מבוא ל- RF Amplifier Tuning with S-Parameters

תדר רדיו (RF) מגבר טופס עמוד השדרה של תקשורת אלחוטית מודרנית, מערכות מכ"ם, משדרים, ומכשירי בדיקה.בכל אחת מהיישומים האלה, המגבר חייב לספק רווח עקבי, רעש נמוך, לינאריות גבוהה, ויציבות ללא תנאי לאורך הלהקה התפעולית שלו. Achieving רמה זו של ביצועים הוא לעתים רחוקות עניין של חיבור רכיבים; הוא דורש כוונון שיטתי המבוסס על הבנה קפדנית של המכשיר של פרמטרים של תהליכי פיתוח בזמן אמתי, אשר נקראים שיפור משמעותי של אופטימיזציה, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, שיפור משמעותי של תהליכי אופטימיזציה של תהליכי אופטימיזציה של תהליכי פיתוח מאובטחים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, שיפור משמעותי של תהליכי אופטימיזציה של תהליכי אופטימיזציה של תהליכי אופטימיזציה של תהליכי אופטימיזציה של תפקוד יעיל של תהליכי פיתוח מאובטחים, רק לעתים רחוקות, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, רק לעתים נדירות, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, רק לעתים רחוקות יותר של תהליכי אופטימיזציה של תפקודים של תהליכי אופטימיזציה של תהליכי אופטימיזציה של תפקודים של תפקוד זה, כלומר, רק לעתים נדירות, כלומר, כלומר, רק לעתים רחוקות יותר של שיטות טיפול, רק לעתים נדירות יותר של תהליכי אופטימיזציה של

מה הם S-Parameters?

S-parameters הם קבוצה של מספרים מורכבים אשר לאפיין באופן מלא את ההתנהגות ליניארית של רשת RF בנקודת תדר וטיה נתונה.הם נקראים פרמטרים "מרתיעים" כי הם מתארים כיצד גלי כוח אירועים מפוזרים או משתקפים בכל נמל של המכשיר.עבור רשת של שני-פורט כגון transistor או amplifier, ארבעה S-meters מוגדרים:

  • (ב) ⁇ :0 s11IRLT:1 ; Input Reflect Coefficient: היחס של הגל המשקף בנמל 1 לגל האירוע בפורט 1, עם פורט 2 הסתיים בעומס מתאים.
  • (ב) ⁇ :0.S21IRLT:1 ; מהדורת השידור (gain): יחס הגל המועבר בפורט 2 לגל האירוע בפורט 1.
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [17]0.S22igmFLT:1 ; השתקפות חיצונית יעילה: היחס של הגל המשקף בנמל 2 לגל האירוע בפורט 2, עם פורט 1 הסתיים בעומס מתאים.

כל S-parameter הוא וקטור עם גודל ושלב, בדרך כלל בא לידי ביטוי ב decibels (dB) עבור גודל ודרגות או רדיונים עבור שלב. מודרני ו מנתחים ברשת (VNAs) למדוד את הפרמטרים האלה ישירות על ידי הזרקת אות סחף והשוואה של אירוע, משתקף, וגלי שידור.ה וכתוצאה מכך הנתונים S-parameter וכתוצאה מכך מספק מודל קטן לחלוטין של המגבר, המאפשר למהנדסים, לנבא, לנבא, לנבא, ליציבות, ליציבות, ליציבות, ללא ביצועים מורכבים, ללא תפקודים מורכבים.

הבנת S-parameters היא חיונית כי הם יוצרים את השפה של עיצוב RF.כאשר amplifiers S-parameters ידועים, מהנדס יכול להשתמש ⁇ סמית, מעגלים יציבות, ולהשיג מעגלים כדי לעצב רשתות התאמה אשר משנים את קלט הפלט של transistor ואת הפלט מתפזר למקור הרצוי ועומסים (ply 50 ⁇ ).תהליך זה, המכונה Spara הוא מפתח של RF.

