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6-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Design eines 10

Design Design eines 10 GHz Low-Noise Amplifiers, (Teil 2) Nach dem Design der Eingangsübertragung konzentrierte sich die nächste Design- Phase auf alle planaren Strukturen. Dieser Teil des LNA-Designs basierte auf den beiden Verstärkerstufen (Gesamtverstärkung >20 dB) und einem Bandpassfilter im Ausgang, um die Outof-Band-Verstärkung herabzusetzen. Die einleitende Simulation und Optimierung erfolgte mit der Software Microwave Office, wobei zunächst in geschlossener Form vorliegende Übertragungsleitungs-Modelle genutzt wurden, um dann einen abschließenden Abgleich und eine endgültige Design-Verifikation mit dem AXIEM 3D planar EM Simulator vorzunehmen. Diese konsequentere Simulation zielte auf die Kopplungen zwischen gedruckten Elementen und mechanischen Teilen (Umhüllungen, Wände usw.). Übertragungsverhalten des Ausgangs Bild 5 informiert zu den planaren Strukturen, Bild 6 zum Bandpassfilter-Design einschließlich der Spezifizierung der erforderlichen Ausgangsfilter-Bandbreite, welche durch die gewünschte Overall-LNA- Bandbreite definiert wurde. Daher musste die Übertragungskennlinie des zweistufigen Verstärkers in die Simulation des Filters mit einbezogen werden. Relevante Parameter, wie Filtergeometrie oder Material und wahrscheinliche Prozessvariationen (Permittivity, Etching) waren zu beachten. Die letzte zu entwickelnde HF- Sektion war die Ausgangs-Übertragungsstufe. Sie verlangte nach einem koaxialen Anschluss senkrecht zum PCB. Diese Konfiguration brachte eine Diskontinuität vom Ende der Übertragungsleitung des Bandpassfilters zur erforderlichen koaxialen Struktur (Bohrlochdurchmesser, Kupferanschluss, Massefläche). Ohne jegliche Matching-Schaltung zeigte die EM-Simulation ein unakzeptabler Rücklaufverlust von etwa 6 dB. Ein einfacher schrittweise einstellbarer Impedanztransformator (Bild 7), optimiert unter Nutzung der Software „Analyst”, bewirkte eine Verbesserung des Rücklaufverlustes auf einen akzeptablen Wert bei 20 dB. Abschließendes Design Es ist wichtig, zu beachten, dass auf den X-Band-Frequenzen der Effekt einer umschließenden Umhüllung die Gesamtleistungsfähigkeit beeinträchtigen kann, und zwar durch unvorhersehbare Resonanzen und/oder unerwünschte Kopplungen. Resonanzfrequenzen entstehen dort, wo (ganzzahlige) Halbwellenlängen bei den Dimensionen der schirmenden Mechanik festzustellen sind. Dadurch ist es möglich, dass Energie aboder umgeleitet wird. Solche Strukturen zeigen die Eigenschaften eines Hohlraumresonators. Beispielsweise zeigt ein metallisches Rechteck mit den Abmessungen 2 Inch x 0,5 Inch eine erste Resonanz bei ungefähr 12 GHz [5]. Schirmung ist sehr kosteneffizient, wenn sie im Zusammenspiel mit anderen Unterdrückungstechniken, wie Erdung (Grounding) und Filterung eingesetzt wird und wenn ein wohlüberlegtes Schaltungs-Board-Design erfolgt, um den Platz für Schleifen zu minimieren. Leider lassen sich Designer oft die Schirmung als letzte Option offen, weil die Schirmung im Prinzip erst dann Herausgeber: NI AWR, unter Mitwirkung von Vincent Grigis, Übersetzung: FS Bild 5: Zum Design der planaren Strukturen 18 hf-praxis 6/2017

Design Bild 6: Bandpassfilter mit wählbarer Bandbreite, definiert durch den Einfluss verschiedener Parameter von Material und Fertigungsprozess erfolgen kann, wenn das Design vollständig ausgeführt ist. Wenn er jedoch die Schirmungsbedingungen von Beginn an mit vorsieht, kann der Entwickler oft ein mehr kosteneffektives und allgemein effizienteres System abliefern. Absorbermaterial wird oft innerhalb der Umhüllung platziert, um Strahlungsfelder, welche zu unerwünschter Oszillation führen können, zu unterdrücken. Leider bewirken Einflüsse wie Temperatur und Luftfeuchte, dass die Absorberwirkung mit der Zeit abnimmt. Für dieses Design wurde entschieden, alle Oszillationsprobleme durch Entwicklung eines speziellen Covers zu lösen, welches kritische Komponenten in der Signalverarbeitungskette des LNAs berücksichtigte. Damit wurde der Gefahr der Ausbreitung unerwünschter Strahlung, etwa infolge der elektrisch kritischen Abmessungen (Teilelänge, Umhüllungshöhen oder Hohlraumweiten) vorgebeugt. Das Aufmacherfoto zeigt Schirmungsdetails. Der Hohlleitereingang neben dem Impedanzetransformator in der ersten Stufe des LNAs und der ausgangsseitige koaxiale Connector wurden in der rückseitig (unten) montierten Platte gegenüberliegend angeordnet, bei gutem Kontakt mit der PCB-Massefläche. Das PCB wurde zwischen den beiden metallenen Endflächen platziert. Mit dieser Ausführungsform gestaltete sich die Positionierung aller anderen Teile einfach, da sich das PCB sicher zwischen den beiden Anschlagflächen mithilfe von Bolzen positionieren ließ. Die Fertigung übernahm eine CNC-Maschine, wodurch die mechanische Präzision und eine gute Reproduzierbarkeit gesichert waren. Nach dem Test verschiedener Veredelungen (Finishings) fiel die Wahl auf Sertec 650. Dieses ist kompatibel mit den Anforderungen der European Union Registration, Evaluation, Authorization & Restriction of Chemicals (REACH). Der Einfluss auf die Performance ist nicht messbar. Der Hauptvorteil besteht im Schutz gegen Oxida- MESSBAR MEHR UNGLAUBLICH: UNSERE NETZWERKANALYSATOREN. FÜR SIE NUR DIE SCHÄRFSTEN MESSER. Der Messer unter den Messern: Vektor-Netzwerkanalysator M937xA PXIe von Keysight mit bis zu 16 Modulen für Multiport- Anwendungen und Bandbreiten von 300 kHz bis 26,5 GHz. Wer hier weniger erwartet hatte, hat sich geschnitten: Hier gibt’s viele Netzwerkanalysatoren mit einer Bandbreite von 5 Hz bis 67 GHz*. Weitere scharfe Angebote unter: www.datatec.de/vna *bis zu 1,05 THz mit optionalen Frequenz-Extendern Druckfehler, evtl. technische Änderungen und Irrtum vor behalten. Halle 6 | Stand 6-141 16. – 18. Mai 2017 Messe Nürnberg Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte hf-praxis 6/2017 19

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel