La conception d'amplificateurs RF pour les convertisseurs à blocs à faible bruit (LNB) est un aspect critique des systèmes de récepteurs par satellite. Ces amplificateurs permettent d'amplifier les signaux extrêmement faibles reçus des satellites avec un minimum de bruit supplémentaire, en préservant l'intégrité du signal pour un traitement précis par le récepteur. Dans un environnement où les pertes de signal dans l'espace et l'atmosphère peuvent dépasser 200 dB, la performance de l'amplificateur de premier étage détermine fondamentalement la sensibilité globale du système.

Aperçu des NNB dans la réception par satellite

Un convertisseur de descente à basse fréquence sert de façade à chaque système de télévision par satellite ou de VSAT. Monté au centre de la boîte parabolique, le LNB reçoit le signal satellite à haute fréquence, l'amplifie et le mélange à une fréquence intermédiaire (généralement 950–2150 MHz pour les systèmes de consommation) qui peut être transmise par câble coaxial au récepteur intérieur. L'amplificateur RF constitue la première étape active de cette chaîne. Sa figure sonore ajoute directement à la température sonore globale du système, ce qui en fait la composante la plus critique pour atteindre un rapport porte-bruit suffisant. Même une amélioration de 0,1 dB de la figure sonore peut se traduire par une augmentation significative de la marge de liaison ou permettre le fonctionnement avec une antenne de plus petite taille.

La LNB doit également rejeter les interférences hors bande provenant de sources terrestres, radars et signaux satellites adjacents. La sélectivité de l'amplificateur RF, combinée à des filtres de passe-bande, aide à empêcher ces signaux indésirables de saturer le mélangeur de convertisseurs. De plus, l'amplificateur doit fonctionner de façon fiable sur une large plage de température (-40°C à +70°C pour les installations extérieures) tout en maintenant une performance de gain et de bruit stables.

Rôle de l'amplificateur RF dans une NNB

L'amplificateur RF dans un LNB est presque toujours mis en œuvre comme un amplificateur à faible bruit multistage (LNA). La première étape est optimisée pour la plus basse figure de bruit possible, souvent en utilisant un seul transistor biaisé près de son courant de bruit minimum. Les étapes suivantes sont conçues pour fournir un gain supplémentaire tout en maintenant la linéarité. L'amplificateur doit également dégrader la figure de bruit des étapes suivantes selon la formule Friis: lorsque la première étape a un gain élevé (généralement 15-20 dB), les apports de bruit des étapes ultérieures sont supprimés, permettant au chiffre de bruit global d'approcher celui du premier transistor.

Au-delà du bruit et du gain, l'amplificateur doit s'interfacer correctement avec le cor d'alimentation (antenne) et le mélangeur. Les impédances d'entrée et de sortie sont généralement de 50 ohms pour les interfaces coaxiales, mais le cor d'alimentation peut présenter une impédance différente nécessitant un réseau correspondant. La sortie de l'amplificateur doit conduire le mélangeur avec une puissance suffisante, souvent autour de -10 à 0 dBm, sans générer d'harmoniques ou de produits d'intermodulation importants.

Paramètres de performance clés

Figure du bruit et sensibilité

Pour la réception par satellite, la température sonore du système est dominée par la valeur sonore de la LNB et la température sonore de l'antenne (habituellement 30–60 K dans le ciel clair).Un LNB à bande Ku typique permet d'obtenir un chiffre sonore compris entre 0,3 et 0,6 dB, correspondant à une température sonore de 20–45 K à 290 K ambiante. Le chiffre sonore du premier transistor seul est souvent 0,2–0,4 dB, mais après avoir tenu compte des pertes de réseau correspondantes, des contributions de circuits biais et des parasites du fil de liaison, l'amplificateur total NF peut augmenter de 0,1–0,2 dB. Chaque 0,1 dB de chiffre sonore supplémentaire réduit le budget de liaison d'environ 0,1 dB, ce qui, pour un signal satellite marginal, peut signifier la différence entre une image stable et la pixelation.