חשיבות אופטימיזציה S-Parameter

אופטימיזציה של S-parameters מתורגמת ישירות לתוך מדדי ביצועים משופרים.היתרונות החשובים ביותר כוללים:

  • (ב) [15] ,0) ,הרווחה המקסימאלית: 1FLT (בקיצור מיפוי והתאמה לתפוקה (נמוכה) ו-*S22), יותר כוח מועבר בין שלבים, לבין הרווח הכולל (S21) מתקרב לרווח המקסימלי הזמין של טרנסיסטאור.
  • (FLT:0) יציבות מודגשת: FLT:1igation מבטיח כי המגבר אינו מתוסכל תחת כל מקור פסיבי או אימפולס עומס.Stability הוא להעריך באמצעות גורם יציבות רולט (K) ואת מצב העזר ( ⁇ כוונון S-paras על ידי הוספת טעינה התנגדות, משוב, או סדרות / אלמנטים של סטו יכול לנוע מצב יציב לתוך יציבות ללא תנאי.
  • (FLT:0) , 000 מושג רעש: 1FLT 1 ב מגברי רעש נמוכים (LNAs), דמות הרעש תלויה במניעת המקור המוצגת לטרנסטור. אופטימיזציה S-parameter מאפשר למעצב לסחור ברווח לרעש על ידי בחירת אימפולס מקור כי הוא קרוב לאימפולסי רעש אופטימלי, עדיין מספק קלט סביר באמצעות התאמה רשת ללא פגע.
  • (ב) רוחב פס:0 (Wider רוחב פס: 1FLT) 1 אופטימיזציה של S-parameters על פני טווח תדר, ולא במקום אחד, מניב מגברי פס רחב עם רווח שטוח ותגובה עקבית של שלב.
  • (FLT:0) לינאריות ויעילות טובה יותר: FLT:1eur בעוד S-parameters הם פרמטרים קטנים חתימה, אופטימיזציה שלהם מגדירה את נקודת ההתחלה עבור כוונון גדול של אותות קטנים, עיצוב מצוין קטן בעל חתימה לעתים קרובות מוביל עיצוב גדול יותר עם עיוות פחות יעילות גבוהה יותר של כוח (PAE).

ללא אופטימיזציה שיטתית S-parameter, מגבר RF עלול לסבול מoscillations, רווח לקוי שטוחה, אובדן יתר של התנהגות לא צפויה כאשר משולב במערכת גדולה יותר.בהתחשב בעלויות גבוהות של ייצור ואת הקושי של התאמות שלאחר מעשה, מקבל את ה- S-פרמטרים נכון בסימולציה הוא הרבה יותר יעיל מאשר להסתמך על ניסויים אמפיריים-טרור.

מפתח S-Parameters in amplifier Tuning

למרות שכל ארבעת תחומי העניין של S-parameters, כל אחד מהם ממלא תפקיד ייחודי בתהליך הכוונון. הבנה עמוקה יותר של חשיבותם מסייעת למהנדסים להחליט איזו פרמטר לעדיפות בכל שלב של עיצוב.

S11 - Input Reflection Coefficient

S11 מציין כמה טוב קלט של המגבר מתאים למקור אימפולסיביות. A נמוך |S11 (בדרך כלל מתחת -10 dB, כלומר, 0.316 במונחים ליניאריים) פירושו כי פחות מ -10% מכוח האירוע משתקף, כך שרוב הכוח נכנס למגרשים קבועים (Tnetwork) כולל תכנון רשת התאמה שמשנה את ה-Santss של ה-S11 ל-repertatives (מתאים באופן קבוע) אם הוא גם ל-Snetworks) משפיע על ה-to S11 (בדרך כלל על ידי שימוש ב-to Snet).

S21 - Forward Gain

S21 הוא המדד הישיר ביותר של רווח החתים הקטן של המגבר ב- dB, זה פשוט היחס של כוח הפלט לעוצמה קלט. Tuning עבור S21 מקסימלי הוא לעתים קרובות רצוי, אבל בדרך כלל מוגבל על ידי יציבות דרישות רעש.הרווח המקסימלי זמין (MAG) ואת הרווח היציב המקסימלי (MSG) הם דמויות של ערך נגזר S-paras:

S12 - ULIsolation

S12 מודד את כמות האותות כי דליפות מן הפלט בחזרה לבידוד הפוך גבוה (נמוך) חשוב למניעת עומסי פלטה ממטרידים את התאמת הקלט (תופעה המכונה "העומס") במגברי מרובב, בידוד גרוע בין שלבים יכול לגרום אינטראקציות בין שלבים לשלבים באופן מלא כי degrade עלייה כוללת רוחב פס.

S22 - Output Reflection Coefficient

S22 מציין כיצד הפלט של המגבר מתאים לעומס. A נמוך S22 מזער השתקפות של הפלט, אשר קריטי עבור מתן כוח מקסימלי לעומס ושמירה על רווח עקבי בעת נהיגה עומסים משתנים (למשל, אנטנה עם מתאם נתונים משתנה), עיצוב רשת אופטימיזציה מתאים הוא אנלוגיה להתאים לעתים קרובות לעוצמה מסוימת, אך חייב גם לשקול את התפוקה המתאימה כוח אמיתי, אם כן, באופן קבוע, לא מתאים לאפקטים).

טכניקות לאופטימיזציה S-Parameter

אופטימיזציה S-parameter אינה פעולה אחת; זהו תהליך רב-שלבי המשלב עיצוב אנליטי, סימולציה וכוונון אמפירי.הטכניקות הבאות יוצרות את ערכת הכלים הליבה עבור מהנדסי מגבר RF.

עקבו אחרי Networks

הדרך הישירה ביותר לייעל את S11 ו-S22 היא להכניס רשתות התאמה פסיביות בין המקור לבין קלטו של טרנזיטור ובין הפלט של הטרנזיטור לבין העומס.רשתות אלה מורכבות בדרך כלל מ- capacitors, מחנכים, ולעתים קווי שידור.תהליך העיצוב מתחיל על ידי גיבוש ה-S11 של טרנסיסטאור ו-S22 נתונים על תרשים סמית '.

  • (ב) [15] ויקרא י"ד: "ב"ה' (ב"ד) ,"ב) ,"ב"ה, "ה', "ה', ויקרא י"ד, ו"ה'" (במדבר כ"ד).
  • (ב) ⁇ :0) , 3 אלמנטים המציעים שליטה רבה יותר על רוחב פס ו- Q-factor.
  • (ב) ויקרא: "ב"ד: "ב"ה, שלושה מרכיבים המשמשים לעתים קרובות כאשר המקור והעומס הם מורכבים.
  • (ב) ,0) ,Quarter-wave Transformers: ⁇ 1 (בתרגום חופשי: ⁇ ) בשימוש עבור צניחה צרה כאשר הדחף להשתנות הוא אמיתי.

כלים מודרניים (Keysight ADS, Cadence AWR, NI AWR Design Environment, או קוד פתוח QucsStudio) מדביקים את הסינתזה של רשתות מותאמות ל-S11 ו-S22 ערכים. עם זאת, המהנדס חייב לוודא שהרשת אינה מקלקלת יציבות או מספר רעש של שגרה בכלים אלה יכולה לכוון ערכים למזער את ה-S11 ו-S22.

המונחים:

נקודת ההטיה של טרנזיטור (מתח נוכחי ואספן-emitter for BJTs; ניקוז זרם וריקני של כוח קוד עבור FET) משפיע מאוד על ה- S-parameters שלה. לדוגמה, הגדלת האספן ב BJT בדרך כלל מגביר את רמות הנטייה של ה- SCM, ולכן S21, אך גם מגביר את הפחתת החסימה ולהפחית את הבסיס, אשר יכול לפענוח בין מספר נקודות קצה, בדרך כלל, כלומר, הוא בדרך כלל, כלומר, כלומר, כלומר, נתון, לדוגמה, נתונים סטנדרטיים, כלומר, כלומר, הוא בדרך כלל, כלומר, כלומר, כלומר, לדוגמה, על מנת להתאים את ה- SMRID חיובי, כלומר, בדרך כלל, על מנת להתאים את ה-Spertativedציה יעילה.

