RF-Parametrelerle RF-Feling'e Giriş

Radyo frekansı (RF) yükselteçleri, modern kablosuz iletişimin arka kemiğini oluşturur, radar sistemleri, yayın vericileri ve test araçları. Bu uygulamalardan her birinde, amplifikrelerin tutarlı bir şekilde sunulması gerekir, düşük gürültü, yüksek doğrusallık ve optimizasyon, bu performans seviyesine uygun bir şekilde stabilite nadiren bağlantı kurmanın bir parçasıdır; bu, gerçek zamanlı sistemlerin ve geri dönüş koşullarını sağlamak için yöntemsel ayarlayıcının, gerçek zamanlı sistemlerin ve geri yükleme sistemlerinin sabit bir şekilde iyileştirilmesi gerekir.

S-Parameters Nedir?

S-parametreleri, bir RF ağının doğrusal davranışını belirli bir frekans ve önyargı noktasında tam olarak tanımlayan karmaşık sayılardır. "scattering" parametreleri olarak adlandırılırlar çünkü her bir cihazda olay gücünün nasıl dağınık olduğunu veya yandığını açıklarlar.

  • [FONT:0]S11[DÜDÜDÜT:1) – Giriş yansıma katsayısı: Port 1'deki yansıma dalgasının 1'de Port 2'de sona erdiği olay dalgasına oranı, Port 2 ile bir maçlık yükle sona erdi.
  • [FONT:0]S21[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜDÜDÜDÜDÜD
  • [FONT:0]S12[[Döntgen: Yazdırma katları (isolasyon): Port 1'de Port'ta bulunan bu dalganın oranı Port 2.
  • [FONT:0]S22[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ: 0,2. Port'de Gelen Dalganın oranı, Port 2'de Port 1'de bir maçlık yükle sona erdi.

Her S-parametre, büyüklüğü ve fazı ile bir vektördür, genellikle yükseltilmiş bir frekans sinyalini ve karşılaştırarak, sinyallerin tam küçük imzalı modelini sağlar. Modern vektör ağ analizörleri (VNAs) bu parametreleri doğrudan sıkıştırılmış-fret-element eşdeğer devreleri gerektirmeden ölçür.

S-parametreleri anlamak önemlidir, çünkü RF tasarımının dilini oluştururlar. Bir amplitüdün S-parametreleri bilindiğinde, bir mühendis Smith grafiklerini, stabilite çevrelerini kullanabilir ve transistörün girişini ve çıkışlarını istenen kaynağa dönüştürebilecek olan eşleştirme ağlarını tasarlayabilirler (tipik olarak 50 ULLAH).

S-Parameter Optimizasyonunun Önemi

S-parametreleri doğrudan yükseltilmiş yükseltici performans ölçümlerine dönüştürür. En önemli avantajlar şunları içerir:

  • [FONT:0)Maxed kazanç:[[Dönetici:0)) Giriş ve çıktı yanlış eşleştirme (düşük |S11| ve |S22|), daha fazla güç aşamalar arasında transfer edilir ve genel kazanç (S21), transistörlerin maksimum kazanç elde eder.
  • [FONT:0)Guaranteed Stabil:[Dönetici:[Dönetici:0)Rektör, herhangi bir pasif kaynağı altında salınımı veya yük devre dışı bırakamaz. Stability, Rollett stabilite faktörü (K) ve yardımcı koşulu (345) Tuning S-parametreleri dirençli yükleme, geri bildirim veya seri /shunt elementleri koşulsuz stabiliteye doğru bir şekilde hareket ettirebilir.
  • [[Dönetici:0)Redüklenen gürültü rakam: [Dönetici yükselticileri (LNAs), gürültü rakam, transistöre sunulan kaynak hatasına bağlıdır. S-parameter optimizasyonu, tasarımcının gürültüyü ortadan kaldırmasına izin verir, ancak optimum gürültüyü engellemeye yakın bir kaynak seçmesine izin verir, ancak yine de kayıp bir eşleştirme ağı aracılığıyla makul bir giriş sağlar.
  • [FONT:0)Wider bandaj:[Dönetici:[Dönekli bant genişliği:[0][Dönekli bant genişliği:[Dönder:0)[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir frekans aralığındaki S-parametreleri tek bir noktada yerine, düz kazanç ve tutarlı faz yanıtları ile geniş bant yükselteçleri.
  • [FONT=0)Better lineity and verimlilik:) S-parametreler küçük imzalı parametreler olsa da, optimizasyon büyük imzalı küçük ayar için başlangıç noktası ayarlar. İyi bir optimize edilmiş küçük imzalı tasarım genellikle daha az bozulma ve daha yüksek güç katmalı verimlilikle daha iyi bir tasarıma yol açar (PAE)

