La progettazione di amplificatori RF per Downconverters a basso rumore (LNB) è un aspetto critico dei sistemi di ricezione satellitare. Questi amplificatori garantiscono che i segnali estremamente deboli ricevuti dai satelliti siano amplificati con un minimo di rumore aggiunto, mantenendo l'integrità del segnale per un'elaborazione accurata dal ricevitore.

Panoramica dei LNB in ricezione satellitare

Un basso rumore Block Downconverter serve come front-end di ogni TV satellitare o sistema VSAT. Montato al centro del parabolico, LNB riceve il segnale satellitare ad alta frequenza, lo amplifica, e poi lo mescola fino a una frequenza intermedia (tipicamente 950–2150 MHz per i sistemi di consumo) che può essere trasmesso sopra cavo coassiale a catena interna.

L'LNB deve anche rifiutare interferenze fuori banda da fonti terrestri, radar e segnali satellitari adiacenti. La selettività dell'amplificatore RF, unita a filtri di bandpass, aiuta a impedire che questi segnali indesiderati saturino il mixer downconverter. Inoltre, l'amplificatore deve operare in modo affidabile su un ampio range di temperatura (-40°C a +70°C per installazioni esterne) mantenendo stabile guadagno e prestazioni di rumore.

Ruolo dell'amplificatore RF in un LNB

L'amplificatore RF in un LNB è quasi sempre implementato come amplificatore a basso rumore multistadio (LNA). La prima fase è ottimizzata per la minor quantità di rumore possibile, spesso utilizzando un singolo transistor biased vicino alla sua minima corrente di rumore. Le seguenti fasi sono progettate per fornire un ulteriore guadagno mantenendo la linearità. L'amplificatore deve anche declassare la figura rumore delle fasi successive secondo la formula Friis: quando la prima fase ha un alto guadagno (tipstor 15).

Oltre al rumore e al guadagno, l'amplificatore deve interfacciarsi correttamente con il corno di alimentazione (antenna) e il mixer. Le impedenze di ingresso e uscita sono tipicamente 50 ohm per interfacce coassiali, ma il corno di alimentazione può presentare una diversa impedenza che richiede una rete corrispondente. L'uscita dell'amplificatore deve guidare il mixer con potenza sufficiente, spesso intorno -10 a 0 dBm, senza generare le armoniche significative o i prodotti di intermodulazione.

Parametri di prestazioni chiave

Figura e sensibilità del rumore

Il valore del rumore (NF) è il valore di riferimento per qualsiasi amplificatore LNB. Si calcola il degrado del rapporto segnale-rumore causato dall'amplificatore. Per la ricezione satellitare, la temperatura del rumore del sistema è dominata dalla figura del rumore LNB più la temperatura del rumore dell'antenna (di solito 30-60 K in cielo chiaro).

Per minimizzare la figura del rumore, i progettisti scelgono i transistor con una figura di rumore minima molto bassa (Fmin). Ad esempio, i dispositivi GaAs pHEMT dei produttori come Qorvo] o Infineon] offrono valori Fmin inferiori a 0.2 dB a 12 GHz.

Gain e Gain Flatness

Il guadagno totale dell'amplificatore LNB RF varia tipicamente da 25 a 40 dB, distribuito su due o tre fasi. La prima fase fornisce un guadagno moderato (10–15 dB) per ridurre il contributo del rumore della seconda fase. La seconda fase fornisce ulteriori 12–15 dB, e se viene utilizzata una terza fase, aggiunge ulteriore guadagno ma deve essere attentamente progettato per evitare oscillazioni.

Linearità e intermodulazione

I segnali satellitari possono essere relativamente forti dai transponder vicini, ma più importanti sono i sistemi di amplificatore che devono gestire più vettori contemporaneamente senza creare distorsioni di intermodulazione (IMD). La linearità standard per gli amplificatori LNB è il punto di intercettazione di terzo ordine di uscita (OIP3).

Un'altra preoccupazione di linearità è la compressione: il punto di compressione 1-dB dell'amplificatore (P1dB) dovrebbe essere abbastanza alto da gestire la potenza del segnale di picco senza distorsioni. Per un tipico LNB, P1dB dovrebbe superare -5 dBm all'uscita, che assicura che i segnali forti (ad esempio, da un interruttore satellitare o terrestre vicino) non spingono l'amplificatore in saturazione.

Abbinamento di impedenza e VSWR

L'accoppiamento di impedenza è fondamentale per massimizzare il trasferimento di potenza e minimizzare le riflessioni che possono causare l'aumento o l'oscillazione. L'ingresso dell'amplificatore LNB deve essere abbinato all'impedenza del corno di alimentazione (tipicamente 50 ohms, anche se alcuni feed di guida d'onda presenti 75 ohm). L'uscita deve essere abbinata alla linea di trasmissione 50-ohm che porta al mixer.

Tecnologie Transistor per amplificatori LNB

pHEMT Gaas

I transistor di mobilità elettroni (pHEMT) realizzati con arsenide al galio sono la tecnologia dominante per gli amplificatori RF LNB. Essi offrono cifre estremamente basse di rumore (0,15-0,3 dB a 12 GHz), alto guadagno (12-15 dB per fase), e buona linearità.

SiGe BiCMOS

I transistor bipolari di dimensioni simili (HBT) offrono un'alternativa economica inferiore a GaAs, soprattutto per le LNB altamente integrate che combinano l'amplificatore RF con il mixer e l'oscillatore locale su un singolo chip. La tecnologia SiGe BiCMOS permette di calcolare il rumore di 0,5–N1.0 dB a 12 GHz, che è accettabile per molte applicazioni di consumo.