סימבול ומודלים כלים

לפני כל חומרה בנויה, אופטימיזציה S-parameter מבוצעת בסימולציה.התהליך בדרך כלל עוקב אחר השלבים הבאים:

  1. ● עיין בנתונים של S-parameter של היצרן (בדרך כלל בפורמט Touchstone .s2p).
  2. צור schematic עם אלמנטים אידיאליים עבור רשתות התאמת ו decoupling הטיה.
  3. מטרות אופטימיזציה Define: מזער S11 ו-S22 מעל הלהקה, לשמור על K > 1, ולהגדיר S21 לערך מטרה.
  4. הפעל אלגוריתם אופטימיזציה אקראי או אופטימיזציה אקראי כדי להתאים את ערכי הרכיב.
  5. אימות התוצאה עם סימולציה אלקטרומגנטית (EM) כדי להסביר השפעות פרציטיות של עקבות PCB וטביעות אצבע רכיב.
  6. ליצור פריסה וסימולציה שוב עם בלוקים S-parameter המייצגים את פרציטיות הפריסה.

כלי סימולציה מרכזיים כוללים את סימולטור האיזון ההרמוני לניתוח לא לינארי ואת סימולטור S-parameter קטן לניתוח ליניארי. פלטפורמות סימולציה רבות כוללים גם את ה-FLT:0Smith תרשים כלי שירותים FLT:1 ו-FLT:2stability מארגן מעגל עיגולים של LT 3 כי להנחות את המהנדס באופן ויזואלי לקראת התאמה יציבה.

משוב ו-Stbilization Circles

כאשר הטרנזיטור הוא בלתי יציב (K < 1 בחלק כלשהו של הלהקה תדירות), אופטימיזציה S-parameter חייב לכלול רשתות ייצוב.

  • (ב) ,0) ,Series מתנגד בבסיס / גייט: ⁇ 1 (ה) מצמצם את הרווח נמוך, אך מוסיף רעש.
  • (ב) [15] , [15] , [15] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Parallel RC משוב מאספן / דראין לבסיס /gate:03FLT:1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • מקור:0 (מקור/זיכרון) התחדשות: 1FLT: A Inducor or Resistanceor in the Source /emitter, משפר את הפחתת הדבקות ואת לינאריות תוך שיפור היציבות.

הוספת משוב משנה את כל ארבעת ה- S-parameters. לדוגמה, ב- Common-emitter BJT עם משוב אספן-בסיס, S21 מופחת אך S12 (הטבעה) הופך גדול יותר (העברה הפוכה גבוהה יותר) המעצב חייב לדמות את ההשפעה המשולבת כדי להבטיח כי הייצוב אינו זוכה באופן בלתי חד פעמי או מספר רעש.

נוהלי כוונון

גם עם הסימולציה הטובה ביותר, המגבר הפיזי יהיה שונה בשל סובלנות רכיב, אינדוקטי parasitic, והפיכה לא ממודלים.הצעד האחרון באופטימיזציה של S-parameter הוא כוונון הרהרטיבי על הספסל באמצעות VNA. הליך ההיגוי בדרך כלל עוקב אחר הרצף הזה:

