Table of Contents

Проектирование РЧ усилителей для низкошумных блок-даунконвертеров (LNB) является критическим аспектом систем спутниковых приемников. Эти усилители обеспечивают усиление крайне слабых сигналов, принимаемых со спутников, с минимальным дополнительным шумом, сохраняя целостность сигнала для точной обработки приемником. В среде, где потери сигнала в пространстве и атмосфере могут превышать 200 дБ, производительность усилителя первой ступени принципиально определяет общую чувствительность системы. Современные спутниковые системы прямого вещания, работающие в Ku-диапазоне (10,7-12,75 ГГц) и Ka-диапазоне (18-40 ГГц), требуют показателей шума ниже 0,5 дБ и усиления, превышающего 30 дБ от цепи усилителей LNB. Достижение этих спецификаций требует глубокого понимания физики транзисторов, соответствия импеданса, требований линейности и управления температурой.

Обзор НБН в спутниковом приеме

Низкошумный блок-преобразователь служит передней частью каждого спутникового телевизора или системы VSAT. Установленный в фокусе параболической антенны, LNB принимает высокочастотный спутниковый сигнал, усиливает его, а затем смешивает его с промежуточной частотой (обычно 950–2150 МГц для потребительских систем), которая может передаваться по коаксиальному кабелю к внутреннему приемнику. Усилитель радиочастот представляет собой первую активную стадию в этой цепи. Его шумовая фигура непосредственно добавляет к общей температуре шума системы, что делает его единственным наиболее важным компонентом для достижения достаточного соотношения несущей и шума. Даже улучшение шумовой фигуры на 0,1 дБ может привести к значительному увеличению запаса связи или включить работу с меньшей антенной антенны.

LNB также должен отклонять внеполосные помехи от наземных источников, радаров и соседних спутниковых сигналов. Селективность РЧ-усилителя в сочетании с полосовыми фильтрами помогает предотвратить насыщение этих нежелательных сигналов смесителем-нисходителем. Кроме того, усилитель должен надежно работать в широком температурном диапазоне (от 40 °C до 70 °C для наружных установок) при сохранении стабильного усиления и шумоподавления.

Роль усилителя РФ в LNB

РЧ усилитель в LNB почти всегда реализован в виде многоступенчатого малошумного усилителя (LNA). Первая ступень оптимизирована для минимально возможного шумового числа, часто с использованием одного транзистора, смещенного вблизи минимального шумового тока. Следующие ступени призваны обеспечить дополнительный прирост при сохранении линейности. Усилитель также должен ухудшать шумовый показатель последующих стадий по формуле Фрииса: при высокой мощности первой ступени (обычно 15-20 дБ) подавляются шумовые вклады более поздних стадий, что позволяет общему шумовому показателю приблизиться к таковому у первого транзистора.

Помимо шума и усиления усилитель должен правильно взаимодействовать с рогом подачи (антенной) и смесителем. Импедансы ввода и вывода обычно составляют 50 Ом для коаксиальных интерфейсов, но рожок подачи может представлять различное импедансное сопротивление, требующее соответствующей сети. Выход усилителя должен приводить в движение смеситель с достаточной мощностью, часто около -10-0 дБм, без генерации значительных гармоник или продуктов интермодуляции. В LNB двойной поляризации используются два отдельных усилителя, каждый со своим собственным выходом поляризации, требующим тщательной изоляции между каналами.

Ключевые параметры производительности

Шум фигуры и чувствительность

Шумовая цифра (NF) является первостепенной спецификацией для любого усилителя LNB. Она количественно определяет деградацию в соотношении сигнал-шум, вызванную усилителем. Для приема спутниковой системы шумовая температура доминирует шумовая цифра LNB плюс температура шума антенны (обычно 30–60 К в ясном небе). Типичная Ku-диапазонная LNB достигает шумовой цифры между 0,3 и 0,6 дБ, что соответствует шумовой температуре 20–45 К при 290 К окружающей среде. Шумовая цифра первого транзистора часто составляет 0,2–0,4 дБ , но после учета соответствующих потерь сети, смещения схем и паразитов провода связи, общий усилитель NF может подняться на 0,1–0,2 дБ. Каждый 0,1 дБ дополнительной шумовой фигуры уменьшает бюджет связи примерно на 0,1 дБ, что для маргинального спутникового сигнала может означать разницу между стабильным изображением и пикселированием.