Pour minimiser le bruit, les concepteurs choisissent des transistors avec un minimum de bruit très faible (Fmin).Par exemple, les dispositifs GaAs pHEMT de fabricants comme Qorvo[ ou Infineon offrent des valeurs Fmin inférieures à 0,2 dB à 12 GHz. Le transistor doit être biaisé au courant optimal pour le bruit minimum, qui est souvent une fraction de son courant saturé (Idss).Le réseau d'entrées doit présenter l'impédance sonore optimale (=opt) au transistor simultanément avec une bonne impédance pour le transfert de puissance, compromis qui conduit parfois à une légère inadéquation pour obtenir la meilleure performance sonore.

Gain et gain de planéité

La première étape permet un gain modéré (10–15 dB) pour réduire la contribution sonore de la deuxième étape. La seconde étape fournit 12–15 dB supplémentaires et, si une troisième étape est utilisée, elle ajoute un gain supplémentaire, mais doit être soigneusement conçue pour éviter l'oscillation. Pour obtenir une plate-forme à travers la bande passante de la LNB (p. ex. 10,7–12,75 GHz pour la bande Ku) est important pour éviter la distorsion d'amplitude des signaux modulés. Une spécification typique exige une variation de moins de ±0,5 dB à travers la bande. Pour ce faire, il faut concevoir avec soin des réseaux de correspondance entre les étages et utiliser des transistors avec des caractéristiques de gain plat par rapport à la fréquence.Les techniques de rétrofiltrage telles que la dégénérescence de source avec un petit inducteur ou une résistance peuvent aider à aplatir et améliorer la stabilité à basse fréquence.[

Linéarité et intermodulation

Les signaux satellitaires peuvent être relativement forts des transpondeurs voisins, mais surtout, l'amplificateur doit gérer plusieurs supports simultanément sans créer de distorsion d'intermodulation (DIM). La mesure de linéarité standard pour les amplificateurs LNB est le point d'interception de sortie du troisième ordre (OIP3). Un amplificateur LNB typique devrait obtenir un OIP3 d'au moins +10 dBm pour maintenir les produits d'intermodulation en dessous du seuil du récepteur.Dans de nombreux modèles, la troisième étape est la source dominante de non-linéarité parce qu'elle voit les plus grands niveaux de signal. La dispersion du transistor au courant de drainage supérieur améliore la linéarité mais augmente la consommation de puissance. Il faut faire des compromis entre le chiffre du bruit (qui exige un courant faible) et la linéarité (qui exige un courant plus élevé).

Une autre préoccupation de linéarité est la compression : le point de compression 1 dB (P1dB) de l'amplificateur devrait être suffisamment élevé pour gérer la puissance de pointe du signal sans distorsion. Pour un LNB typique, P1dB devrait dépasser -5 dBm à la sortie, ce qui garantit que les signaux forts (par exemple, d'un satellite voisin ou d'un interférateur terrestre) ne conduisent pas l'amplificateur à la saturation.

Correspondance d'impédance et VSWR

L'ajustement de l'impédance est essentiel pour maximiser le transfert de puissance et minimiser les réflexions qui peuvent entraîner une onde ou une oscillation. L'entrée de l'amplificateur LNB doit être adaptée à l'impédance de la corne d'alimentation (généralement 50 ohms, bien que certains flux de guides d'onde présentent 75 ohms). La sortie doit être adaptée à la ligne de transmission de 50 ohms menant au mélangeur. Le rapport de tension debout (VSWR) dans les deux ports devrait être supérieur à 2:1 dans la bande et de préférence inférieur à 1,5:1 pour éviter des pertes excessives d'embranchement. Dans les conceptions à large bande (p. ex., la liaison descendante de la bande Ku entière), obtenir une bonne correspondance d'entrée simultanément avec un chiffre faible de bruit est difficile parce que l'opt diffère souvent de 50 Φ. Les concepteurs utilisent des techniques telles que la rétroaction inductive en série ou l'insertion d'une petite résistance dans la ligne de biais de porte pour élargir significativement l'adéquation sans bruit dégradant. L'utilisation