Sistemli S-parametre optimizasyonu olmadan, RF amplifikasyonun, kötü kazanç düzlüğü, aşırı yanlış bir kayıp veya daha büyük bir sisteme entegre edildiğinde öngörülemeyen davranışlardan muzdarip olabilir.Prodüksiyon ve post-manufacturing ayarlamalarının zorluğu göz önüne alındığında, S-parametreleri doğru simülasyonda elde etmek, deney-ve-teröre güvenmekten çok daha verimlidir.

Anahtar S-Parametreleri Amplifier Tuning

Her dört S-parametrenin önemine rağmen, her biri ayar sürecinde farklı bir rol oynar. Daha derin bir anlayış, mühendislere tasarım her aşamasında öncelik verme konusunda hangi parametreye karar vermesine yardımcı olur.

S11 - Giriş Reflection Co effective

S11, amplifiğin girişinin kaynağına karşı nasıl iyi bir şekilde eşleştiğini gösterir. Düşük |S11| (tipik olarak aşağıda - 10 dB, i.e., 0.316 lineer anlamda), olay gücünün %10'unun yanıldığı anlamına gelir, bu yüzden giriş engelleyicisi, bazı frekanslarda gerçek bir parçasına girer, cihazı sık sık sık sık sık sık sık ağar.

S21 – İleri Lig

S21, yükselticinin küçük imzalı kazancının en doğrudan ölçüsüdür. dB'de, sadece giriş gücüne giriş gücü oranıdır.En yüksek S21 için Tuning genellikle stabilite ve gürültü gereksinimleri ile kısıtlanır. MSG = |S21 / 12|Syöneticileri olmayan bir miktar geri yükleme (MSG) için yüksek çözünürlükte (S21/|S12| (K + sqrt (K2-1) için yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte (K) ile karşılanır.

S12 - Ters

S12, çıktıdan gelen sinyallerin miktarını geri girişe kadar ölçer. Yüksek ters izolasyon (düşük |S12|) girdi maçını rahatsız etmek veya "yükleme" olarak bilinen bir fenomendir.S12, aşamalar arasındaki uyumsuz izolasyonu, S11 ve S22'nin genel olarak sabitlediği gibi, genellikle katlayıcıların geri dönüşlerini engellemek için önemlidir.

S22 - Çıkış

S22, amplifikin çıktısının yüküne nasıl uygun olduğunu gösterir. Düşük |S22| çıktıdaki yansımaları en aza indirmek için kritik olan ve farklı yüklere giden zaman tutarlı kazanç sağlamak için (örneğin, VSWR) bir anteni değiştirmek için analog olarak eşleştirmek için analog bir şekilde ayarlanır, ancak aynı zamanda güç yükseltici tasarımındaki gücü seviyeyi dikkate almalı.

S-Parameter Optimizasyonu için Teknikler

S-parameter optimizasyonu tek bir eylem değildir; analitik tasarımı, simülasyonu ve ampirik ayarını birleştiren çok adımlı bir süreçtir. Aşağıdaki teknikler RF yükseltici mühendisler için temel araçtadır.

Ağları Impedance Matching Networks

S11 ve S22'yi optimize etmenin en doğrudan yolu, transistörlerin girişleri ve transistörlerin çıkışları ile yük arasındaki pasif eşleştirme ağlarını eklemektir.Bu ağlar genellikle kapasitörlerden oluşur, en üst düzeyorlar ve bazen iletim hatları. Tasarım süreci, transistörlerin S11 ve S22 verilerini bir Smith grafiği üzerine arsayarak başlar.

