo ruido añadido, preservando la integridad de la señal para un procesamiento preciso por el receptor.En un entorno donde las pérdidas de señal en el espacio y la atmósfera pueden superar 200 dB, el rendimiento de la cadena de la sensibilidad de primer nivel

Panorama general de los LNB en la recepción por satélite

Un bajo control de bloques sirve como el extremo frontal de cada sistema de TV vía satélite o VSAT. Montado en el foco del plato parabólico, el LNB recibe la señal de alta frecuencia de satélite, lo amplifica y luego lo mezcla a una frecuencia intermedia (normalmente 950–2150 MHz para sistemas de consumo) que puede ser transmitido sobre el cable coaxial al receptor de fase interior.

El LNB también debe rechazar interferencias fuera de banda de fuentes terrestres, radares y señales de satélite adyacentes. La selectividad del amplificador RF, combinada con filtros de bandapass, ayuda a evitar que estas señales no deseadas saturaran el mezclador de downconverter. Además, el amplificador debe operar de forma fiable sobre un amplio rango de temperatura (-40°C a +70°C para instalaciones al aire libre) manteniendo un rendimiento estable y un rendimiento.

Papel del amplificador RF en un LNB

El amplificador RF en un LNB casi siempre se implementa como un amplificador de ruido bajo de varias etapas (LNA). La primera etapa se optimiza para la cifra de ruido más baja posible, a menudo utilizando un solo transistor sesgado cerca de su corriente de ruido mínima. Las siguientes etapas están diseñadas para proporcionar ganancia adicional manteniendo la linealidad.El amplificador también debe degradar la cifra de ruido de etapas posteriores según la fórmula Friis:

Más allá del ruido y la ganancia, el amplificador debe interactuar correctamente con el cuerno de alimentación (antena) y el mezclador. Las impedancias de entrada y salida son típicamente 50 ohmios para interfaces coaxiales, pero el cuerno de alimentación puede presentar una impedancia diferente que requiere una red de coincidencia. La salida del amplificador debe conducir el mezclador con suficiente potencia, a menudo alrededor de -10 a 0 dBm, sin generar armónicos significativas o intermodulares.

Parámetros de rendimiento clave

Figura ruidosa y sensibilidad

0.2 figura de ruido (NF) es la especificación primordial de cualquier amplificador de LNB. Cuantifica la degradación de la relación de señal a ruido causada por el amplificador. Para la recepción por satélite, la temperatura del ruido del sistema está dominada por la figura de ruido de LNB más la temperatura de ruido de la antena (normalmente 30-60 K en cielo claro).

Para minimizar la figura de ruido, los diseñadores eligen transistores con una cifra mínima de ruido muy baja (Fmin). Por ejemplo, GaAs pHEMT dispositivos de fabricantes como Qorvo o Infineon] ofrece valores Fmin por debajo de 0.2 dB a 12 GHz.

Ganar y ganar la flatness

El rendimiento total del amplificador de frecuencias LNB varía de 25 a 40 dB, distribuido en dos o tres etapas. La primera etapa proporciona ganancia moderada (10 a 15 dB) para reducir la contribución del ruido de la segunda etapa. La segunda etapa proporciona una variación de 12 a 15 dB, y si se utiliza una tercera etapa, se añade más ganancia pero debe ser cuidadosamente diseñado para evitar la oscilación.

Linearidad e Intermodulación

Las señales de satélite pueden ser relativamente fuertes desde transpondedores cercanos, pero más importante aún, el amplificador debe manejar múltiples portadores simultáneamente sin crear distorsión de intermodulación (IMD).La línea de línea estándar para los amplificadores LNB es el punto de interceptación de tercer orden (OIP3).

Otra preocupación de la linealidad es la compresión: el punto de compresión 1-dB del amplificador (P1dB) debe ser lo suficientemente alto para manejar la potencia máxima de la señal sin distorsión. Para un LNB típico, P1dB debe superar -5 dBm en la salida, lo que asegura que las señales fuertes (por ejemplo, desde un satélite cercano o interferente terrestre) no conduzcan el amplificador en la saturación.

Impedancia de emparejamiento y VSWR

El biselado de la banda de alta calidad (con una frecuencia de 50 ohmios) es un sistema de respuesta de alta resistencia (con una frecuencia de 50 ohmios) y un sistema de sonido de alta resistencia (con una frecuencia de 50 ohmios).

Tecnologías de transistor para amplificadores LNB

GaAs pHEMT

Los transistores de alta movilidad de PHEM (pHEMT) hechos de arsénico de gallium son la tecnología dominante para los amplificadores de RF de LNB. Ofrecen cifras de ruido extremadamente bajas (0.15–0.3 dB a 12 GHz), alta ganancia (12–15 dB por estadio), y buena linealidad.

SiGe BiCMOS

El control de la frecuencia de silicona (SiGe) de los transistores bipolares (HBT) ofrece una alternativa de menor costo a los GaAs, especialmente para los LNB altamente integrados que combinan el amplificador RF con el mezclador y oscilador local en un solo chip. La tecnología SiGe BiCMOS permite cifras de ruido de 0,5–0 dB a 12 GHz, que es aceptable para muchas aplicaciones de compensación de terminales.