Technologies de transistor pour amplificateurs LNB

GaAs pHEMT

Les transistors à haute mobilité électronique Pseudomorphe (pHEMT) en arsénide de galle sont la technologie dominante pour les amplificateurs RF LNB. Ils offrent des chiffres de bruit extrêmement bas (0,15–0,3 dB à 12 GHz), un gain élevé (12–15 dB par étape) et une bonne linéarité. Le substrat GaAs offre une faible perte et une bonne conductivité thermique par rapport aux autres matériaux III-V. Des dispositifs typiques, tels que le NEC NE3509M04 ou la série Qorvo TGF2960, sont disponibles en petits paquets de surface ou sous forme de matrices pour l'intégration hybride.

SiGe BiCMOS

Les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) au silicium-germanium (SiGe) offrent une alternative à coût moindre aux GAA, en particulier pour les GNL hautement intégrés qui combinent l'amplificateur RF avec le mélangeur et l'oscillateur local sur une seule puce. La technologie SiGe BiCMOS permet des valeurs sonores de 0,5 à 1,0 dB à 12 GHz, ce qui est acceptable pour de nombreuses applications de consommation. Son principal avantage est la capacité d'inclure des circuits de contrôle numérique, la compensation de biais et des étapes de gain multiples sur la même matrice.

HEMT inP

Pour les applications nécessitant une performance ultime à faible bruit, comme la réception scientifique par satellite ou les terminaux à très petite ouverture (VSAT), les HEM à phosphature d'indium (InP) fournissent des chiffres sonores inférieurs à 0,1 dB à la bande Ku et inférieurs à 0,3 dB à la bande Ka. La technologie InP offre une mobilité électronique plus élevée et des parasites inférieurs à GaAs, mais à un coût plus élevé et avec une fabrication plus difficile. Les HEM à inP sont généralement utilisés dans la première étape des LNB haut de gamme où chaque dixième d'un dB est important. Ils nécessitent une manipulation soigneuse et une alimentation propre en courant continu en raison de la sensibilité aux décharges électrostatiques.

Méthodologie de conception et simulation

Conception schématique

Pour une LNA à deux étapes, la première étape est biaisée pour le bruit minimum (courant d'écoulement autour de 10 à 20 % des Idss), et la seconde étape est biaisée pour un compromis entre bruit et linéarité. Les réseaux de biais doivent être découplés du chemin RF à l'aide de résistances série suivies de lignes de transmission λ/4 ou de claves discrètes à haute fréquence autorésonne. Le biais de barrière nécessite généralement une tension négative, qui peut être générée à partir d'une tension positive à l'aide d'une pompe de charge ou d'un régulateur de tension négatif commercial.

Simulation avec ADS ou AWR

La simulation est indispensable pour la conception moderne de l'amplificateur LNB. Des outils comme le système ADS Keysight ou le système AWR Cadence permettent au concepteur de modéliser le transistor en utilisant les paramètres s et les paramètres sonores fournis par le fabricant. Les réseaux de couplage initiaux sont synthétisés en utilisant des techniques de cartes Smith ou des algorithmes d'optimisation. Le concepteur effectue généralement des simulations de petits signaux pour vérifier le gain, la figure du bruit et la correspondance entrée/sortie. Ensuite, des simulations de balance harmonique sont utilisées pour évaluer la linéarité (IP3, P1dB) et le comportement des grands signaux. Il est essentiel d'inclure des modèles pour tous les composants passifs, y compris les fils de liaison, par induction et par parasite de la plaque de soudure. La mise en page doit être co-simulée en utilisant la simulation électromagnétique (p. ex. Momentum ou HFSS) pour tenir compte du couplage entre les traces et les interactions planes au sol.