Для минимизации шума конструкторы выбирают транзисторы с очень низким минимальным шумом (Fmin). Например, устройства GaAs pHEMT от таких производителей, как Qorvo или Infineon предлагают значения Fmin ниже 0,2 дБ при 12 ГГц. Транзистор должен быть смещен при оптимальном токе для минимального шума, который часто является частью его насыщенного тока стока (Idss). Сеть согласования ввода должна представлять оптимальное импеданс шума (Γopt) транзистору одновременно с хорошим импедансом для передачи мощности, компромисс, который иногда приводит к небольшому несоответствию для достижения наилучшей шумопроизводительности.

Прибыль и прибыль плоскость

Общий коэффициент усиления РЧ усилителя LNB обычно составляет от 25 до 40 дБ, распределенный на двух или трех стадиях. Первая стадия обеспечивает умеренный коэффициент усиления (10-15 дБ) для уменьшения шумового вклада второй стадии. Вторая стадия обеспечивает дополнительный коэффициент усиления 12-15 дБ, и если используется третья стадия, она добавляет дополнительный коэффициент усиления, но должна быть тщательно разработана, чтобы избежать колебаний. Для предотвращения амплитудного искажения модулированных сигналов LNB (например, 10,7-12,75 ГГц для Ku-диапазона) важно избежать амплитудного искажения модулированных сигналов. Типичная спецификация требует менее ±0,5 дБ изменения по полосе. Для достижения этого требуется тщательная конструкция сетей межстадийного согласования и использование транзисторов с плоским коэффициентом усиления по сравнению с частотными характеристиками. Методы обратной связи, такие как дегенерация источника с небольшим индуктором или резистором, могут помочь сглаживать коэффициент усиления и улучшать стабильность на низких частотах.

Линейность и интермодуляции

Спутниковые сигналы могут быть относительно сильными от соседних транспондеров, но что более важно, усилитель должен обрабатывать несколько носителей одновременно, не создавая искажения интермодуляции (IMD). Стандартная метрика линейности для усилителей LNB - это точка перехвата выходного третьего порядка (OIP3). Типичный усилитель LNB должен достигать OIP3 по меньшей мере +10 дБм, чтобы поддерживать продукты интермодуляции ниже порога приемника. Во многих конструкциях третья стадия является доминирующим источником нелинейности, потому что она видит самые большие уровни сигнала. Связывание транзистора с более высоким током стока улучшает линейность, но увеличивает потребление энергии. Должны быть сделаны компромиссы между фигурой шума (требует низкого тока) и линейностью (требует более высокого тока). Общий подход заключается в смещении первой стадии для минимального шума и более поздних стадий для линейности.

Еще одна проблема линейности заключается в сжатии: точка сжатия усилителя 1 дБ (P1dB) должна быть достаточно высокой, чтобы обрабатывать пиковую мощность сигнала без искажений. Для типичного LNB P1dB должен превышать -5 дБм на выходе, что гарантирует, что сильные сигналы (например, от соседнего спутника или наземного интерферентора) не приводят усилитель в насыщение.

Импедансное соответствие и VSWR

Соответствие импедансу имеет решающее значение для максимизации передачи мощности и минимизации отражений, которые могут вызывать рябь усиления или колебания. Ввод усилителя LNB должен быть сопоставлен с импедансом рога подачи (обычно 50 Ом, хотя некоторые подводы волновода присутствуют 75 Ом). Выход должен быть сопоставлен с линией передачи 50 Ом, ведущей к смесителю. Отношение стоячей волны напряжения (VSWR) в обоих портах должно быть лучше, чем 2:1 по полосе, и предпочтительно ниже 1,5:1, чтобы избежать чрезмерных потерь несоответствия. В широкополосных конструкциях (например, вся нисходящая линия Ku-диапазона), достижение хорошего соответствия ввода одновременно с низким уровнем шума является сложной задачей, поскольку Γopt часто отличается от 50 Ом. Дизайнеры используют методы, такие как индуктивная обратная связь серии или вставка небольшого резистора в линию смещения затвора, чтобы значительно расширить соответствие без ухудшения шума. Использование многослойных подложек PCB с контролируем