  • [FONT:0]L-networks:[[Dönetici: · 1 ) İki element (L serisi, shunt C veya tersi) dar bant eşleştirmesi için uygun.
  • [FONT:0)Pi-networks:[Dönetici:[Dönetici:0)[Döneticiler:[Döneticiler:[Döneticiler:[Döneticiler:)) Üç element daha fazla kontrol sağlayan bant genişliği ve Q-faktör.
  • [FONT:0]T-networks:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönler:[Dönler:[Dönler:[Dönler:[Dönler: 0,4; 2) Kaynak, kaynak ve yük devretmeler her iki karmaşıktır.
  • [FONT:0)Quarter- dalga dönüştürücüler: dönüştürülme engeli gerçek olduğunda dar bant eşleştirme için kullanılır.

Modern EDA araçları (Keysight ADS, Cadence AWR, NI AWR Design Environment veya açık kaynak QucsStudio) S11 ve S22 değerleri verilen eşleşen ağların sentezlerini otomatikleştirmelidir. Ancak, mühendis ağ bu araçlarında stabilite veya gürültü rakamlarını doğrulamamalıdır.

Bias Point Uyum

Transistörin önyargı noktası (kolector akımı ve koleksiyoncu-emitter gerilimi BJTs için; mevcut ve boşaltma-kaynak gerilimi FETs için) güçlü bir şekilde S-parametrelerini etkiler. Örneğin, BJT'de koleksiyoncu akımı artırmak genellikle gürültüyü ve dolayısıyla S21'i arttırır, ancak aynı zamanda giriş kapasitesini arttırır ve S11. S-parametre verilerini sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık ayarlarken, Vyometreleri bir önyargı noktası alır.

Simülasyon ve Modelleme Araçları

Herhangi bir donanım inşa edilmeden önce, S-parametre optimizasyonu simülasyonda yapılır. Süreç genellikle bu adımları takip eder:

  1. Üreticiden transistörlerin S-parametre verilerini elde edin (özellikle Touchstone .s2p formatında).
  2. Eşleştirme ağları ve önyargı decoupling için ideal topaklanmış elementlerle bir şematik oluşturun.
  3. Define optimizasyon hedefleri: S11 ve S22 bandında en aza indirmek, K > 1'i tutmak ve S21'i hedef değere ayarlamak.
  4. Parça değerleri ayarlamak için bir gradient veya rastgele optimizasyon algoritması çalıştırın.
  5. Sonuç, PCB izlerini ve bileşeni ayak izlerinin parasitik etkilerini dikkate almak için elektromanyetik (EM) simülasyonu ile geçerlidir.
  6. Bir düzen için bir yeniden yapılandırın ve yeniden inşa parasitics'i temsil eden S-parameter bloklarla yeniden simin.

Anahtar simülasyon araçları lineer olmayan analiz için harmonik denge simülatörü ve doğrusal analiz için küçük imzalı S-parametre simülatörü içerir.Birçok simülasyon platformları da dahil olmak üzere [[Dönersiz grafik hizmetleri) ve [[Dönetici çemberi arsama).

Geri bildirim ve Stabilizasyon Devreleri

Transistör potansiyel olarak dengesiz olduğunda (K < 1 frekans bandının bir kısmında), S-parameter optimizasyonu, stabilizasyon ağları içermelidir. Ortak teknikler şunları içerir:

  • [FONT:0] Sınıflar taban / yönde direnir: Düşük frekanslı kazanç sağlar ancak gürültüyü ekliyor.
  • [FONT:0]Shunt, çıktıya karşı direnir: Altlar S çıktı ve istikrar arttırır, ancak bozulan verimlilik.
  • [FONT:0) Parallel RC koleksiyoncu /drain'den temel / geri bildirim: Düztenler geniş bir grup boyunca istikrar kazanır ve geliştirir; bu geniş bantlarda kullanılan klasik "resistive geri bildirimlerdir.
  • [FONT:0) Kaynak / ajan dejenerasyonu:[Dönetici:[Dönetici: 1) Kaynakta bir veya bakıcının bacağı, aynı zamanda stabiliteyi geliştirirken giriş engelleyicisini ve lineerliği geliştirir.