Considérations générales

Les points critiques comprennent : le trajet RF le plus court, le plan de terre isolé sous le transistor et les lignes d'alimentation bien filtrées. Le réseau de couplage des entrées devrait être proche de la barrière du transistor pour minimiser les pertes parasitaires. Les vias au sol doivent être abondants et placés aussi près que possible des coussinets de source pour réduire l'inductance de source, ce qui dégrade le gain et le bruit. Le revêtement utilise des parois métalliques à la terre (via les clôtures) pour prévenir les fuites de signaux et les oscillations Dans un plan en deux étapes, la sortie de la deuxième étape devrait être physiquement séparée de l'entrée pour éviter les rétroactions.

Problèmes pratiques de mise en œuvre

Compensation de température

Le gain total du transistor peut varier de 3 à 5 dB sur -40°C à +70°C. Les concepteurs utilisent des circuits de biais actifs qui règlent la tension de la porte ou le courant de drainage pour stabiliser le gain. Une solution simple consiste à utiliser un transistor de détection de température (par exemple, un transistor relié à la diode) qui modifie la tension de biais inversement avec la température. Une table de recherche dans un microcontrôleur peut aussi ajuster le biais pour des performances uniformes. Le chiffre de bruit se dégrade également à des températures élevées, de sorte que la gestion thermique par montage du LNB sur un dissipateur thermique ou par l'utilisation d'un boîtier conducteur thermique est souvent utilisée.

Filtre au bruit d'alimentation

Le LNB reçoit sa puissance en courant continu du câble coaxial (13–18 V DC, selon les commandes de polarisation et de tonalité).Cette alimentation peut contenir des ondulations, des interférences des régulateurs de commutation du récepteur et des pics transitoires.Les circuits de biais de l'amplificateur doivent être fortement filtrés à l'aide de billes de ferrite série, de condensateurs céramiques de chasse et éventuellement d'un régulateur de faible écoulement (LDO) pour la première étape sensible. Tout couplage sonore dans le biais de la porte du premier transistor modifiera le signal RF et dégradera le rapport signal-bruit. Il est courant d'utiliser plusieurs étapes de filtrage RC ou LC dans les lignes de biais, avec une disposition soignée pour isoler le noeud de biais sensible de l'étape de sortie à haute intensité.

Bouclier et isolement

L'amplificateur fonctionne à l'intérieur du boîtier de la LNB, qui est généralement un boîtier moulé en métal. La disposition interne doit empêcher le couplage électromagnétique entre l'entrée et la sortie. Un mur de protection métallique entre la première et la deuxième étape est souvent utilisé, avec une petite ouverture pour que la ligne de transmission passe. Le plan de terre doit être continu sous l'amplificateur; toute fente peut rayonner ou capter l'interférence. Le couvercle de la couverture doit être mis à la terre autour de son périmètre avec des joints conducteurs ou de nombreuses vis. Les connecteurs coaxiaux d'entrée et de sortie doivent être correctement mis à la terre au châssis pour empêcher les boucles au sol. Dans les LNB à double polarisation, l'isolement entre les deux amplificateurs doit dépasser 20 dB pour éviter l'interférence de polarisation croisée.

Essais et optimisation

Mesure du bruit

Après la fabrication, la valeur sonore de l'amplificateur est mesurée à l'aide d'un analyseur de la figure sonore (p. ex., Keysight N8975A) avec une source sonore (p. ex., Keysight 346B). La mesure doit être effectuée dans la bande de fréquences réelle avec l'impédance correcte. L'amplificateur doit être placé dans un boîtier blindé pour éviter les interférences ambiantes. La valeur sonore peut être démarquée au plan de référence de l'entrée du transistor. Typiquement, les mesures doivent être répétées sur la température pour saisir la dérive de performance. Toute différence entre la valeur sonore simulée et la valeur mesurée indique habituellement une perte excessive dans le réseau de couplage d'entrée, un mauvais montage du transistor ou une induction parasitaire.