InP HEMT

Para aplicaciones que requieren el rendimiento máximo de baja altura, como recepción científica por satélite o terminales de abertura muy pequeña (VSAT), fosfosuro de indio (InP) HEMTs proporcionan cifras de ruido por debajo de 0.1 dB en Ku-band y por debajo de 0.3 dB en Ka-band. La tecnología InP ofrece mayor movilidad de electrones y menor parasitario que GaAs, pero a un costo más alto y con mayor sensibilidad

Metodología de diseño y simulación

Diseño esquemamático

El proceso de diseño comienza con la selección del transistor y su punto de sesgo. Para un LNA de dos etapas, la primera etapa se bifurca por el ruido mínimo (actualización de corriente alrededor del 10-20% de los Ids), y la segunda etapa se biseca para un compromiso entre ruido y linealidad. Las redes de sesgo deben desvincularse del camino RF utilizando resistores de serie seguido por líneas de transmisión λ/4 o autocoa

Simulación con ADS o AWR

La simulación de HNB es indispensable para el diseño de amplificadores modernos. Herramientas como Keysight ADS o Cadence AWR permiten al diseñador modelar el transistor utilizando sus parámetros de s y ruido proporcionados por el fabricante. Las redes de acoplamiento iniciales se sintetizan utilizando técnicas de gráfico Smith o algoritmos de optimización.

Consideraciones sobre el diseño

El diseño de amplificador RF es tan importante como el esquema.Los puntos críticos incluyen: el camino RF más corto, el plano de tierra aislado bajo el transistor, y las líneas de suministro bien llenas. La red de ajuste de entrada debe estar cerca de la puerta de transistor para minimizar la pérdida parasitaria.

Desafíos prácticos de la aplicación

Indemnización por temperatura

El sistema de control térmico de la temperatura de la lupa también puede variar según la temperatura del transistor. El rendimiento de la lupa de la temperatura de la lupa puede variar según el coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que disminuye a medida que aumenta la temperatura. Sin compensación, la ganancia de la LNB puede variar en 3-5 dB a +70°C.

Filtro de ruido de fuente de alimentación

El sistema de transmisión de señales de LNB recibe su potencia de DC del cable coaxial (13-18 V DC, dependiendo de las órdenes de polarización y tono). Este suministro puede contener ondulaciones, interferencia de los reguladores de conmutación del receptor, y picos transitorios.Los circuitos de sesgo del amplificador deben ser fuertemente filtrados mediante cuentas de ferrite, condensadores de cerámica desprendimiento y posiblemente un bajo goteo (LLT)

Escudo e aislamiento

El amplificador opera dentro de la carcasa LNB, que es típicamente un enclosure fundido en metal. El diseño interno debe evitar el acoplamiento electromagnético entre la entrada y la salida. Un escudo metálico entre la primera y segunda etapa se utiliza con frecuencia, con una pequeña abertura para la línea de transmisión a través. El plano terrestre debe ser continuo bajo el amplificador; cualquier ranura puede irradiar o recoger la interferencia.

Pruebas y optimización

Medición de la figura de ruido

Después de la fabricación, la figura de ruido del amplificador se mide utilizando un analizador de la figura de ruido (por ejemplo, Keysight N8975A) con una fuente de ruido (por ejemplo, Keysight 346B). La medición debe realizarse en la banda de frecuencia real con la impedancia correcta. El amplificador debe colocarse en un enclosure blindado para evitar interferencias.

Mediciones de S-Parameter

Los parámetros de S se miden con un analizador de red vectorial (VNA) calibrado a los planos de referencia del conector. El amplificador debe ser estable bajo todas las impedancias de fuente y carga, que se verifica mediante la comprobación de que los s-parametros abruptos están libres de anomalías y que el factor de estabilidad (K) es mayor que 1. Ganancia de flatness, pérdida de rendimiento de entrada y pérdida de rendimiento de salida se leen directamente desde el borde de la línea de medición de o de separación.

Pruebas de linealidad

La línea QBLT es probada mediante una medición de dos toneladas. Dos tonos cuidadosamente espaciados (por ejemplo, 11.5 GHz y 11.51 GHz) son entradas al amplificador a un nivel que produce una potencia total de salida alrededor de -10 dBm. El espectro de salida se examina para los productos de intermodulación de terceros.

Ejemplo de flujo de diseño para un amplificador de Ku-Band LNB

Para ilustrar el proceso, considere un LNA de dos etapas para un LNB de Ku-band 10.7–12.75 GHz. Primero, seleccione un PHEM de GaAs como el NE3509M04. Usando los parámetros de s-parameter del fabricante y de ruido, sesgo el primer transistor en Vds=2 V, Id=10 mA (bajo ruido).

Tendencias emergentes y futuras direcciones

Los sistemas de amplificación de bandas LN pueden reducir el tamaño de la banda ancha, pero para los más grandes de ancho de banda, estos son los mejores equipos de sonido de la banda. Los equipos de alta velocidad pueden comenzar a aparecer en aplicaciones de alta línea, pero para el rendimiento de alta velocidad, GaAs e InP pueden ser los mejores equipos de trabajo.

Conclusión

Diseño de amplificadores RF para los convertidores de bajo nivel de ruido es un campo exigente que equilibra los requisitos de ultra-bajo ruido, alta ganancia, ancho de banda ancha, linealidad y estabilidad térmica. Al seleccionar cuidadosamente la tecnología transistor, optimizar el sesgo y las redes de combinación, y rigurosamente simular y probar, los ingenieros pueden producir amplificadores que ofrecen el rendimiento necesario para una recepción segura de satélite.