  1. מדדו את ה- S-parameters הראשוני של המגבר הלא-מתואם בוטה הרצויה.
  2. השווה את ה-S11 וה-S22 הממדדים עם המטרה (בדרך כלל ליד מרכז תרשים סמית).
  3. התאמת רכיבי הרשת התאמת קלט (החלפת כוהנים קבועים עם trimmers, או להחליק מזחלת כוונון בקו מבוזר) כדי להביא S11 קרוב יותר ל 50 ⁇ תוך התבוננות ב-S21 ויציבות.
  4. חזור על רשת התאמת התפוקה.
  5. אם oscillations להתרחש, להוסיף או להתאים רכיבי ייצוב, ולאחר מכן לחזור כדי להתאים.
  6. לאחר S11 ו-S22 הם משביעי רצון, למדוד את הרווח הקטן (S21) על פני הלהקה.אם מדרון הרווח אינו שטוח, להתאים את רשתות הבין-שלב או משוב.
  7. מלא לאפיין את ה- S-parameters הסופי ולוודא כי K > 1 על פני טווח תדר רחב (לעיתים קרובות מ DC ועד מעבר ללהקה).

תהליך זה עשוי לדרוש מספר רב של הנדסת ניסיון לעתים קרובות להתחיל עם אופטימיזציה פס צר ולאחר מכן להרחיב את טווח התדר, בהדרגה המסחר התאמה שטוחה.זה נפוץ להשתמש FLT:0broadbanding טכניקות התאמות FLT:1 כגון multi-סעיף L-networks או מסננים מחזרים משותפים כאשר מכוונים ל-octave או multiococta רוחב פס.

שיקולים מעשיים ב- S-Parameter Optimization

בעוד שהטכניקות לעיל ידועות, כמה אתגרים מעשיים יכולים לפגוע במאמץ אופטימיזציה אם לא מטפלים בהם.

אתגרים

מדידה S-parameter דורשת calibration זהירה של VNA (SOLT או TRL calibration) ותיקון נכון.עבור מגברי לוח, מטביעה את תיקון הבדיקה חיוני לבודד את הסימולציות S-פרמטרים של המגבר ממחבר, עקבות, וטיות.ללא מחיקה, נמדדת את הסימולציות הדרושות ל- S-S-S-S-CMs-S-S-Ricrepertatives-Rate, לעתים קרובות, מ-S-S-S-S-S-S-S-DPSR.comi-D.com, מ-S-S-D.com, מ-D.com, מ-D.com, מ-D.com, מ-D.com, מ-S-D.com, מ-D.com, כלומר, מ-D.com, מ-D.com, מ-D.com, מ-D.com, מ-D.com, מ-perating סימולציה שאינה מ-S-peratings-D.com, לעתים קרובות, מ-S-S-S-S-S-S-S-S-S-

בין רווח, יציבות ורעש

בעיצוב מגבר נמוך (LNA) עיצוב, את המקור האופטימלי לנתון רעש מינימלי ( ⁇ opt) הוא בדרך כלל שונה מהמשחק ה- conjugate הנדרש עבור רווח מקסימלי. אופטימיזציה S-parameter חייב לשקול פרמטרים רעש (Fmin, ⁇ opt, Rn) בנוסף ל- S-paras. מהנדסים מבססים מספר רעש קבוע על הטבלה לצד רווח סמית 'מקור מקובל' ו-Acc-cont מתאים באופן דומה ל-reconrecerecerecerecereativeance.

טמפרטורה ושינויים תהליכים

Transistor S-parameters להשתנות עם טמפרטורה ועם פיזור ייצור רב-ללוט. amplifier ב 25 מעלות צלזיוס עשוי להיות לא יציב ב -40 מעלות צלזיוס או +85 מעלות צלזיוס. מודרני אופטימיזציה של אופטימיזציה של אופטימיזציה עבודה סימולציה S-parameters בטווח הטמפרטורה באמצעות מודלים הכוללים אופטימיזציה טמפרטורה.

מסקנה

אופטימיזציה של S-parameter היא משמעת חיונית בעיצוב מגבר RF.על ידי הבנת המשמעות של כל S-parameter, מינוף רשתות התאמה, התאמת נקודות הטיה, שימוש בכלים סימולציה, וליישם ריצוף ספסלים רצטיבי, מהנדסים יכולים להשיג מגבר המספק את הרווח הנדרש, אופטימיזציה, תכונות רעש, ורוחב הפס.