Транзисторные технологии для усилителей LNB

Гаас фемт

Псевдоморфные транзисторы высокой электронной подвижности (pHEMT), изготовленные из арсенида галлия, являются доминирующей технологией для усилителей RF LNB. Они предлагают чрезвычайно низкие показатели шума (0,15-0,3 дБ при 12 ГГц), высокий коэффициент усиления (12-15 дБ на стадию) и хорошую линейность. Подложка GaAs обеспечивает низкие потери и хорошую теплопроводность по сравнению с другими материалами III-V. Типичные устройства, такие как NEC NE3509M04 или серия Qorvo TGF2960, доступны в небольших пакетах поверхностного монтажа или в виде голого кристалла для гибридной интеграции. Длина их ворот находится в диапазоне 0,15-0,25 мкм. GaAs pHEMTs требуют отрицательных напряжений смещения ворот (обычно -0,5 до -1,5 В) и тщательной защиты ESD. Они хорошо подходят для Ku-диапазона и Ka-диа

СиГи БиКМОС

Гитеропереходные биполярные транзисторы (ГБТ) силикон-германий (SiGe) предлагают более дешевую альтернативу GaAs, особенно для высокоинтегрированных LNB, которые сочетают РЧ усилитель с смесителем и локальным осциллятором на одном чипе. Технология SiGe BiCMOS позволяет использовать шумовые показатели 0,5-1,0 дБ при 12 ГГц, что приемлемо для многих потребительских приложений. Его основным преимуществом является возможность включать цифровые схемы управления, компенсацию смещения и несколько шагов усиления на одном и том же кристалле. Однако шумовая цифра обычно на 0,2-0,5 дБ выше, чем у GaAs pHEMT на той же частоте. SiGe LNB распространены во встроенных спутниковых приемниках и часто встречаются в портативных или портативных спутниковых терминалах, где стоимость и размер имеют первостепенное значение.

В ГЭМТ

Для приложений, требующих максимальной производительности с низким уровнем шума, таких как научный прием спутников или очень маленькие терминалы диафрагмы (VSAT), HEMT индия фосфида (InP) обеспечивают показатели шума ниже 0,1 дБ в Ku-диапазоне и ниже 0,3 дБ в Ka-диапазоне. Технология InP предлагает более высокую подвижность электронов и более низкие паразиты, чем GaAs, но по более высокой цене и с более сложным изготовлением. InP HEMT обычно используются на первой стадии высокопроизводительных LNB, где каждая десятая часть dB имеет значение. Они требуют тщательной обработки и чистого питания постоянного тока из-за чувствительности к электростатическому разряду. Большинство коммерческих потребительских LNB не используют InP, потому что GaAs уже соответствует требуемым спецификациям в более низкой ценовой точке.

Методология проектирования и моделирование

Схематический дизайн

Процесс проектирования начинается с выбора транзистора и его точки смещения. Для двухступенчатой LNA первая ступень смещена на минимальный шум (ток дренажа около 10-20% от Idss), а вторая ступень смещена на компромисс между шумом и линейностью. Сети Bias должны быть отделены от RF-траектории с помощью последовательного резистора с последующими линиями передачи λ/4 или дискретными удушьями с высокой саморезонансной частотой. Смещение затвора обычно требует отрицательного напряжения питания, которое может быть получено из положительного напряжения с помощью зарядного насоса или коммерческого регулятора отрицательного напряжения. Альтернативно, топология однократного питания с использованием исходного резистора для самобиаса транзистора может быть использована, хотя это немного ухудшает показатель шума.

Моделирование с помощью ADS или AWR

Моделирование необходимо для современного проектирования усилителя LNB. Такие инструменты, как Keysight ADS или Cadence AWR, позволяют дизайнеру моделировать транзистор с использованием его s-параметров и параметров шума, предоставляемых производителем. Первоначальные сети сопоставления синтезируются с использованием методов диаграмм Смита или алгоритмов оптимизации. Дизайнер обычно выполняет моделирование малых сигналов для проверки усиления, шума и соответствия ввода / вывода. Затем, моделирование гармонического баланса используется для оценки линейности (IP3, P1dB) и поведения больших сигналов. Важно включать модели для всех пассивных компонентов, включая провода связи, с помощью индуктивностей и припойных паразитов. Макет должен быть симулированным с использованием электромагнитного моделирования (например, Momentum или HFSS) для учета связи между следами и взаимодействиями наземной плоскости.