Mesures du paramètre S

Les paramètres S sont mesurés avec un analyseur de réseau vectoriel (VNA) étalonné sur les plans de référence du connecteur. L'amplificateur doit être stable sous toutes les impédances de source et de charge, ce qui est vérifié en vérifiant que les paramètres S sont exempts d'anomalies et que le facteur de stabilité (K) est supérieur à 1. Gain de planéité, perte de retour d'entrée et perte de retour de sortie sont directement lus à partir des mesures du paramètre S. L'oscillation peut souvent être identifiée par un changement brusque de s21 près des bords de bande ou à basse fréquence.

Essai de linéarité

Deux tons étroitement espacés (p. ex., 11,5 GHz et 11,51 GHz) sont introduits dans l'amplificateur à un niveau qui produit une puissance de sortie totale autour de -10 dBm. Le spectre de sortie est examiné pour les produits d'intermodulation de troisième ordre. L'OIP3 est ensuite calculé à partir des niveaux fondamentaux et IM3. Pour les amplificateurs LNB, l'OIP3 devrait être de +5 à +15 dBm selon l'application. Le point de compression 1 dB est mesuré en augmentant la puissance d'entrée jusqu'à ce que le gain de sortie diminue de 1 dB par rapport à la valeur linéaire. Ces mesures confirment si la conception répond aux exigences de linéarité pour le schéma de modulation prévu (p. ex. QPSK, QAM ou DVB-S2X)[.

Exemple de débit de conception pour un amplificateur Ku-Band LNB

Pour illustrer le processus, il faut considérer un AMT en deux étapes pour un NNB en bande Ku couvrant 10,7 à 12,75 GHz. D'abord, choisir un GA pHEMT tel que le NE3509M04. Utiliser les paramètres s-paramètres et les paramètres sonores du fabricant, biaiser le premier transistor à Vds=2 V, Id=10 mA (faible bruit). Concevoir un réseau d'appariement d'entrées en combinant une ligne de transmission série et un stub ouvert de chasse pour transformer 50 ↓ en impédance sonore optimale. Simuler l'étape et vérifier NF < 0.4 dB and gain > 12 dB. Pour la deuxième étape, biaiser le même transistor à Vds=2 V, Id=20 mA pour une meilleure linéarité. Concevoir un réseau d'appariement entre les étapes pour fournir un gain plat à travers la bande.

Tendances et orientations futures

Les amplificateurs LNB doivent atteindre des fréquences plus élevées en bande Ka et en bande Q/V pour les services à large bande.Les GEMG commencent à apparaître dans les applications à haute linéarité, mais pour les systèmes à faible bruit, les GEA et les InP restent les chevaux de travail. L'arrivée de GEMS monochips complets réduira la taille et les coûts, mais ne permettra pas d'obtenir les meilleures performances sonores.Les récepteurs satellites définis par logiciel qui peuvent s'adapter à de multiples bandes peuvent nécessiter des amplificateurs LNB réglables ou adaptés, ce qui pose de nouveaux défis de conception.

Conclusion

La conception d'amplificateurs RF pour les convertisseurs à blocs à faible bruit est un domaine exigeant qui équilibre les exigences contradictoires de bruit ultra-faible, de gain élevé, de largeur de bande large, de linéarité et de stabilité thermique.En choisissant soigneusement la technologie des transistors, en optimisant les biais et les réseaux correspondants, et en simulant et en testant rigoureusement les amplificateurs, les ingénieurs peuvent produire des amplificateurs qui fournissent les performances nécessaires pour une réception fiable par satellite. L'évolution continue des communications par satellite vers des fréquences plus élevées et une plus grande largeur de bande maintiendra l'amplificateur LNB comme un axe de recherche et de développement crucial. Les concepteurs pratiques gardent une bonne compréhension de la théorie des lignes de transmission, de la physique des transistors et des techniques de mesure, les appliquant pour créer des amplificateurs qui tirent le plus léger murmure d'un signal des profondeurs de l'espace.