Geri bildirim modulasyonlar için tüm dört S-parametreleri ekleyin. Örneğin, ortak bir BJT'de koleksiyoncu-tabase geri bildirimle, S21 azaltılır, ancak S12 (isolation) daha büyük hale gelir (daha yüksek bir şekilde iletimle birlikte) tüm frekanslarda 1 veya daha fazla).

Buerative Tuning Prosedürleri

En iyi simülasyonla bile, fiziksel yükselteç bileşen toleransları, parasitik indükleme ve modelsiz darbe ile farklı olacaktır.S-parameter optimizasyonunda son adım bir VNA kullanarak ayarlandığındadir:

  1. İstenen önyargıdaki ilk S-parametreleri ölçül.
  2. Hedefle ölçülen S11 ve S22 ile karşılaştırın (özellikle Smith grafiğinin merkezine yakın).
  3. Giriş eşleştirme ağ bileşenleri (konuşlarla sabit kapasitörler yerleştirir veya dağıtılmış bir çizgide bir ayarlayın) S11'i S21 ve istikrar gözlemleyerek 50 ULL'ye yaklaştırmak.
  4. Çıktı eşleştirme ağı için tekrar.
  5. Eğer osilasyonlar meydana gelirse, stabilizasyon bileşenleri ekleyin veya ayarlar, sonra eşleştirmeye geri döner.
  6. S11 ve S22 tatmin edici olduğunda, küçük imzalı kazanç ölçür (Grup boyunca 21). Eğer kazanım düz değilse, Inter stage or feedback networks.
  7. Son S-parametrelerini tam olarak karakterize edin ve K > 1'in geniş frekans aralığında (prodüktör grubu dışındaki DC'den) doğrulayın.

Bu süreç birkaç iterasyon gerektirir. Deneyimli mühendisler genellikle dar bant optimizasyonu ile başlar ve sonra frekans aralığı, yavaş yavaş düzlük için maç takas eder.It is common to use )broadband eşleştirme teknikleri gibi çok-bölüm L-networks veya çift resonator filtreler için octave or multi-octave bant genişliğini hedeflemekte olduğunda.

S-Parameter Optimizasyonunda Pratik Değerlendirme

Yukarıdaki teknikler iyi bilinen olsa da, ele alınmamışsa birkaç pratik zorluk optimizasyon çabasını da etkileyebilir.

Ölçüm Challenges

Doğru S-parametre ölçümü, VNA (SOLT veya TRL kalibrasyonu) ve uygun düzeltmeler için test fikstürlerini ek olarak, 10 GHz'in üzerindeki frekanslarda, mikrostriptleri ve konektörleri devre dışı bırakmak önemlidir; Test ortamının simülasyonları ile ilişkili ölçümler genellikle gereklidir.

Lig, Stability ve Gürültü Arasında Ticaret-offs

Düşük boyutlu yükselteç (LNA) tasarımı, en iyi kaynak minimum gürültü rakamını ( ⁇ opt) genellikle en yüksek kazanç için gerekli olan konjugate maçından farklıdır. S-parameter optimizasyonu, gürültüyü (Fmin, ⁇ opt, Rn) ek olarak, sabit gürültü rakam çemberleri elde etmek ve mevcut tüm özellikleri karşılamak için gerekli olan bir kaynak hatasız bir kazanç ve kabul edilebilir bir gürültüyü seçmek için.

Sıcaklık ve Süreç Variations

Transistor S-parametreleri sıcaklık ve çok fazla üretim ile değişebilir. 25°C'de optimize edilmiş bir amplifikatör - 40C veya +85°C. Modern optimizasyon iş akışları, sıcaklık aralıkları boyunca S-parametreleri kullanarak ısı kataraktları ile ±2% 10 oranında azaltır ve K11 / S22'yi tüm aralıkta optimize etmek için optimize edilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

S-parameter optimizasyonu, gerekli kazanç sağlayan, stabilite, gürültü rakam ve bant genişliğini anlayarak, yansıma katları, stabilite çevreleri ve en iyi şekilde kullanılan modülasyonları ile ilgili temel bilgileri içeren, sayısal ölçümler ile ilgili temel bilgileri kullanarak, sayısal ölçümler için temel uygulama alanlarının belirlenmesi için gerekli olan yüksek performanslı bir binayı geliştirir.