Рассмотрение вопроса о планировке

Компоновка усилителя RF так же важна, как схема. Критические точки включают: кратчайший путь RF, изолированную плоскость грунта под транзистором и хорошо отфильтрованные линии питания. Сеть согласования входа должна быть близко к затвору транзистора, чтобы минимизировать паразитные потери. Сети согласования наземных сред должны быть обильными и располагаться как можно ближе к исходным подушкам, чтобы уменьшить индуктивность источника, что ухудшает усиление и шум. Щит использует заземленные металлические стены (через заборы) для предотвращения утечки сигнала и колебаний. В двухступенчатой конструкции выход второй ступени должен быть физически отделен от входа, чтобы избежать обратной связи. Как правило, плата сделана из субстрата с низким уровнем потерь, такого как Rogers 4350B с диэлектрической постоянной 3,48 и толщиной 0,254 мм для уменьшения паразитных реактивных сопротивлений.

Практические проблемы реализации

Компенсация температуры

Поскольку LNB подвергается воздействию внешних температур, коэффициент усиления транзистора и показатель шума изменяются с температурой. GaAs pHEMTs имеют отрицательный температурный коэффициент, что означает, что коэффициент усиления уменьшается по мере повышения температуры. Без компенсации общий коэффициент усиления LNB может варьироваться на 3-5 дБ при -40 °C до +70°C. Конструкторы используют активные схемы смещения, которые регулируют напряжение затвора или ток стока для стабилизации усиления. Простое решение заключается в использовании транзистора с датчиком температуры (например, транзистора, подключенного к диоду), который изменяет напряжение смещения обратно с температурой. Альтернативно, таблица поиска в микроконтроллере может регулировать смещение для равномерной производительности. Шумовая фигура также ухудшается при высоких температурах, поэтому часто используется управление температурой путем установки LNB на теплоотводе или с использованием теплопроводного корпуса.

Фильтрация шума от источника питания

LNB получает мощность постоянного тока от коаксиального кабеля (13-18 В постоянного тока, в зависимости от поляризации и тоновых команд). Этот источник питания может содержать рябь, помехи от регуляторов переключения приемника и переходные шипы. Схемы смещения усилителя должны быть сильно фильтрованы с использованием последовательного ферритового шарика, шунтирующих керамических конденсаторов и, возможно, регулятора с низким уровнем выпадения (LDO) для чувствительной первой стадии. Любая шумовая связь с предвзятостью затвора первого транзистора будет амплитудно модулировать радиочастотный сигнал и ухудшать отношение сигнал-шум.] Обычно используется несколько стадий фильтрации RC или LC в линиях смещения с тщательной компоновкой для изоляции чувствительного узла смещения от высокоточного выходного этапа.

Щит и изоляция

Усилитель работает внутри корпуса LNB, который обычно представляет собой металлический корпус для литья под давлением. Внутренняя компоновка должна предотвращать электромагнитную связь между входом и выходом. Часто используется металлическая защитная стенка между первой и второй ступенью с небольшой апертурой для прохождения линии передачи. Наземная плоскость должна быть непрерывной под усилителем; любой слот может излучать или улавливать помехи. Крышка крышки должна быть заземлена по всему периметру с проводящими прокладками или множеством винтов. Входные и выходные коаксиальные соединители должны быть надлежащим образом заземлены на шасси для предотвращения заземления. В LNB с двойной поляризацией изоляция между двумя усилителями должна превышать 20 дБ, чтобы избежать помех перекрестной поляризации.]

Тестирование и оптимизация

Измерение шума фигуры

После изготовления шумоподавляющее число усилителя измеряется с помощью анализатора шумоподавления (например, Keysight N8975A) с источником шума (например, Keysight 346B). Измерение должно выполняться в фактической полосе частот с правильным импедансом. Усилитель должен быть помещен в экранированный корпус, чтобы избежать помех окружающей среды. Обычно измерения должны повторяться по температуре, чтобы захватить дрейф производительности. Любое несоответствие между имитируемым и измеренным шумоподавлением обычно указывает на чрезмерную потерю во входной сети согласования, плохое монтаж транзистора или паразитическую индуктивность. Корректирующие действия включают корректировку соответствия входа или использование лучшей подложки.