InP HEMT

Per le applicazioni che richiedono le prestazioni di basso rumore, come la ricezione satellitare scientifica o i terminali di apertura molto piccoli (VSAT), fosfo indio (InP) HEMTs forniscono figure di rumore inferiori a 0,1 dB a banda Ku e inferiore a 0.3 dB a banda Ka. La tecnologia InP offre una maggiore mobilità degli elettroni e una minore parassita rispetto a GaAs, ma ad un costo più elevato e con una più impegnativa produzione.

Metodologia di progettazione e simulazione

Progettazione schematica

Il processo di progettazione inizia con la selezione del transistor e del suo punto di riferimento. Per un LNA a due stadi, la prima fase è biased per il minimo rumore (corrente di elaborazione intorno al 10-20% di Ids), e la seconda fase è biased per un compromesso tra rumore e linearità. Le reti di Bias devono essere decoupled dal percorso RF utilizzando resistenze serie seguite da linee di trasmissione negative λ/4 o accordi discreti con tensione autocostante.

Simulazione con ADS o AWR

Gli strumenti come Keysight ADS o Cadence AWR permettono al progettista di modellare il transistor utilizzando i suoi parametri di s-parametri e di rumore forniti dal produttore. Le reti di corrispondenza iniziali sono sintetizzate utilizzando le tecniche di grafico Smith o gli algoritmi di ottimizzazione. Il progettista di solito effettua simulazioni di piccolo segno per verificare il guadagno, la figura del rumore e l'ingresso/uscita match.

Considerazioni sul layout

Il layout dell'amplificatore RF è importante come lo schema. I punti critici includono: il percorso RF più corto, il piano terra isolato sotto il transistor, e le linee di alimentazione ben filtrate. La rete di corrispondenza dell'ingresso dovrebbe essere vicina al cancello del transistor per ridurre la perdita parassita.

Sfide pratiche di attuazione

Compensazione della temperatura

Il sistema di controllo termico LNB è esposto a temperature esterne, il guadagno e il cambiamento della figura del rumore del transistor con temperatura. I pHEMT GaAs hanno un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che il guadagno diminuisce con l'aumento della temperatura. Senza compensazione, il guadagno globale LNB può variare di 3-5 dB oltre -40°C a +70°C. I progettisti usano circuiti di polarizzazione attivi che regolano la corrente di scarico per stabilizzare il guadagno.

Filtro del rumore di alimentazione

Il sistema LNB riceve la sua potenza DC dal cavo coassiale (13-18 V DC, a seconda della polarizzazione e dei comandi tono). Questa alimentazione può contenere la ricrescenza, l'interferenza dai regolatori di commutazione del ricevitore e le punte transitorie. I circuiti bias dell'amplificatore devono essere pesantemente filtrati utilizzando perle di ferrite serie, condensatori di ceramica di shunt, e forse un regolatore di bassa-drops.

Schermo e isolamento

L'amplificatore opera all'interno dell'alloggiamento LNB, che è tipicamente un contenitore in metallo pressofuso. Il layout interno deve impedire l'accoppiamento elettromagnetico tra l'ingresso e l'uscita. Una parete dello scudo metallico tra la prima e la seconda fase è spesso utilizzata, con una piccola apertura per la linea di trasmissione da passare attraverso. Il piano terra deve essere continuo sotto l'amplificatore; qualsiasi slot può irradiare o raccogliere interferenze.

Test e ottimizzazione

Misurazione del rumore

Dopo la fabbricazione, la figura del rumore dell'amplificatore viene misurata utilizzando un analizzatore di figura di rumore (ad esempio, Keysight N8975A) con una sorgente di rumore (ad esempio, Keysight 346B). La misura deve essere eseguita nella banda di frequenza reale con la corretta impedenza. L'amplificatore deve essere posizionato in un contenitore schermato per evitare l'interferenza ambientale.

Misurazioni di S-Parametro

I parametri S sono misurati con un analizzatore di rete vettoriale (VNA) calibrato sui piani di riferimento del connettore. L'amplificatore deve essere stabile sotto tutte le impedenze di origine e di carico, che viene verificato controllando che i parametri s sono liberi di anomalie e che il fattore di stabilità (K) è maggiore di 1. L'appiattimento del guadagno, la perdita di ritorno di ingresso, e la perdita di uscita di ritorno sono direttamente letti dalle misurazioni del parametro s-s-brutto.

Test di linearità

Il valore di uscita QLT2 + DB5 è misurato con una misurazione dell'intermodulazione bicolore. Due toni strettamente distanziati (ad esempio 11,5 GHz e 11.51 GHz) sono in ingresso all'amplificatore a un livello che produce una potenza di uscita totale intorno a -10 dBm. Lo spettro di uscita è esaminato per i prodotti di intermodulazione di terzo ordine.

Esempio di flusso di progettazione per un amplificatore LNB Ku-Band

Per illustrare il processo, prendere in considerazione una banda di due stadi per un LNB di banda Ku che copre 10.7-12.75 GHz. Prima, selezionare una banda di pHEMT GaAs come il NE3509M04.

Tendenze emergenti e direzioni future

Poiché le frequenze satellitari si spostano più in Ka-band e Q/V-band per i servizi a banda larga, gli amplificatori LNB devono raggiungere anche cifre acustiche più basse e larghezze di banda. GaN HEMTs stanno iniziando a comparire in applicazioni ad alta linearità, ma per i ricevitori a bassa rumorosità, GaAs e InP rimangono i cavalletti di lavoro

Conclusioni

Progettare amplificatori RF per Downconverters Low-Noise Block è un campo impegnativo che bilancia i requisiti contrastanti di rumore ultra-basso, alto guadagno, larghezza di banda larga, linearità e stabilità termica.