S-параметрические измерения

S-параметры измеряются векторным сетевым анализатором (VNA), откалиброванным к опорным плоскостям разъема. Усилитель должен быть стабильным при всех импедансах источника и нагрузки, что проверяется путем проверки того, что s-параметры свободны от аномалий и что коэффициент устойчивости (K) больше 1. Нарастающая плоскость, потеря возврата входа и потеря возврата выхода непосредственно считываются из измерений s-параметра. Колебание часто можно идентифицировать резким изменением s21 вблизи краев полосы или на низких частотах. Если обнаруживается нестабильность, возможно, последовательно добавляется резистор с линией смещения затвора или небольшой шунтирующий резистор на выходе.

Тестирование линейности

Линейность тестируется с использованием двухтонного измерения интермодуляции. Два близко расположенных тона (например, 11,5 ГГц и 11,51 ГГц) вводятся в усилитель на уровне, который производит общую выходную мощность около -10 дБм. Выходной спектр исследуется для продуктов интермодуляции третьего порядка. Затем OIP3 вычисляется из фундаментальных и уровней IM3. Для усилителей LNB точка сжатия OIP3 должна быть +5 до +15 дБм в зависимости от приложения. Точка сжатия 1 дБ измеряется увеличением входной мощности до тех пор, пока выходной коэффициент усиления не упадет на 1 дБ от линейного значения. Эти измерения подтверждают, соответствует ли конструкция требованиям линейности для предполагаемой схемы модуляции (например, QPSK, QAM или DVB-S2X).]

Пример потока проектирования для усилителя Ku-Band LNB

Для иллюстрации процесса рассмотрим двухступенчатую LNA для Ku-диапазона LNB, покрывающую 10,7-12,75 ГГц. Сначала выберите GaAs pHEMT, такой как NE3509M04. Используя s-параметры производителя, Id=10 мА (низкий шум). Спроектируйте сеть согласования ввода с использованием комбинации линии передачи серии и шунтирующей открытой заглушки для преобразования 50 Ω в оптимальный импеданс шума. Имитируйте стадию и проверяйте NF < 0.4 dB and gain > 12 дБ. Для второй стадии смещение того же транзистора на Vds=2 В, Id=20 мА для лучшей линейности. Проектируйте сеть согласования между этапами для обеспечения плоского усиления по полосе. Сети согласования вывода должны быть структурой с низким проходом для подавления гармонического содержимого. Комбинируйте обе стадии в одной схеме и оптимизируйте для общего NF < 0.8 dB, gain > 25 дБ и OIP3 > +10 дБм. Добавьте симуляции смещения

Новые тенденции и будущие направления

По мере того, как спутниковые частоты перемещаются в Ка-диапазон и Q/V-диапазон для широкополосных услуг, усилители LNB должны достигать еще более низких показателей шума и более широких полос пропускания. GaN HEMTs начинают появляться в приложениях с высокой линейностью, но для низкошумных, GaAs и InP остаются рабочими лошадками. Появление полных однокристальных LNB SiGe уменьшит размер и стоимость, но может не достичь наилучшей производительности шума. Программно-определяемые спутниковые приемники, которые могут адаптироваться к нескольким полосам, могут потребовать настраиваемых или переключаемых усилителей LNB, что представляет новые проблемы проектирования. Кроме того, интеграция нескольких LNB для антенн с фазированным приемом лучей потребует массивов усилителей с соответствующей фазой и амплитудой отклика. Эти тенденции продолжают раздвигать границы проектирования усилителя RF для спутниковых систем.

Заключение

Проектирование радиочастотных усилителей для низкошумных блок-конвертеров является требовательным полем, которое уравновешивает противоречивые требования сверхнизкого шума, высокого усиления, широкой полосы пропускания, линейности и термической стабильности. Тщательно выбирая транзисторную технологию, оптимизируя смещения и соответствующие сети, а также строго имитируя и тестируя, инженеры могут производить усилители, которые обеспечивают необходимую производительность для надежного приема спутников. Продолжающаяся эволюция спутниковой связи в направлении более высоких частот и большей полосы пропускания будет поддерживать усилитель LNB в качестве решающего направления исследований и разработок. Практические дизайнеры сохраняют твердое понимание теории линий передачи, физики транзисторов и методов измерения, применяя их для создания усилителей, которые извлекают слабый шепот сигнала из глубин космоса.